新型高強軸承鋼的熱壓縮變形行為與熱加工圖

程海洲,羅志輝,許婄鑫

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院機電工程學院,鄭州 451450;2.洛陽中重鑄鍛有限責任公司,洛陽 471000;3.鄭州大學材料科學與工程學院,鄭州 450001)

0 引 言

軸承鋼作為機械傳動部分的基礎(chǔ)材料,常用來制作滾珠和軸承套圈等用于傳遞運動和承受載荷的重要支撐轉(zhuǎn)動部件。在服役過程中軸承鋼需要承受各種交變應(yīng)力、壓力、摩擦力等作用[1],這就要求軸承鋼具備高硬度、優(yōu)異耐磨性(低摩擦因數(shù))、良好沖擊韌性、高接觸疲勞強度和良好尺寸穩(wěn)定性等性能[2]。近年來國內(nèi)在軸承鋼種類(高碳鉻軸承鋼、無鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼和中高溫軸承鋼)、冶金技術(shù)(電爐、轉(zhuǎn)爐)、熱加工技術(shù)(鍛造、連鑄連軋)和熱處理技術(shù)(淬火+低溫回火、正火)等方面都取得了較大進步[3-5]。開發(fā)出的高碳鉻軸承鋼GCr15、GCr15SiMn等再通過后續(xù)淬回火熱處理,形成的馬氏體鋼基本能滿足中低端軸承領(lǐng)域的性能需求[6],但是高端軸承鋼仍然很大程度上依賴進口。研究[7-8]發(fā)現(xiàn),與馬氏體鋼相比,貝氏體鋼具有更高的強韌性、更好的沖擊韌性和更優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。基于此,國外在傳統(tǒng)高碳鉻軸承鋼GCr15的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整碳、硅、錳、鉻、鎳、鉬、硫、磷等元素含量將馬氏體組織調(diào)控為貝氏體組織,得到了一種新型貝氏體軸承鋼。熱加工處理是軸承鋼生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié),目前有關(guān)熱變形行為的研究主要集中在高碳鉻軸承鋼GCr15、GCr15SiMn、100Cr6等鋼種上,而對新型貝氏體軸承鋼的熱變形行為研究較少[9]。貝氏體軸承鋼的熱變形行為會因化學成分和顯微組織的差異而與傳統(tǒng)馬氏體軸承鋼明顯不同[10],因此有必要對其熱變形行為進行研究,以通過優(yōu)化變形溫度、應(yīng)變速率等來避免其在熱加工過程中產(chǎn)生塑性失穩(wěn)[11]。基于此,作者研究了自主開發(fā)的新型貝氏體軸承鋼在變形溫度900～1 200℃、應(yīng)變速率0.01～5 s-1下的熱壓縮變形行為,構(gòu)建了熱變形本構(gòu)方程,并繪制了熱加工圖,以期為優(yōu)化貝氏體軸承鋼的熱加工工藝參數(shù)和改善其使用性能提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為在GCr15軸承鋼基礎(chǔ)上,通過調(diào)整化學成分自主開發(fā)得到的新型貝氏體軸承鋼鍛坯,尺寸為?60 mm×150 mm,采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得其化學成分如表1所示,顯微組織如圖1所示,可知其組織為下貝氏體。采用截點法統(tǒng)計得到鍛態(tài)試驗鋼的平均晶粒尺寸約為58μm。

圖1 熱壓縮前鍛態(tài)試驗鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of test steel in forged state before hot compression:(a)SEM morphology and(b)OM morphology

表1 試驗鋼的化學成分Table 1 Chemical composition of test steel

在鍛坯上截取尺寸為?8 mm×12 mm 的試樣,在Gleeble-3800型熱力模擬試驗機上進行單道次熱壓縮試驗,將試樣以10℃·s-1速率加熱至1 200℃,保溫8 min后,以相同冷卻速率降溫至熱變形溫度(900,1 000,1 100,1 200℃),保溫1 min后以應(yīng)變速率0.01,0.05,0.1,0.5,1,5 s-1熱壓縮至變形量60%,結(jié)束后水淬直至冷卻到室溫。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 熱變形行為

