軸承鋼的強韌化機制探討

徐茂東， 覃筱蕓

(1. 東北特鋼集團北滿特殊鋼有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161041；2. 廣西科技大學鹿山學院汽車工程系)

為了探討氮的存在狀態，有關人士用電解夾雜、巖石、X光相分析、定量金相、掃描電鏡以及能譜等方法進行了研究。在此，為了弄清顯微氮化物的存在形式，采用電解萃取復型法，分別在JEL2000型和H800型透射電鏡下觀察了形貌，并用電子衍射進行了結構分析。鋼中的殘余奧氏體是用D-3F衍射儀和PW-1700衍射儀完成的。

1 試驗結果及討論

專家指出：鋼包噴吹Si-Ca粉劑，對軸承鋼中氣體含量有一定影響。鋼包噴粉優化工藝可以降低鋼中總氧量w(O)，但是含氮量w(N)卻顯著增加。

為于噴粉工藝導致鋼中增氮的現象，徐匡迪在《金屬學》中做了較為詳細的論述。在噴吹過程中，由于相對表面積的增大，通過裸露面使表面傳質加快，極易吸收大氣中的氮。因此，采用噴粉工藝冶煉的GCr15鋼中增氮是難以避免的。但氮在GCr15鋼中的行為如何,成為人們關心的問題。

2 鋼中氮化物的狀態

有人對棱角狀的TiN型夾雜物的存在做了研究，并對不同工藝鋼中的不同類型夾雜物的平均尺寸、體積分數及其頻數進行了統計分析。但因儀器條件所限，只能測定大于0.2μm的各種夾雜物。噴粉工藝生產的軸承鋼中氧化物(包括硫化物)，氮化物體積分數均比吹氬工藝的明顯減小。噴粉工藝降低鋼中的w(O)和w(S)，導致氧化物體積分數下降。令人難以理解的是：噴粉工藝使鋼中增氮，為什么氮化物的體積分數卻下降了呢？這是由于噴粉工藝鋼中夾雜物的平均尺寸減少的緣故。受技術所限，還有相當數量的小于0.2μm夾雜物顆粒未計算在內。恰恰是這些微小的氮化物顆粒的存在狀態，對軸承鋼的性能有著直接影響。

Ti是形成氮化物的最強元素之一，比重小，易上浮。但實踐證明；還會有一部分Ti留在鋼中形成多棱角的夾雜物。這種夾雜物容易引起局部應力集中，產生疲勞裂紋,因此要控制此種夾雜物的產生,氮化鈦為間隙相?！督饘賹W》指出：如果從電子因素對間隙相的影響來看，通常的規律認為過渡元素的3d層電子數越少，同C、N的親合力越大，形成的碳化物或氮化物就越穩定,這種穩定的碳化物或氮化物的間隙相，具有金屬鏈的特征，熔點高、硬度大。由于噴粉工藝引起鋼中增氮，產生的氮化物夾雜極為細小，并且也很穩定。為探討這些細小氮化物在顯微組織中分布及存在狀態，將試樣在1 150～1 200℃保溫40min水淬，再電解萃取復型于JEL2000型和H800型電鏡中觀察，并通過電子衍射進行結構分析。

實驗結果表明：TiN或Ti(CN)的顯微顆粒(500倍以下)呈彌散分布于顯微組織的晶內或晶界。因為N和Al也有極強的親合力，所以也觀察到了AlN的顯微顆粒。

3 氮化物對性能的影響

GCr15鋼的斷裂過程，根據斷口分析主要為解理和準解理斷裂機制。

著名專家肖紀美先生指出：鋼中夾雜物是一種脆性相，體積分數愈高，韌性愈低；夾雜物的尺寸愈大，韌性下降的愈快。對于解理斷裂的韌性而言，夾雜物的尺寸愈細小，夾雜物的間距愈小，則韌性不但不下降，反而提高，如果晶內脆性相排列較密，則可縮短位錯堆塞距離，不易發生解理斷裂，從而提高解理斷裂強度。《合金鋼手冊》指出：氮化物若以高彌散狀態分布于鋼中時，將極大地增加鋼的硬度、強度，特別是疲勞強度。

