電磁能條件下球化退火過程中GCr15軸承鋼碳化物的溶解行為

申麗娟， 謝港生， 麻永林， 邢淑清

(1. 內蒙古科技大學 材料與冶金學院， 內蒙古 包頭 014010；2. 河南省特殊鋼材料研究院有限公司， 河南 濟源 459000)

軸承作為現代機械中重要的基礎零件，其各項性能將直接影響機械裝備的精度、可靠性及使用壽命。如何進一步提高軸承鋼的內在質量，一直以來都是各個國家孜孜以求的目標。GCr15軸承鋼是軸承行業中產量最大、應用最廣泛的材料[1]。碳化物的控制是軸承鋼整個生產環節中最重要、最關鍵的工序，均勻分布的碳化物組織可以明顯提高軸承鋼的使用壽命[2]。因此，全國軸承工業協會將軸承鋼中碳化物形態及分布控制的熱處理工藝列為“十四五”發展規劃中需要解決的關鍵共性技術問題。

球化退火處理作為軸承行業的預備熱處理工序，可以降低材料的硬度且為隨后的淬火和低溫回火處理提供良好的球化組織，是軸承鋼中碳化物形態及分布控制的熱處理工藝中最重要的組成部分[3]。軸承鋼的球化退火處理由兩相區保溫階段和冷卻相變階段兩部分組成，其中兩相區保溫階段過程中碳化物的演變對材料的最終使用性能有很大的影響[4]。本文重點討論兩相區保溫階段。鋼加熱時奧氏體的形成機理是固態相變理論中的一個重要組成部分，前人做了大量研究工作并取得了許多重要的進展，臨界點加熱相變的研究在國外已經做了很多工作[5]。但缺乏在電磁能處理下的相關研究。

于文霞等[6]利用電磁能技術研究了電磁能熱處理技術對鋁合金析出物的影響，在改善鋁合金性能方面有著重要的意義。鑒于固態相變經典形核理論的統一性，嘗試研究電磁能熱處理技術在軸承鋼球化退火保溫階段中的作用，以期達到縮短保溫時間、降低加熱溫度、細化晶粒等目的[7]。本文利用自制脈沖電磁能裝置研究了GCr15軸承鋼兩相區球化退火中奧氏體的形成對碳化物溶解的影響，探討了脈沖電磁能條件下碳化物的分布情況及形成機理。

1 試驗材料及方法

試驗材料為高碳鉻系軸承鋼GCr15，化學成分見表1。軸承鋼生產及熱處理工藝為連鑄坯→軋制→正火處理→球化退火處理→淬火回火處理，如圖1所示。試驗中，將φ5.5 mm的熱軋材加工成長度為10 mm的試樣放入自制可控脈沖電磁能熱處理爐中按照不同工藝進行處理。

表1 試驗GCr15軸承鋼的化學成分(質量分數，%)

圖1 軸承鋼的熱處理工藝流程圖

自制可控脈沖電磁能熱處理爐如圖2所示，脈沖電磁能熱處理爐由控溫系統和脈沖電磁能發生系統兩部分組成，爐子中間位置為石英管，石英管與磁感應強度方向呈軸向平行的關系。本試驗脈沖電磁場參數為最大脈沖電流100 A、頻率20 Hz、占空比20%，峰值磁場強度為71.68 mT。試驗過程中，當溫度到達設定溫度后，將試樣迅速放入石英管中，且讓試樣置于爐子中間部位。同時按照相應的試驗方案設定脈沖電磁能熱處理時間，由于加熱溫度較高，為避免氧化脫碳現象發生，試驗過程中采用通入氬氣的方式實現氣氛保護。

圖2 可控脈沖電磁能熱處理爐示意圖

軸承鋼球化退火前的組織為片狀珠光體+殘留碳化物，為了球化退火時需要有適當量的殘留碳化物，其在球化時起到核心的作用，鋼材升溫后片狀滲碳體開始溶斷，超過相變點后，向顆粒狀發展。然后小顆粒碳化物開始固溶消失，大顆粒碳化物表層固溶直徑均勻化，成為后期等溫過程球化的核心[8]。

