軸承鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制探討

徐茂東， 覃筱蕓

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

為了探討氮的存在狀態(tài)，有關(guān)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(jìn)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(fù)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(jìn)行了結(jié)構(gòu)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(yàn)結(jié)果及討論

專家指出：鋼包噴吹Si-Ca粉劑，對(duì)軸承鋼中氣體含量有一定影響。鋼包噴粉優(yōu)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(dǎo)致鋼中增氮的現(xiàn)象，徐匡迪在《金屬學(xué)》中做了較為詳細(xì)的論述。在噴吹過(guò)程中，由于相對(duì)表面積的增大，通過(guò)裸露面使表面?zhèn)髻|(zhì)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(guān)心的問(wèn)題。

2 鋼中氮化物的狀態(tài)

有人對(duì)棱角狀的TiN型夾雜物的存在做了研究，并對(duì)不同工藝鋼中的不同類型夾雜物的平均尺寸、體積分?jǐn)?shù)及其頻數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。但因儀器條件所限，只能測(cè)定大于0.2μm的各種夾雜物。噴粉工藝生產(chǎn)的軸承鋼中氧化物(包括硫化物)，氮化物體積分?jǐn)?shù)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(dǎo)致氧化物體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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(shù)所限，還有相當(dāng)數(shù)量的小于0.2μm夾雜物顆粒未計(jì)算在內(nèi)。恰恰是這些微小的氮化物顆粒的存在狀態(tài)，對(duì)軸承鋼的性能有著直接影響。

Ti是形成氮化物的最強(qiáng)元素之一，比重小，易上浮。但實(shí)踐證明；還會(huì)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(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋,因此要控制此種夾雜物的產(chǎn)生,氮化鈦為間隙相。《金屬學(xué)》指出：如果從電子因素對(duì)間隙相的影響來(lái)看，通常的規(guī)律認(rèn)為過(guò)渡元素的3d層電子數(shù)越少，同C、N的親合力越大，形成的碳化物或氮化物就越穩(wěn)定,這種穩(wěn)定的碳化物或氮化物的間隙相，具有金屬鏈的特征，熔點(diǎn)高、硬度大。由于噴粉工藝引起鋼中增氮，產(chǎn)生的氮化物夾雜極為細(xì)小，并且也很穩(wěn)定。為探討這些細(xì)小氮化物在顯微組織中分布及存在狀態(tài)，將試樣在1 150～1 200℃保溫40min水淬，再電解萃取復(fù)型于JEL2000型和H800型電鏡中觀察，并通過(guò)電子衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)或晶界。因?yàn)镹和Al也有極強(qiáng)的親合力，所以也觀察到了AlN的顯微顆粒。

3 氮化物對(duì)性能的影響

GCr15鋼的斷裂過(guò)程，根據(jù)斷口分析主要為解理和準(zhǔn)解理斷裂機(jī)制。

著名專家肖紀(jì)美先生指出：鋼中夾雜物是一種脆性相，體積分?jǐn)?shù)愈高，韌性愈低；夾雜物的尺寸愈大，韌性下降的愈快。對(duì)于解理斷裂的韌性而言，夾雜物的尺寸愈細(xì)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(nèi)脆性相排列較密，則可縮短位錯(cuò)堆塞距離，不易發(fā)生解理斷裂，從而提高解理斷裂強(qiáng)度。《合金鋼手冊(cè)》指出：氮化物若以高彌散狀態(tài)分布于鋼中時(shí)，將極大地增加鋼的硬度、強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：噴粉工藝生產(chǎn)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(yàn)結(jié)果十分接近，重現(xiàn)性很好,斷裂韌性和強(qiáng)度均有提高。因此，彌散分布，細(xì)小密集的氮化物的強(qiáng)韌化效果是客觀存在的。綜上所述,噴粉工藝雖然導(dǎo)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(nèi)呈彌散狀態(tài)分布，成為有利因素。因此,在噴粉工藝生產(chǎn)的GCr15鋼中的氮化物對(duì)強(qiáng)度、韌性和疲勞壽命均有一定的貢獻(xiàn)。

4 鋼中殘余奧氏體

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

一般地講，殘余奧氏體數(shù)量的多少，主要受化學(xué)成份、晶粒大小、淬火介質(zhì)，Ms點(diǎn)以下的冷卻速度以及回火溫度、回火時(shí)間等因素的影響。殘余奧氏體數(shù)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(xì)化；(3)粹火冷卻速度的變??；(4)在Ms點(diǎn)以下停留及回火溫度較低；(5)保溫時(shí)間較長(zhǎng)。

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

5 殘余奧氏體對(duì)性能的影響

殘余奧氏體在室溫下會(huì)發(fā)生緩慢分解，因?yàn)樗鼘儆跓崃W(xué)不穩(wěn)定相。經(jīng)過(guò)回火處理和沒(méi)發(fā)生轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體，其穩(wěn)定性才會(huì)有較大提高。殘余奧氏體的含量多少及分布形態(tài)，對(duì)鋼的使用性能有著相當(dāng)顯著的影響，尤其是對(duì)疲勞壽命的影響。這一問(wèn)題引起了許多專家的關(guān)注。目前有兩種截然不同的觀點(diǎn)。

一種觀點(diǎn)認(rèn)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(yīng)力、應(yīng)力誘發(fā)馬氏體硬度高、脆性大、增加顯微組織應(yīng)力，所以降低接觸疲勞壽命。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，殘余奧氏體塑性變形、松馳應(yīng)力、吸收能量、緩沖相變馬氏體的沖擊能、減少顯微裂紋，同時(shí)增加接觸面積、降低實(shí)際接觸應(yīng)力、誘發(fā)馬氏體韌性好、具有明顯的強(qiáng)韌化效果。在裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)，由于殘余奧氏體加工硬化了，誘發(fā)馬氏體具有較大的壓應(yīng)力，因此裂紋難以擴(kuò)展。殘余奧氏體阻止了裂紋擴(kuò)展，消耗了擴(kuò)展能，對(duì)疲勞壽命做出了貢獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，殘余奧氏體的存在，對(duì)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(kuò)展。因此在一定范圍內(nèi)，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(jié)語(yǔ)

(1)氮化物在噴粉工藝的GCr15鋼中呈彌散狀態(tài)分布；

(2)殘余奧氏體在噴粉工藝的GCr15鋼中相對(duì)量有所增加；

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