實驗結果證明：噴粉工藝生產的GCr15軸承鋼的接觸疲勞壽命比電爐工藝的和吹氬工藝有顯著提高。洛軸所的三輪試驗結果十分接近，重現性很好,斷裂韌性和強度均有提高。因此，彌散分布，細小密集的氮化物的強韌化效果是客觀存在的。綜上所述,噴粉工藝雖然導致鋼中增氮，氮化物顆粒增多，但其顆粒甚小，并于晶界或晶內呈彌散狀態分布，成為有利因素。因此,在噴粉工藝生產的GCr15鋼中的氮化物對強度、韌性和疲勞壽命均有一定的貢獻。

4 鋼中殘余奧氏體

殘余奧氏體對鋼的斷裂韌性和接觸疲勞壽命有著直接影響。對此，我們對氮化物的行為進行了全面分析，并借助于D-3F衍射儀，PW1700衍射儀對鋼中的殘余奧氏體進行了粗略地測定。

一般地講，殘余奧氏體數量的多少，主要受化學成份、晶粒大小、淬火介質，Ms點以下的冷卻速度以及回火溫度、回火時間等因素的影響。殘余奧氏體數量的增加主要有以下幾種原因：

(1)奧氏體中碳及合金元素(除Co以外)的增加；(2)奧氏體晶粒的細化；(3)粹火冷卻速度的變??；(4)在Ms點以下停留及回火溫度較低；(5)保溫時間較長。

噴粉工藝的鋼中殘余奧氏體之所以增加，可能與增氮有關。因為w(N)是一種很強的形成穩定奧氏體的元素，其效用約是Ni的20倍。另外，由于細微TiN顆粒的增多，其細化晶粒的作用，也是導致鋼中殘余奧氏體增加的原因之一。

5 殘余奧氏體對性能的影響

殘余奧氏體在室溫下會發生緩慢分解，因為它屬于熱力學不穩定相。經過回火處理和沒發生轉變的殘余奧氏體，其穩定性才會有較大提高。殘余奧氏體的含量多少及分布形態，對鋼的使用性能有著相當顯著的影響，尤其是對疲勞壽命的影響。這一問題引起了許多專家的關注。目前有兩種截然不同的觀點。

一種觀點認為殘余奧氏體硬度低、塑性大、比容小、塑性抗力低、降低有效殘余壓應力、應力誘發馬氏體硬度高、脆性大、增加顯微組織應力，所以降低接觸疲勞壽命。另一種觀點認為，殘余奧氏體塑性變形、松馳應力、吸收能量、緩沖相變馬氏體的沖擊能、減少顯微裂紋，同時增加接觸面積、降低實際接觸應力、誘發馬氏體韌性好、具有明顯的強韌化效果。在裂紋尖端塑性區內，由于殘余奧氏體加工硬化了，誘發馬氏體具有較大的壓應力，因此裂紋難以擴展。殘余奧氏體阻止了裂紋擴展，消耗了擴展能，對疲勞壽命做出了貢獻。

實驗結果表明，殘余奧氏體的存在，對軸承鋼的塑性、斷裂韌性、硬度、接觸疲勞壽命都有提高，并能抑制接觸疲勞裂紋的萌生和擴展。因此在一定范圍內，殘余奧氏體量的增加，是噴粉工藝的GCr15鋼提高使用性能的重要原因之一。

6 結語

(1)氮化物在噴粉工藝的GCr15鋼中呈彌散狀態分布；

(2)殘余奧氏體在噴粉工藝的GCr15鋼中相對量有所增加；

(3)氮化物細微顆粒呈彌散狀態分布。殘余奧氏體相對量的增加是導致噴粉工藝GCr15鋼的強度、斷裂韌性、以及接觸疲勞壽命提高的重要原因。