【新刊速览】马帅:回火工艺对含Ce轴承钢440C组织性能影响
2023-09-05 18:10
为探究不同回火工艺对440C轴承钢组织性能的影响，以含Ce超洁净440C轴承钢为研究对象，通过SEM、XRD、TEM等对比研究了球化退火-淬火-回火工艺与球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺对440C轴承钢显微组织与性能的影响。试验选择的淬火温度为1 050 ℃、回火温度为200 ℃、冷处理温度为-78.5 ℃。结果表明，两种工艺下试验钢中的物相均为马氏体 + 残余奥氏体 + M23C6型碳化物。相比于仅对试验钢进行球化退火-淬火-回火的情况，在球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺条件下，试验钢中残余奥氏体的体积分数由11.06%降至7.63%，一次碳化物的尺寸及数量基本无变化，二次碳化物的个数增加了49.4%、平均面积下降了24.0%；在力学性能方面，冲击功由90.5 J提高到115.0 J，拉伸试样断后伸长率由5.3%增加到8.3%,而抗拉强度仅由2 039.24 MPa增加到2 060.14 MPa，洛氏硬度由58.70HRC提升到59.09HRC，提升幅度较小。力学性能的转变归因于组织及碳化物的共同作用，本试验条件下球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺更有利于440C轴承钢韧塑性的提升，但对强度和硬度提升有限。本研究为440C轴承钢在回火工艺的设计提供了参考。
440C； SA-Q-T-C-T工艺； 残余奥氏体； 二次碳化物； 力学性能440C作为一种高碳高铬马氏体轴承钢，其碳质量分数为0.95%~1.05%、铬质量分数为16%~18%，对应于国内9Cr18Mo牌号。440C因碳化物的体积分数较高，具有较高的硬度、强度及耐磨性，广泛应用于腐蚀环境和无润滑强氧化气氛中工作的轴承零件及航空、航天等领域，同时也可应用于高质量刀具的制造，如剪刀、医用手术刀等。随着轴承钢洁净度控制水平的提升，碳化物的尺寸与均匀性控制对轴承钢的疲劳寿命提升的限制更为显著。440C作为高碳高铬轴承钢，在热处理的过程中会从基体中析出二次碳化物，分布不均匀且尺寸较大的二次碳化物会严重恶化轴承钢的性能，设计合理的热处理工艺来调控碳化物的尺寸及分布是440C钢制备工艺中的重要问题。回火工艺是热处理中影响钢中碳化物的主要环节之一，特别是对高碳铬轴承钢，适当的回火工艺可以使钢材得到相应的组织转变，优化钢材的组织并提高强韧性，消除淬火引起的残余应力，从而提高材料的使用寿命。迄今为止，大量学者就回火工艺对钢材的影响进行了研究，苏勇等研究了3种不同回火工艺对等温淬火8Cr4Mo4V轴承钢组织性能的影响，结果表明，多次低温回火可以使钢中析出更多的碳化物，弥散强化作用更强。杨俊松等通过对比一次回火与二次回火对弹簧钢组织性能的影响，得出二次回火弹簧钢中的碳化物发生了粗化、碳化物分布的均匀度降低、硬度及弹性模量降低的结论。而殷会芳等则认为，经过二次回火的调整，COST-FB2转子钢试样获得了较好的强韧性配合。同时，有学者对钢材冷处理进行了探索，发现冷处理可以促进残余奥氏体向马氏体转变，提高回火碳化物的析出数量，这主要是由于深冷处理提高了碳原子的扩散驱动力，从而促进了细小碳化物的形成。AMINI K等研究了深冷处理对80CrMo12 5工具钢组织性能的影响，发现深冷处理不仅可以优化碳化物的分布，而且可以显著提高试样的耐磨性及极限抗拉强度。MOLINARI A等研究表明，深冷处理(-196 ℃)可以提高工具钢的耐磨性及韧性，降低近50%的工具消耗。目前，对高碳铬轴承钢回火工艺的探究较少，且对440C轴承钢一次回火与冷处理、二次回火的对比研究更是鲜有报道。本文提出采用球化退火-淬火-回火-冷处理-回火(以下简称SA-Q-T-C-T)工艺处理含Ce轴承钢440C，对热处理后的显微组织、碳化物、冲击性能、拉伸性能、洛氏硬度等进行了表征，并与传统的球化退火-淬火-回火(以下简称SA-Q-T)工艺制度进行了对比，对冷处理与二次回火工艺对440C轴承钢组织性能影响机理进行了分析。本研究可为该钢种在回火工艺的设计提供参考。
本文对不同回火工艺对含Ce轴承钢440C的组织与性能影响进行了对比分析，结果表明：1)回火后试验钢中的物相主要为马氏体+残余奥氏体+M23C6型碳化物，球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺中残余奥氏体的体积分数为 7.63%，低于球化退火-淬火-回火工艺的11.06%，球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺有利于残奥的转化。2)碳化物分析显示，与球化退火-淬火-回火工艺相比，球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺对一次碳化物尺寸及数量基本无影响，但可以增加二次碳化物的数量、降低二次碳化物尺寸，促进试验钢中的纳米级二次碳化物细小、弥散分布。3)球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺可以将冲击功由球化退火-淬火-回火工艺的90.5 J提升到115.0 J，抗拉强度由2 039.24 MPa提升到2 060.14 MPa，洛氏硬度由58.70HRC提升到59.09HRC。在组织转变与碳化物的共同影响下，球化退火-淬火-回火-冷处理-回火工艺对440C轴承钢韧塑性提升更有利，而对强度及硬度提升有限。来源：《中国冶金》2023年第8期
