稀土Ce含量對GCr15SiMn軸承鋼沖擊性能的影響

李曉凱,信瑞山,俞占揚,滕艾均,康舉

(1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點試驗室,遼寧 鞍山 114000;2.鞍鋼集團北京研究院有限公司,北京 102211;3.北京石油化工學(xué)院 深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點試驗室,北京 102617)

國產(chǎn)軸承鋼在低端產(chǎn)品上出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩的現(xiàn)象,應(yīng)該大力發(fā)展在新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域(如高鐵和航空航天)使用的對韌性和使用壽命等要求更高的軸承鋼。目前,不少高端軸承也使用國產(chǎn)軸承鋼,但其存在批量生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象,從而制約了我國高端裝備的發(fā)展[1-2]。如何避免偶爾出現(xiàn)的大尺寸夾雜物, 改善夾雜物形狀及分布,從而進一步提高成分均勻性等是生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼的關(guān)鍵。

GCr15鋼是使用最廣泛和業(yè)界認可度最高的高碳鉻軸承鋼,但GCr15鋼淬透性較低,多用于生產(chǎn)小型軸承。為滿足市場需求,陸續(xù)研制了GCr15SiMn鋼、GCr15SiMo鋼等淬透性較高的軸承鋼,GCr15SiMn鋼憑借成本低的優(yōu)勢,使用率僅低于GCr15鋼。

我國有豐富的稀土鈰(Ce)資源, Ce在鋼中的應(yīng)用廣泛,大量試驗證明在鋼中加入 Ce可有效提高鋼的韌性,但Ce的具體加入量因鋼種不同而存在很大差距[3-15]。 Ce加入量過高會產(chǎn)生不規(guī)則的大尺寸夾雜物,在其周圍易引起沿晶裂紋,降低能量消耗,進而降低沖擊性能。

在GCr15軸承鋼中加入稀土元素的研究較多,而在高硅(Si)、高錳(Mn)軸承鋼中加入稀土元素的研究較少。因此本文研究了Ce改善GCr15SiMn軸承鋼脆性的可行性及其影響機理,并得出較優(yōu)的稀土加入量,為稀土軸承鋼的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗

在30 kg真空感應(yīng)爐中采用碳脫氧+鋁脫氧工藝冶煉不同Ce含量(質(zhì)量分數(shù),下同)的GCr15SiMn軸承鋼,冶煉過程中要嚴格控制鋁(Al),Si,Mn易燒損元素的加入順序。待所有合金元素加入穩(wěn)定3～5 min后,調(diào)整功率使溫度達到1 530 ℃左右時加入Ce,加入前將Ce塊表面氧化層磨掉使其呈光亮狀態(tài)。根據(jù)Factsage熱力學(xué)計算軟件,設(shè)置Ce加入量分別為0,0.005%,0.015%,0.030%,0.050%。由文獻[16-20]可知Ce收得率按經(jīng)驗值的40%計算,Ce加入量和最終 Ce含量見表1, Ce收得率分別為41.67%,40.82%,48.90%,59.35%,當Ce加入量增加時收得率升高。試驗鋼主要成分見表2。

表1 Ce加入量及實際 Ce含量 Tab.1 Ce addition amount and actual Ce content %

表2 試驗鋼主要成分(質(zhì)量分數(shù))

冶煉后的試驗鋼按始鍛溫度1 150 ℃,終鍛溫度850 ℃進行鍛造,試驗鋼為直徑50 mm的棒材。5個爐次試驗鋼均采用相同的熱處理工藝(圖1)。

圖1 試驗鋼的熱處理工藝示意圖

2 Ce對GCr15SiMn軸承鋼沖擊性能的影響

在每爐鋼的1/2半徑處取樣,完成熱處理后,按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準展開夏比擺錘沖擊試驗,無缺口試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,每組進行3次試驗,取平均值,各爐次試驗鋼的沖擊功和回火后硬度見表3。

表3 各爐次試驗鋼的沖擊功和回火后硬度

由表3可知:隨著 Ce含量的不斷增加,沖擊功呈先升高后降低的趨勢, Ce含量為0.016%時沖擊功最大;加入Ce后硬度略有提高,可能是Ce元素細化了原始奧氏體晶粒,提高了試驗鋼的韌性和硬度。

試驗鋼的沖擊性能與夾雜物的尺寸和數(shù)量有關(guān),因此分別從5爐鑄錠相同位置(1/2半徑處)取樣,使用鎢燈絲掃描電鏡以試樣中心為中心,自動掃描4 mm2統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)夾雜物的尺寸和數(shù)量見表4:不加 Ce時鋼中直徑d大于5 μm的夾雜物占比接近20%;隨著 Ce含量的增加,直徑大于5 μm夾雜物占比先降低后增加, Ce含量為0.016%時其占比最低(2.08%);直徑小于3 μm夾雜物占比隨Ce含量的增加先增加后降低,當Ce含量為0.016%時,達到最高(約90%),這與沖擊功的變化趨勢一致。

表4 不同尺寸夾雜物占比及數(shù)量

文獻[21-22]研究表明鋼的韌性與鋼中硫化錳(MnS)夾雜物存在的狀態(tài)直接相關(guān)。不加 Ce時鋼中典型復(fù)合夾雜物如圖2所示。圖2a中氧化鋁(Al2O3)夾雜物呈顆粒狀,MnS夾雜物則呈立方體狀,圖2b中兩者均為矩形,Al2O3夾雜物由于脆硬的特點一般不會發(fā)生變形,通常以顆粒狀和矩形狀存在,在凝固過程中Al2O3夾雜物會作為形核核心最先析出,最終形狀由MnS夾雜物決定。

