镁对GCr15轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响_尉政.pdf
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1、 第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 1 3 3-1 4 3 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 3 0 0 6 3镁对G C r 1 5轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响尉 政1,任 英1,任 强2,张立峰3(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京1 0 0 0 8 3;2.燕山大学机械工程学院,河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4;3.北方工业大学机械与材料工程学院,北京1 0 0 1
2、 4 4)摘 要:为了研究镁对轴承钢中夹杂物的改性效果及不同镁含量轴承钢中夹杂物对奥氏体晶粒尺寸的影响,通过实验室试验和热力学计算分析了不同镁含量轴承钢中的夹杂物和奥氏体晶粒尺寸。分析了总镁质量分数分别为0.0 0 02%、0.0 0 04%、0.0 0 12%、0.0 0 25%和0.0 0 38%的轴承钢样品中夹杂物的成分、尺寸、形貌及含量的变化。镁处理轴承钢中夹杂物的改性顺序为C a-A l-O、A l2O3C a-A l-M g-OM g A l2O4M g O。总镁质量分数从0.0 0 02%增加到0.0 0 25%,钢中12m夹杂物的数密度从6.0 4个/mm2增加至2 2.9 9
3、个/mm2;总镁质量分数为0.0 0 38%时,钢中夹杂物数密度略有下降(1 7.5 9个/mm2),夹杂物平均尺寸从总镁质量分数为0.0 0 02%时的3.0 3m降低至2.0 2m。当奥氏体化保温时间从1 5m i n增加至1 2 0m i n或当奥氏体化温度从9 0 0 增加至10 5 0 时,轴承钢的奥氏体晶粒尺寸呈增加趋势。热力学计算结果表明,升温会导致碳化物溶解,奥氏体晶界钉扎作用减弱,奥氏体晶粒长大,而镁处理形成的小尺寸夹杂物会钉扎晶界,阻碍奥氏体晶粒的长大。通过Z e n e r钉扎力计算结果发现,夹杂物尺寸越小并且体积分数越大时,夹杂物对晶界的钉扎作用越强,晶界的迁移速度越小
4、,奥氏体晶粒尺寸越小。因此,总镁质量分数为0.0 0 12%和0.0 0 25%的样品的奥氏体晶粒在保温期间或升温过程中呈现缓慢的增长趋势,当保温温度为10 0 0、保温时间为1 2 0m i n时,总镁质量分数为0.0 0 12%时奥氏体晶粒尺寸最小,为2 6.4m,总镁质量分数为0.0 0 25%时,晶粒尺寸为2 8.4m,其余镁含量轴承钢中奥氏体晶粒尺寸均大于3 5m。基于A r r h e n i u s奥氏体晶粒长大模型预测了镁处理轴承钢中奥氏体晶粒的长大过程,与奥氏体晶粒生长过程较为符合。关键词:G C r 1 5轴承钢;镁处理;夹杂物;奥氏体晶粒;钉扎作用;长大模型文献标志码:A
5、 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 1 3 3-1 1E f f e c t o fm a g n e s i u mo n i n c l u s i o n sa n da u s t e n i t eg r a i n i naG C r 1 5b e a r i n gs t e e lYUZ h e n g1,R E NY i n g1,R E NQ i a n g2,Z HANGL i f e n g3(1.S c h o o l o fM e t a l l u r g i c a l a n dE c o l o g i c a lE n
6、g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g,B e i j i n g1 0 0 0 8 3,C h i n a;2.C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,Y a n s h a nU n i v e r s i t y,Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4,H e b e i,C h i n a;3.S c h o o l o fM e c h a n
7、i c a l a n dM a t e r i a lE n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,B e i j i n g1 0 0 1 4 4,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(U 2 2 A 2 0 1 7 1,5 1 8 7 4 0 3 2)作者简介:尉 政(1 9 9 9),男,硕士生;E-m a i l:y z h e n g 2 0 2 01 2 6.c o m;收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 3通信作者:任 英(1 9 8 9),
8、男,博士,教授;E-m a i l:y i n g r e n u s t b.e d u.c nA b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h em o d i f i c a t i o ne f f e c to f i n c l u s i o n s i nt h eb e a r i n gs t e e l b ym a g n e s i u ma n dt h e i n f l u e n c eo f i n c l u s i o n s i nt h eb e a r i n gs t e e l o na u s t e
9、n i t eg r a i ns i z eo fd i f f e r e n tm a g n e s i u mc o n t e n t c o n d i t i o n s,t h e i n c l u s i o na n da u s t e n i t eg r a i ns i z e i nt h eb e a r i n gs t e e lw i t hd i f f e r e n tm a g n e s i u mc o n t e n tw e r ea n a l y z e db yl a b o r a t o r ye x p e r i m e