由圖2可知,試驗鋼在變形溫度900～1 200℃、應(yīng)變速率0.01～5 s-1下的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可分為4個階段[12-13]:(1)彈性變形階段,真應(yīng)力隨著真應(yīng)變的增大而快速增大,這主要是由于此時組織中位錯密度急劇增大產(chǎn)生加工硬化作用所致;(2)塑性變形階段,隨著真應(yīng)變的繼續(xù)增大,試驗鋼組織中出現(xiàn)位錯滑移和攀移,在回復(fù)軟化作用下真應(yīng)力增加速率減小;(3)穩(wěn)定變形階段,在該階段試驗鋼同時發(fā)生動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶軟化,抵消部分加工硬化作用,使得真應(yīng)力保持穩(wěn)定;(4)應(yīng)力下降階段,當試驗鋼到達峰值應(yīng)力后,繼續(xù)增加應(yīng)變會使軟化作用逐漸占主導(dǎo),真應(yīng)力隨著真應(yīng)變增加而減小。通過對比可知,當變形溫度不低于1 000℃、應(yīng)變速率低于0.1 s-1時,試驗鋼在熱壓縮過程中的動態(tài)再結(jié)晶較明顯。在相同應(yīng)變速率下,變形溫度越高,峰值應(yīng)力越小,到達峰值應(yīng)力的真應(yīng)變也越小,這主要是因為變形溫度的升高可以使試驗鋼在熱壓縮過程中具有較高的變形激活能,動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶更加顯著,軟化作用更強[14]。在相同變形溫度下,應(yīng)變速率越大,峰值應(yīng)力越大,到達峰值應(yīng)力的真應(yīng)變也越大,這是因為應(yīng)變速率的增加會增大位錯密度,并提升試驗鋼的加工硬化效果。

圖2 不同變形溫度和應(yīng)變速率下試驗鋼的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.2 True stress-true strain curves of test steel at different deformation temperatures and strain rates

2.2 熱變形本構(gòu)方程

對于不同變形溫度和應(yīng)變速率下的熱壓縮變形,可用Arrhenius本構(gòu)方程來建立變形溫度T、應(yīng)變速率ε·和真應(yīng)力σ之間的關(guān)系[15],其表達式為

式:中,,A,1,,A,2A n1nαβ均為與材料有關(guān)的常數(shù),其中β=αn1;Q為變形激活能,kJ·mol-1;R為氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1。

對式(1)兩邊取自然對數(shù),可得:

將熱變形溫度和應(yīng)變速率代入式(2),采用Origin軟件繪制峰值應(yīng)力σp與應(yīng)變速率的關(guān)系,結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示。采用最小二乘法[16]對lnσp-lnε·和σp-lnε·關(guān)系曲線進行線性擬合,分別計算曲線的斜率并求平均值后,得到n1=6.090 2,β=0.071 6,因此α=β/n1=0.011 8。采用Origin軟件繪制得到的ln sinh(ασp)-lnε·和ln sinh(ασp)-1 000/T關(guān)系曲線如圖3(c)和圖3(d)所示,采用最小二乘法[16]對曲線進行線性擬合,分別計算曲線的斜率并求平均值后,得到n=4.271,Q=479.119 kJ·mol-1。可見,該貝氏體軸承鋼的n與傳統(tǒng)GCr15馬氏體軸承鋼(4.512)相近,而Q明顯大于傳統(tǒng)GCr15馬氏體軸承鋼(323.336 kJ·mol-1)[2]。這說明新型貝氏體軸承鋼與傳統(tǒng)GCr15馬氏體軸承鋼在熱變形過程中的應(yīng)力敏感程度相當,但是在相同變形溫度下新型貝氏體軸承鋼更難以變形[17]。

圖3 不同變形溫度和應(yīng)變速率下試驗鋼不同變量之間的關(guān)系曲線Fig.3 Curves between different variates of test steel at different deformation temperatures and strain rates

在熱壓縮過程中,可采用Z ener-Hollmon等提出的溫度補償變形速率因子Z建立ε·和σ的關(guān)系[18],其表達式為

對式(3)兩邊取對數(shù)可得:

將上述得到的材料參數(shù)和Q代入式(4)并進行線性擬合,結(jié)果如圖4所示,擬合線的截距即為lnA;計算得到A=1.241×1018,且擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.96,表明擬合精度較高。綜上,該新型貝氏體軸承鋼的熱變形本構(gòu)方程為

圖4 試驗鋼的ln sinh(ασp)-ln Z 關(guān)系曲線Fig.4 ln sinh(ασp)-ln Z curve of test steel

2.3 熱加工圖

為了更好地制定貝氏體軸承鋼的熱加工工藝,需要進一步研究其在不同變形溫度和應(yīng)變速率下的熱加工圖,以較好地預(yù)測軸承鋼在熱變形過程中的安全區(qū)和不安全區(qū),優(yōu)化熱加工工藝參數(shù)。基于動態(tài)材料模型建立軸承鋼的熱加工圖,單位體積內(nèi)的輸入能量P[19]的計算公式為

式中:k為與熱變形相關(guān)的溫度常數(shù);m為應(yīng)變速率敏感指數(shù),在非線性耗散條件下,m取值在0～1,在理想線性耗散條件下,m取1。

引入與變形溫度和應(yīng)變速率相關(guān)的功率耗散效率因子η來建立與應(yīng)變速率敏感指數(shù)m的關(guān)系[20]:

將Prasad失穩(wěn)區(qū)判據(jù)作為貝氏體軸承鋼發(fā)生流變失穩(wěn)的依據(jù),基于動態(tài)材料模型可建立功率耗散效率因子與流變失穩(wěn)參數(shù)ζ(ε·)的關(guān)系[21],其表達式為

利用MATLAB軟件和Origin軟件對不同變形溫度和應(yīng)變速率下的峰值應(yīng)力進行擬合,并繪制功率耗散圖和流變失穩(wěn)圖,兩圖疊加處理后即可得到試驗鋼的熱加工圖。圖5為不同真應(yīng)變下試驗鋼的熱加工圖,圖中灰色陰影區(qū)為流變失穩(wěn)區(qū),數(shù)字為η值。灰色陰影區(qū)所占面積越小,則試驗鋼在熱變形域過內(nèi)程試中驗的鋼可越加難工加范工圍[22]越。大 由,η圖5值 可越以小,看說出明:在當該變區(qū)形溫度從900℃升高至1 200℃時,在相同應(yīng)變速率下變形溫度越高,流變失穩(wěn)區(qū)越大,當真應(yīng)變?yōu)?.7時,在變形溫度高于1 100℃時都會出現(xiàn)流變失穩(wěn);在相同真應(yīng)變下,應(yīng)變速率越小,η值越大,流變失穩(wěn)越容易發(fā)生[23]。在熱壓縮過程中,變形溫度和應(yīng)變速率都會對流變失穩(wěn)區(qū)和功率耗散因子產(chǎn)生明顯影響。為了提高貝氏體軸承鋼的成形質(zhì)量,在熱加工過程中需要選擇處于η值較大的非灰色陰影區(qū)范圍的熱加工參數(shù)。觀察發(fā)現(xiàn),貝氏體軸承鋼適宜的熱加工范圍為變形溫度900～1 100℃、應(yīng)變速率1.4～2 s-1。

圖5 不同真應(yīng)變下試驗鋼的熱加工圖Fig.5 Hot processing map of test steel at different true strains

3 結(jié) 論

(1)當變形溫度不低于1 000℃、應(yīng)變速率低于0.1 s-1時,試驗鋼在熱壓縮過程中的動態(tài)再結(jié)晶較明顯。在相同應(yīng)變速率下,變形溫度越高,峰值應(yīng)力越小,到達峰值應(yīng)力的真應(yīng)變也越小;在相同變形溫度下,應(yīng)變速率越大,峰值應(yīng)力越大,到達峰值應(yīng)力的真應(yīng)變也越大。

(3) 通過熱加工圖確定,試驗鋼適宜的熱加工區(qū)間為變形溫度900～1 100℃、應(yīng)變速率1.4～2 s-1。