(a) 立方體形復(fù)合夾雜物

當鋼中加入Ce后,夾雜物的形態(tài)及分布狀況均發(fā)生變化,加入 Ce后一方面MnS夾雜物得到變質(zhì),另一方面把脆性夾雜物Al2O3或尖晶石類變?yōu)橛捕炔桓摺⒖伤苄詷O大的球形 Ce夾雜物(圖3),球形的Ce夾雜物能夠一定程度上降低鋼中脆性夾雜物含量,從而提高鋼的韌性。 當Ce含量為0.016%時,鋼中小尺寸夾雜物占比最高,裂紋擴展方向因這些小尺寸夾雜物發(fā)生改變,從而使裂紋擴展的能量消耗最大,因此沖擊功最高。但當 Ce含量高于0.016%時,鋼中開始出現(xiàn)不規(guī)則帶尖角的復(fù)合 Ce夾雜物(圖4),這些夾雜物增加了裂紋源,加速裂紋延伸,因此沖擊功降低。加入 Ce后減小了夾雜物尺寸,相對細小且彌散分布的夾雜物能夠有效促進晶粒(表5)細化,當試驗鋼受到外力作用時有利于將應(yīng)力分散到更多的晶粒中,從而提高了試驗鋼的沖擊性能[23-25]。

(a) MnS和Ce復(fù)合夾雜物

(a) Ce-S-O夾雜物

表5 各爐次平均晶粒尺寸的統(tǒng)計結(jié)果

3 沖擊斷口形貌

不同 Ce含量下試驗鋼沖擊斷口低倍形貌如圖5所示:不加 Ce時斷口呈平坦狀態(tài),為脆性斷裂(圖5a紅色區(qū)域);加入微量Ce時,斷口出現(xiàn)韌窩和凹凸面(圖5b紅色區(qū)域);當Ce含量為0.016%時,凹凸面進一步增加,且平整面較少(圖5c紅色區(qū)域);當Ce含量為0.029%時,斷口凹凸程度降低,并且平坦區(qū)域增加;當Ce含量為0.053%時,斷口凹凸面明顯降低,開始向平坦趨勢轉(zhuǎn)變。

(a) 無Ce (b) 0.007%

不同 Ce含量下試驗鋼沖擊斷口高倍形貌如圖6所示:不加 Ce時試驗鋼脆性斷裂面較多(圖6a紅色區(qū)域),韌窩大小和深度不一樣,存在大尺寸坑狀韌窩,原因為MnS夾雜物的存在導(dǎo)致應(yīng)力集中,從而產(chǎn)生尺寸較大的韌窩,沖擊功最低;當Ce含量為0.007%時,大尺寸韌窩明顯消失(圖6b紅色區(qū)域);當Ce含量為0.016%時,試驗鋼的韌窩密度和韌窩深度均相差不大(圖6c紅色區(qū)域),此時試驗鋼的夾雜物球化更充分,對韌性斷裂而言,在無法避免夾雜物時,球狀是最理想的形狀,因此,當Ce含量達到0.016%時,試驗鋼的沖擊性能最佳;Ce含量繼續(xù)增加,試驗鋼開始出現(xiàn)較大的孔洞(圖6d);當Ce含量為0.053%時,試樣鋼的切口逐漸變得光滑平整,韌窩開始變大且分布不均勻(圖6e)。

(a) 無Ce (b) 0.007%

S,As和P等雜質(zhì)元素容易富集在晶界處,不利于晶界強度的提高,使晶界弱化。添加的Ce元素與雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)生成稀土夾雜物,一定程度上緩解了部分雜質(zhì)元素在軸承鋼內(nèi)晶界形成的偏聚現(xiàn)象。當 Ce含量繼續(xù)增大時,試驗鋼中含S,As和P的夾雜物數(shù)量增加,由于這些雜質(zhì)元素和 Ce結(jié)合成為稀土復(fù)合夾雜物,使獨立存在的雜質(zhì)元素含量減少,從而使晶界位置的雜質(zhì)元素含量在一定程度有所下降,在各種作用下,晶界得到凈化,最終晶界強度得到增強。除此之外,多出的Ce將全部匯集在晶界位置,對晶界強度的提高有益。

試驗鋼斷口典型形貌及相應(yīng)能譜分析如圖7所示: Ce適量時, Ce夾雜物的存在增加了斷裂面數(shù)量,從而增大了斷面的凹凸程度(圖7b),最終導(dǎo)致斷面面積和能量消耗增加,從而提高軸承鋼沖擊韌性; Ce含量過多時,斷面存在大尺寸夾雜物(圖7c),且夾雜物附近存在裂紋,這些裂紋在受到?jīng)_擊載荷時會加速斷裂過程,降低能量消耗,從而使沖擊性能降低[20]。

(a) 無Ce

4 結(jié)束語

適量 Ce加入后與雜質(zhì)元素結(jié)合成的稀土夾雜物增加了試驗鋼斷裂面數(shù)量和凹凸程度,使斷面面積和能量消耗增加,從而提高了軸承鋼的沖擊韌性, Ce含量為0.016%時,沖擊功達到最高值,比不加 Ce時提高了173.7%。