第一、二、三代軸承鋼及其熱處理技術的研究進展(十五)

朱祖昌，楊弋濤，朱聞煒

(1.上海工程技術大學，上海 201620； 2.上海大學，上海 200072；3.上海軌道交通檢測認證(集團)有限公司，上海 200434)

⑤低碳亞共析鋼的熱-機械處理中雙細化組織研究

Song等[186]報道了普通低C-Mn鋼(0.22C-0.21Si-0.74Mn-0.004P-0.003S-0.29Al-0.001N,ω%)在低于珠光體完成溫度Pf(如823K)下采用大的平面應變溫壓變形(ε=1.60)和823 K×2 h退火處理獲得的超細鐵素體F晶粒和均勻分布滲碳體Fe3C微粒組織。這是一種熱-機械處理。鐵素體F的平均晶粒尺寸為1.3 μm，分布于鐵素體F晶粒內部和鐵素體F晶粒邊界面的微粒滲碳體Fe3C和較大的2維滲碳體Fe3C為5～90 nm和90～350 nm，顯微組織如圖118(采用JSM-6500 場發射SEM裝置)和圖 119(應用Philips CM20 TEM設備)所示。圖118表示起始組織為鐵素體F+珠光體P的亞共析鋼采用大的平面應變溫壓變形(ε =1.60)下的組織變化。圖中上面一排表示組織變化示意圖，下面一排表示SEM的組織變化。圖118中由(a)→(c)表示平面應變溫壓變形量ε的增大。其中圖118(a)為起始組織F+P；圖118 (b)表示在受到一定變形量下，先共析鐵素體F晶粒和珠光體P區域被拉長，珠光體的滲碳體片層轉向與壓縮變形的方向垂直，一些珠光體中的滲碳體片層發生碎裂，并發生溶解和球化；圖118(c)在經受大變形量后，碎裂滲碳體球化為離散的較大顆粒，分布在鐵素體晶粒界面部位，排列于壓縮變形的垂直方向上，和阻止晶界沿這一方向的遷移，從而形成拉長形狀的晶粒，同時在較大而平的鐵素體晶粒內部出現亞晶和析出更為細小滲碳體微粒。這種組織在823 K進行2 h退火后具有穩定性。

圖118 0.22C-Mn亞共析鋼在823 K下采用大的平面應變溫壓變形(ε =1.60)下的組織變化，上排為示意圖，下排為SEM圖Fig.118 The microstructure evolution of 0.22 C-Mn hypo-eutectoid steel deformed by large warm deforming(ε=1.60)at 823 K, upper row: schematic pictures, lower row: SEM images

他們確定臨界變形ε≈0.80，進一步增加變形，有利于提高HAGBs的分數和調整鐵素體F晶粒的球形形狀。圖119(a)表示0.22C-Mn亞共析鋼在大的平面應變溫壓變形后立即進行水淬的TEM組織，圖119(b)表示不進行水淬隨后在823 K退火2 h后的TEM組織，為超細鐵素體F和球狀滲碳體的組織。通過比較可以看出，F的晶粒尺寸幾乎不變，球狀滲碳體稍有長大。圖119(b)中①和②的尺寸分別為5～90 nm和90～350 nm，為鐵素體晶粒內部的細滲碳體顆粒和在鐵素體晶粒界面上的比較粗的滲碳體粒子。鐵素體F晶粒受到拉長，其形狀的縱橫比大約為2.8。圖119(c)表示該鋼在大的平面應變溫壓變形(ε=1.60)后立即進行水淬的TEM組織，圖119(d)表示不進行水淬隨后在823 K退火2 h的位錯結構TEM組織，進行比較得到，對應的位錯數量變化小，HAGBs的分數基本上相同。

圖119 0.22 C-Mn鋼在ε=1.60變形后立即進行水淬(a)、(c)和不水淬在823 K退火2 h(b)、(d)的TEM組織Fig.119 TEM of 0.22C-Mn steel after large warm deforming(ε=1.60)and immediately water quench(a),(c) and subsequently annealing at 823 K for 2 h (b), (d)

鐵素體中大量存在的位錯說明再結晶不處于優勢地位(即說明位錯的回復處于優勢地位)，其理由為主要發生了連續再結晶，不是不連續再結晶，由于在溫壓變形中珠光體的滲碳體片層的球化，這種細化的滲碳體顆粒由于Zener釘扎以高的拖曳力，阻止晶粒界面的遷移；另一方面，在F中具有高堆垛層錯能的位錯回復非常快，這意味著位錯重排為形成能量有利晶粒構成的這種先決條件在材料各處容易達到而發生，但是在其后新形成的高角度晶界迅速由于微細粒碳化物的出現而被釘扎住了，則出現不連續再結晶。圖120表示在鐵素體基體中的位錯結構和細小碳化物顆粒，圖中的黑色箭頭指出受到碳化物顆粒釘扎的位錯線情況。

圖120 在鐵素體基體中的位錯結構和細小碳化物顆粒，黑色箭頭指出受到碳化物顆粒釘扎的位錯線Fig.120 The dislocation structure individual cementite particles inside ferrite matrix,the black arrows point at the cementite particles as they pin a dislocation