本試驗分別采用傳統熱場處理技術和電磁能熱處理技術兩種工藝進行軸承鋼的兩相區球化退火處理，工藝路線如圖3所示。

圖3 球化退火處理工藝示意圖

本文在790 ℃下分別進行60 min的傳統熱場球化退火和10、20及60 min 的CEME(可控電磁能)技術球化退火處理，使用Image-J圖像分析軟件統計不同熱處理條件下獲得的殘留碳化物尺寸及含量，并對殘留碳化物的形貌、數量及粒徑進行對比，從而探索短時電磁能技術在軸承鋼熱處理方面的機理。

2 試驗結果

圖4為不同熱處理條件下球化退火后軸承鋼中殘留碳化物的SEM照片。使用Image-J圖像軟件對不同熱處理工藝下獲得的殘留碳化物數量進行統計，傳統熱場球化退火處理60 min后，殘留碳化物多，當施加脈沖電磁能進行球化退火10 min后，碳化物數量可達到傳統熱場球化退火60 min后的效果。并且隨著電磁能球化退火時間的延長，殘留碳化物數量呈現不斷減少的現象，相比于傳統熱場球化退火處理具有快速溶解的特點。但圖4(c)中碳化物有明顯聚集現象，不利于后期熱處理及使用，有待進一步研究。

圖4 GCr15軸承鋼球化退火后殘留碳化物的EPMA形貌

圖5為殘留碳化物粒子的尺寸變化情況，傳統熱場球化退火處理后碳化物粒子尺寸最大，而電磁能熱處理技術比傳統熱場處理可以獲得更細小的碳化物，這對于后期熱處理及軸承鋼的最終使用性能來說都有很重要的意義。傳統熱場處理60 min后的殘留碳化物的平均粒徑為0.226 μm，電磁能短時(10 min)球化退火處理后，殘留碳化物平均粒徑為0.220 μm，可以達到傳統熱場球化退火處理效果的97.3%。

圖5 GCr15軸承鋼經不同工藝球化退火后殘留碳化物的粒徑

圖6統計了傳統熱場和電磁能技術球化退火處理后軸承鋼的殘留碳化物分布密度。從圖6可以看出，CEME技術比傳統熱場處理可以固溶更多的碳化物，并且隨著CEME處理時間的延長，殘留碳化物數量明顯減少。傳統熱場處理60 min后的殘留碳化物分布密度為2.6460 μm-2，小粒徑碳化物數量最多(見圖7)；脈沖電磁能短時(10 min)處理后，殘留碳化物分布密度為2.167 μm-2，同傳統熱場處理60 min效果基本相同，但小粒徑碳化物數量有降低趨勢。當電磁能技術處理60 min后，殘留碳化物分布密度為0.7839 μm-2。

圖6 GCr15軸承鋼經不同工藝球化退火后殘留碳化物的分布密度

圖7 GCr15軸承鋼經不同工藝球化退火后殘留碳化物的分布

圖7為不同工藝球化退火后軸承鋼不同尺寸殘留碳化物的分布。從圖7可以看出，隨著CEME處理時間的延長，0.05 μm的小粒徑碳化物數量有明顯下降趨勢，由22%降低為15%。當電磁能技術處理60 min后，碳化物分布規律由線性遞減模式趨向于高斯正態分布，高斯峰值為24%，說明大量粒徑為0.05 μm的小粒徑碳化物溶解，此時粒徑為0.1 μm的碳化物分布位于峰值處。

3 分析及討論

奧氏體的形成過程是由碳含量和點陣結構不同的兩個相轉變為另一種點陣結構的新相，包括C原子的擴散重新分布和Fe原子由體心立方結構向面心立方結構的點陣重構。

珠光體中鐵素體為C含量為0.0218%的體心立方結構，滲碳體為C含量為6.69%的復雜斜方晶體結構。通過相變轉變為含碳量為0.77%的奧氏體。形成的奧氏體為等軸多邊形晶粒，這是因為奧氏體形成過程中，界面能占主導，界面能越小意味著阻力越小，而只有球形或者等軸形晶粒的界面能最小。

本文研究的高碳鉻鋼原始組織為片狀珠光體和沿晶界分布的碳化物，在加熱過程中主要分為2個階段：片層珠光體向奧氏體轉變和殘留碳化物的溶解。對于這2個階段的組織轉變機理，前人開展了大量的研究工作[9-11]，但缺乏在電磁能條件下的研究。

