摘要：臨界區(qū)等溫球化退火是實(shí)現(xiàn)高碳軸承鋼中片狀珠光體球化的主要熱處理方式，其將片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w，改善軸承件的可加工性及組織均勻性。研究了臨界區(qū)等溫球化退火工藝對(duì)低密度含Al軸承鋼微觀組織演化及硬度的影響。研究結(jié)果表明，軸承鋼鋼中高含量Al的添加可以提高臨界區(qū)等溫球化退火溫度，縮短球化時(shí)間，將珠光體的硬度降低至300HV以下。但是，臨界區(qū)等溫球化保溫過(guò)程中有石墨顆粒形成，石墨顆粒的產(chǎn)生雖然能夠有效地降低球化后鋼材硬度，但是部分石墨顆粒在最終的奧氏體化過(guò)程中難以溶解進(jìn)入鋼材基體，未溶解的石墨顆粒不僅增加了組織的不均勻性，而且降低了軸承鋼硬度。所以，較長(zhǎng)時(shí)間退火保溫的臨界區(qū)球化退火方式并不適用于低密度高碳高Al軸承鋼。
關(guān)鍵詞：低密度軸承鋼；臨界區(qū)等溫球化退火；石墨；均勻性
前言： 高碳鋼是制備具有高強(qiáng)度的軸承等結(jié)構(gòu)材料的主要原材料，高碳軸承鋼應(yīng)用時(shí)的微觀組織為馬氏體，其高硬度及高強(qiáng)度能夠滿足軸承應(yīng)用對(duì)耐磨性及滾動(dòng)接觸疲勞性能的要求。高強(qiáng)的馬氏體難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件制備初期的機(jī)加工，所以為了獲得良好的可加工性，通常采用球化退火的方式將高碳鋼軟化，降低其強(qiáng)度及硬度。高碳鋼的鑄態(tài)或軋態(tài)組織通常由片狀珠光體及沿著原奧氏體晶界形成的網(wǎng)狀碳化物組成，此組織結(jié)構(gòu)的高硬度及強(qiáng)度主要由碳化物與鐵素體的體積分?jǐn)?shù)及強(qiáng)度決定。鐵素體的強(qiáng)度由其晶粒尺寸、合金元素的固溶強(qiáng)化作用決定；碳化物對(duì)片狀珠光體硬度的提升由其體積分?jǐn)?shù)及片間距決定。
球化退火處理是將片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橛闪钐蓟锱c鐵素體組成的粒狀珠光體，增加碳化物的顆粒間距，弱化其對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用而降低硬度。臨界區(qū)等溫球化退火是實(shí)現(xiàn)珠光體球化的最常用的方式，其工藝過(guò)程是將鋼材加熱到Ac1以下某一溫度，退火保溫十幾小時(shí)或者幾十小時(shí)，保溫結(jié)束后冷卻到室溫。等溫球化退火的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力源于溫度的降低帶來(lái)的碳化物與基體間的界面能降低，動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)力源于碳化物與鐵素體基體上因?yàn)椴痪鶆虻某煞址植?、不均勻的晶粒尺寸而產(chǎn)生的合金元素的擴(kuò)散。臨界區(qū)等溫球化退火過(guò)程可以分為2個(gè)階段：首先是片狀結(jié)構(gòu)因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生界面能降低逐漸割斷形成短棒狀；接下來(lái)，細(xì)小碳化物顆粒逐漸聚集形成粒狀碳化物。片狀珠光體球化效率由元素的擴(kuò)散速度及片間距決定。
近年來(lái)，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～8%Al的高強(qiáng)鋼及超高強(qiáng)鋼因具有良好的力學(xué)性能而逐漸受到關(guān)注。含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%Al的δ-TIRP鋼具有良好的力學(xué)性能及焊接性能。含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%Al的“1.2C-1.5Cr-5Al”低密度軸承鋼鋼較常規(guī)的GCr15軸承鋼具有更高硬度及更低密度。此外，Al的加入提高了共析溫度從而提高了珠光體相變的過(guò)冷度，細(xì)化了珠光體片間距，片間距的細(xì)化能夠縮短元素?cái)U(kuò)散的時(shí)間，有效提高片狀珠光體的球化效率。易紅亮等人研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的Al對(duì)高碳鋼球化效率的影響。研究結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%Al的添加將臨界區(qū)等溫球化退火的保溫時(shí)間由32 h降低至24 h，極大地提高了球化效率。
但是，截止到目前為止，幾乎所有含Al鋼球化的研究工作都是針對(duì)單一碳化物球化所進(jìn)行的。Al含量較低時(shí)，研究了Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78%～1.5%鋼的片狀滲碳體球化的影響；當(dāng)Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，研究了Al的加入對(duì)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%的κ-珠光體球化的影響。對(duì)于含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)C及Al，片狀珠光體由θ-珠光體及κ珠光體組成的混合珠光體低密度鋼的球化處理卻鮮有研究。本文將研究臨界區(qū)球化退火處理方式對(duì)低密度軸承鋼球化的影響，以及球化處理對(duì)其最終硬化熱處理之后獲得的組織及性能的影響。
結(jié)語(yǔ)：
（1）“1.25C-5Al-1.5Cr”鋼的實(shí)際奧氏體轉(zhuǎn)變Ac1溫度在800～810℃區(qū)間內(nèi)，較熱力學(xué)計(jì)算相圖計(jì)算的相變開(kāi)始溫度高約20℃，以Ac1溫度點(diǎn)設(shè)計(jì)等溫球化退火工藝，經(jīng)過(guò)臨界區(qū)等溫球化退火處理之后，片狀珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)榱钪楣怏w。
?。?）片狀珠光體的等溫球化效果隨著退火溫度的升高而增加。800℃下保溫10h后獲得了由鐵素體及彌散分布在鐵素體上的粒狀滲碳體及粒狀κ碳化物組成的粒狀珠光體。鋼材硬度由熱軋態(tài)時(shí)的476HV20±3HV20降低至236HV20±2HV20。
?。?）臨界區(qū)等溫球化退火過(guò)程中部分碳化物發(fā)生石分解形成石墨顆粒，石墨顆粒的尺寸范圍是4～10μm，其體積分?jǐn)?shù)隨著退火溫度升高而增加。等溫球化過(guò)程中當(dāng)退火溫度由750℃升高至800℃時(shí)，石墨的體積分?jǐn)?shù)由1%升高至3.5%。
（4）臨界區(qū)等溫球化退火過(guò)程中形成的石墨顆粒在最終奧氏體化熱處理過(guò)程中不能完全溶解進(jìn)入鋼材基體中，奧氏體化保溫淬火后仍然有體積分?jǐn)?shù)約1.3%的未溶解石墨顆粒。含有石墨顆粒時(shí)鋼材的淬火態(tài)硬度為61.9HRC±0.5HRC，較“1.2C-5Al-1.5Cr”鋼無(wú)石墨顆粒存在時(shí)的淬火態(tài)硬度65.2HRC±0.4HRC低約3HRC。
摘自：鋼鐵研究學(xué)報(bào)
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