分離型共析轉變DET在國內外的研究和應用很多，也很深入。在國內，分離型共析轉變(國內常譯為離異共析轉變)原來主要研究于共析鋼、過共析鋼和超高碳鋼，后來拓展應用于亞共析鋼上。顏禮功等[187]2000年首先發表冷軋絲桿用45鋼球化退火工藝研究，此后李峰等[188]、邱木生等[189]和金寶安[190]相繼發表對40Cr和60Si2Mn等亞共析低合金結構鋼的快速球化退火的研究。雖然，還有提出的應用論文更早一些。其中，祝海泉于1992年就提出冷擠壓用低碳鋼的等溫球化退火，1999年閔永安提出冷擠壓用20CrNi2Mo齒輪鋼的球化退火工藝研究。對上述作者研究的退火工藝列于表23中。另外，還參考了文獻[191-204]關于DET在國內的研究和應用等。

表23 國內分離型共析轉變在亞共析低合金鋼快速球化退火上的研究應用Table 23 The research and applications for quick spherodizing of hypoeutectoid low alloy steels in our country by DET

國內隨著冷作加工應用的廣泛，這種在亞共析鋼奧氏體化兩相區加熱的球化退火工藝開發可能還有很多。但這種工藝作為一種重要的熱處理退火工藝至今仍未很好納入教科書和相關熱處理手冊中。在美國于1982年和1995年出版的熱處理工作者導則(Heat Treater′s Guide-Standard Practices and Procedures for Steel)[132-133]中對適用的亞共析低合金結構鋼種采用的獲得鐵素體+顆粒形狀滲碳體的球化退火工藝早已列入。本文對這部分內容以表24進行綜合介紹，以有利于這方面工作在國內的開展和普及。

圖121 4340鋼的TTT曲線Fig.121 The isothermal transformation diagram of 4340 steel

圖122 E52100鋼的TTT曲線Fig.122 The isothermal transformation diagram of E52100 steel

圖123 9260鋼的TTT曲線Fig.123 The isothermal transformation diagram of 9260 steel

表24 美國分離型共析轉變在亞共析低合金鋼的球化退火應用Table 24 The applications for spherodizing of hypoeutectoid low alloy steels in USA by DET

4 高碳鉻軸承鋼球化退火與國際接軌的開導性研究

我們在前面多次強調，現在人們已愈來愈認識到，組成高碳鉻軸承鋼的非金屬夾雜物體系、碳化物體系和Fe-C-Cr多元合金體系的3個體系中，前二個體系中的非金屬夾雜物組成、含量、形態分布和大小以及碳化物含量、形態分布和大小是軸承鋼質量的極其重要的影響因素。現在，隨著我國鋼冶煉技術水準提高和軸承鋼純凈度的提高，非金屬夾雜物缺陷的影響已經能夠得到很大程度改善和已能與國際逐漸接軌的情況下，碳化物體系的影響將正在占據愈益關鍵的地位。碳化物體系的影響十分明顯要通過高碳鉻軸承鋼中的碳化物均勻度的提高予以改善。實際上，高碳鉻軸承鋼的碳化物均勻度除了論文[205]指出的碳化物液析、碳化物帶狀和網狀碳化物外，還應包括其球化退火后基體組織中碳化物顆粒的大小、形態和均勻分布的，這個問題將在這一部分以高碳鉻軸承鋼預備熱處理中的球化退火作為重點詳細闡明。

球化退火的目的是使熱軋的層片狀珠光體組織轉變為在細微鐵素體基體上均勻分布細小合金滲碳體顆粒的球(粒)狀珠光體組織，以降低基體材料硬度后獲得最佳的切削可加工性，以及減小材料的流變應力來改進冷成形性，并控制碳化物的大小、形態和分布，為最終熱處理提供良好的原始組織，使材料在淬火回火的熱處理后得到最佳的力學性能和具備優良的滾動疲勞壽命。

4.1 高碳鉻軸承鋼球化退火顯微組織的檢測標準

對高碳鉻軸承鋼的球化退火顯微組織的最優良化是很重要的，這已經是成為世界軸承研究工作者的共識。因為在對該鋼以后的淬火、回火工藝中對應的工藝參數設計和執行得最好，也是沒有辦法明顯改變碳化物的大小、形態和分布的。要不然，必須要考慮增加碳化物的細化工藝[205-206]，但是因為要增加成本而不受到歡迎。

世界上知名的SKF和FAG公司對球化退火顯微組織作了很嚴格的規定。日本在進入世界軸承鋼先進行列之前的上世紀50年代后才對球化退火研究獲得實用合理的方法。我國按40多年來沿用的退火工藝方法，在對要獲得細小C化物顆粒和均勻分布實際上沒有非常重視。關于這方面的計算工作，會在下面作詳細的進一步說明。

在本論文連載6[206]上介紹過SEP 1520的情況。SEP 1520標準中系列CG 2的球狀碳化物大小的圖片表示于圖124。

圖124 SEP1520標準中的關于鐵素體、碳化物和珠光體組織的圖片Fig.124 Pictures of ferrites, carbide and pearlite in the SEP1520 standard