3.1 電磁能球化退火處理條件下的奧氏體形核率

電磁能熱處理條件下，形成奧氏體時系統總自由能的變化為[12]：

ΔG=-ΔGV+ΔGS+ΔGe

(1)

式中：ΔGV是奧氏體與母相間的體積自由能之差；ΔGS是奧氏體形成時所需要增加的表面能；ΔGe是奧氏體形成時所需增加的應變能。

所以，奧氏體形成的熱力學條件為ΔG<0。奧氏體在高溫階段形成，應變能較小，可以忽略，主要考慮界面能，因此式(1)可以簡化為：

ΔG=-ΔGV+ΔGS

(2)

即只有當溫度高于臨界溫度(T0)時，珠光體向奧氏體轉變的相變驅動力ΔGV才能克服相變阻力ΔGS，奧氏體才能自發形核。

當體系施加脈沖磁場后，系統總自由能ΔGM可以表示為：

(3)

體系總自由能減低，導致T0下降，或者說實際形成的奧氏體量增多。當體系施加脈沖磁場后，形成的奧氏體量增多。

固態相變中，新相的形核率可以表示為:

N=N1N2

(4)

式中：N1為受形核功影響的形核率因子；N2為受原子擴散能力影響的形核率因子。

新相形核率可表示為[13]：

(5)

式中：ED為擴散激活能；T為溫度；R為氣體常數；N0為擴散常數；ΔG*為形核勢壘。

(6)

式中：K為常數；σ為新相和母相的界面能；ΔGV為相變驅動力。

(7)

(8)

(9)

從熱力學的角度進行分析[16-17]，原子處于激發態時，原子間鍵能的變化將以自由焓變的形式體現，可表述為：

(10)

式中：β為熵的相關量；TC為居里溫度。因此，由于電磁能的作用使形核勢壘降低。與本試驗結果吻合。

3.2 電磁能球化退火處理下殘留碳化物的溶解速度

奧氏體的長大速度(G)是指相界面推移速度，即兩側界面分別向α、滲碳體的推移速度，取決于碳原子在γ中的擴散速度。

(11)

如果假設等溫球化時施加脈沖磁場處理與不處理的體系中C的濃度梯度是相同的，則C遷移的濃度通量取決于C在基體中的擴散系數。擴散系數與溫度的關系遵循阿累尼烏斯(Arrhenius)方程：

(12)

式中：ED為擴散激活能；T為溫度；R為氣體常數；D0為擴散常數。

當施加脈沖磁場后，間隙機制擴散系數可表達為：

(13)

式中：D1為施加電磁能后的擴散常數；Etot為施加電磁能后的擴散激活能；ΔE為電磁能對總激活能的貢獻，可表示為[18-19]：

(14)

式中：μ0為真空磁導率；M為磁化強度；xM為摩爾磁化率；H為相應焓。

由式(14)可知，單位摩爾的磁能小于零。說明施加磁場后擴散原子的激活能減小。

C在γ-Fe中的擴散系數通過試驗導出公式(15)[20]：

(15)

當施加脈沖電磁能后，擴散激活能降低，擴散常數增大。即脈沖電磁能條件下的擴散系數Dm增大，加速了C原子在基體中的擴散，同樣時間脈沖電磁能處理可以溶解更多的碳化物，與本試驗結果吻合。

關于外加磁場對金屬固態相變的影響機制，目前大都局限于熱力學領域，至今無法形成統一的理論，隨著基礎學科的發展，如何利用量子力學的理論去解釋電磁能對材料共享電子的影響[21]，仍需要進行大量的研究工作。

4 結論

1) 傳統熱場球化退火60 min后GCr15軸承鋼中的殘留碳化物分布密度為2.646 μm-2，平均粒徑為0.226 μm；電磁能短時(10 min)球化退火后，殘留碳化物分布密度為2.167 μm-2，平均粒徑為0.220 μm；殘留碳化物分布密度和平均粒徑分別可以達到傳統熱場處理效果的81.9%和97.3%。采用電磁能技術熱處理可顯著縮短兩相區球化退火的保溫時間。

2) 傳統熱場球化退火60 min后GCr15軸承鋼中殘留碳化物分布密度為2.6460 μm-2，電磁能技術球化退火60 min后，殘留碳化物分布密度為0.7839 μm-2，該技術可以有效促進碳化物的溶解。