Schaeffler集團提出的軸承鋼100Cr6的球化退火圖譜為S 261010，表示于圖125中。在Schaeffler集團內，對球化退火結構的標準化程序和標準化評估時，適用于全球范圍內的Schaeffler集團現任成員，應用于球化退火供貨條件下，對碳鋼和滾動軸承鋼的碳化物尺寸的評估，如Cf53、C56E2、C80M、100Cr6和100CrMnMo8材料的軸承鋼。其數字圖表說明中指出，SEP中碳化物尺寸的等級圖表僅對碳化物的大小分級，而不對每個觀測區域內的碳化物密度分級。分級表給出了碳化物尺寸級別的精細劃分，在1000:1放大倍率下，碳化物的數量由158/400 μm2到511/400 μm2按一定的梯度呈現出來。在SEP 1520標準中由CG2.0～CG 2.3的級別又被細分成6級圖形，這些圖形在Schaeffler分級表中以GKZ 1～6中分別表示。其比較、配置表如表25所示(我們沒有收集到更加精細的圖片，但在自己的分析工作中已經得到更加精細的圖片情況。)

圖125 Schaeffler集團的軸承鋼100Cr6的球化退火圖譜S 261010Fig.125 Standard S 261010 of 100Cr6 bearing steel for FAG Group

表25 SEP和Schaeffler的比較和配置表Table 25 The comparison and disposition table for SEP and Schaeffler

我們收集到美國的“Standard Guide for Defining and Rate the Microstructure of High Carbon Bearing Steels”的ASTM A892-09(Reproved 2020)標準[99]。另外，盡管國內沒有引進美國的上述標準導則的附件ASTM Adjunct ADJA0892的圖片，但是，我們借用S 261010標準中的數字作為替代，還是可以表示清楚的。

由上述測定標準可以知道，評定碳化物顯微組織的級別有兩種方法：1)碳化物圖片方式，或者更加具體講為顆粒碳化物大小、分布和形態(2)碳化物密度方式，或者更加具體講為顆粒碳化物大小、分布和形態。實際上，這兩種方式最后都要關系到顆粒碳化物大小、分布和形態的。我國和前蘇聯的高碳鉻軸承鋼標準的碳化物圖片相互類似，都是按碳化物圖片方式的，但是與上述的情況存在不同。

我國對高碳鉻軸承鋼生產的標準現在有GB/T 18254—2016、GB/T 34891—2017和JB/T 1255—2014。評價這三個標準的先進、科學和合理性，并與發達國家的施行標準做出比較是一項十分重要的工作。目前國內沒有很好地進行過這方面的工作，這樣就了解不了我國的這些標準與世界先進國家標準之間的差距和落后的一面，一定程度上就不能明確自己應該努力追趕的方向。

4.2 我國高碳鉻軸承鋼球化退火的顯微組織圖片的測定

首先從GB/T 18254—2016高碳鉻軸承鋼球化退火的顯微組織圖片的測定開始，然后仔細論述與國外的差距。GB/T 18254—2016第5級別圖中、GB/T 34891—2017中第1級別圖中和JB/T 1255—2014中第1級別圖中，都列有高碳鉻軸承鋼球化退火的顯微組織圖片，實際上圖片都源于JB/T 1255—2014標準，并自2014年10月1日起開始應用。這些圖片級別由5個級別組成，標準指出其中2～4級別圖是合格的。我們應用Photoshop(PS)方法測定圖片中碳化物顆粒的直徑大小，并仔細與國外標準中出現的碳化物的形貌作出比較和分析。

測定方法很重要是抓住了圖片的像素點的本質。像素可視為整個圖像中不可分割的單位，或稱為元素，這些像素決定圖像在屏幕上所呈現的大小。把照片放大到一定程度，會發現這這張照片是由無數顏色不同，濃淡不一樣的不相連的“小點”組成的，這些小點就構成照片的像素。像素點的分布越密集，就能把物體的細微末節表現出來。一張照片的像素越高，照片就越精細，反之像素越低的照片則越粗糙，很多細節就難表現出來。像素點的分布越密集，要求拍攝圖像的設備的分辨率應該越高。

首先采用以洛陽軸研科技股份有限公司名義出版的“滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件評級圖譜”照片版本(以下簡稱照片版本金相圖譜)[206]的JB/T 1255—2014照片金相圖譜的球化退火4級組織圖片。按照下列步緒進行操作：

1)圖片實際直徑為78 mm，確定為邏輯長度；

2)開啟Photoshop(PS)文件和打開4級圖像圖片；

3)點擊圖像→分析→設置比例參數→自定，測得評級圖直徑的像素長度(630 mm)；

4)之后在測量比例對話框中分別填上測量值(像素長度為630，邏輯長度為78，邏輯單位中將像素改為mm)，即可測得圖像的邏輯長度；

5)測量比例已設置完成，再點開PS右上角的導航器，可以將圖片任意放大，選定適合自己操作的對象，對圖片上的碳化物顆粒大小逐一加以測量；

6)點測量記錄可以自動記錄測量值，直到測量完成，進行導出和儲存。