10、n t sa n dt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n s.T h ec o m p o s i t i o n,s i z e,m o r p h o l o g y,a n dc o m p o s i t i o no f i n c l u s i o n si nb e a r i n gs t e e ls a m p l e sw i t ht h em a s sp e r c e n to f t o t a lm a g n e s i u mo f0.0 0 02%,0.0 0 04%,0.0 0 12%,0.0
11、0 25%,a n d0.0 0 38%w e r ea n a l y z e d.T h em o d i f i c a t i o ns e q u e n c eo f i n c l u s i o n s i nt h em a g n e s i u m-t r e a t e db e a r i n gs t e e lw a sC a-A l-O,A l2O3C a-A l-M g-OM g A l2O4M g O.W i t h t h e i n c r e a s e o f t h em a s sp e r c e n t o f t o t a lm a g
12、n e s i u mf r o m0.0 0 02%t o0.0 0 25%,t h en u m b e rd e n s i t yo f 1-2mi n c l u s i o n s i n t h e s t e e l i n c r e a s e d f r o m6.0 4p i e c e/mm2t o2 2.9 9p i e c e/mm2,w h e n t h em a s sp e r c e n to f t o t a lm a g n e s i u mw a s0.0 0 38%,t h en u m b e rd e n s i t yo f i n c
13、 l u s i o n s i nt h es t e e ld e c r e a s e ds l i g h t l y(1 7.5 9p i e c e/mm2),a n dt h ea v e r a g es i z eo f i n c l u s i o n sd e c r e a s e df r o m3.0 3m(t h em a s sp e r c e n to ft o t a lm a g n e s i u m w a s0.0 0 02%)t o2.0 2m(t h em a s sp e r c e n to ft o t a lm a g n e s
14、i u m w a s0.0 0 38%).Wh e nt h ea u s t e n i t i z i n gt i m ei n-c r e a s e df r o m1 5m i n t o1 2 0m i no rw h e n t h e a u s t e n i t i z i n g t e m p e r a t u r e i n c r e a s e d f r o m9 0 0t o10 5 0,t h e a u s t e n-钢 铁第5 8卷i t eg r a i ns i z eo f ab e a r i n gs t e e l s h o w e
15、 da n i n c r e a s i n g t r e n d.T h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o w e d t h a t t e m p e r a-t u r er i s e l e d t o t h ed i s s o l u t i o no f c a r b i d e s,t h ed e c r e a s eo f a u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r yn a i l i n g,a n d t h eg r o w
16、t ho f a u s t e n-i t eg r a i n s.T h er e s u l t so fZ e n e rn a i l i n g f o r c e c a l c u l a t i o ns h o w e d t h a tw h e nt h e s i z eo f i n c l u s i o n sw a s s m a l l e r a n dt h ev o l u m ep e r c e n to f i n c l u s i o n sw a s l a r g e r,t h e i n c l u s i o nh a ds t
17、r o n g e r n a i l i n ge f f e c t o n t h eg r a i nb o u n d a r y,t h em i g r a t i o nr a t eo f t h eg r a i nb o u n d a r yw a ss m a l l e r,a n dt h ea u s t e n i t eg r a i ns i z ew a ss m a l l e r.S o t h ea u s t e n i t eg r a i n so f t h e s a m-p l e sw i t h t h em a s sp e r
18、c e n t o f t o t a lm a g n e s i u mo f 0.0 0 12%a n d0.0 0 25%s h o w e da s l o wg r o w t h t r e n dd u r i n g t h eh o l d i n go rh e a t i n gp r o c e s s.W h e nt h eh o l d i n gt e m p e r a t u r ew a s10 0 0 a n dt h eh o l d i n gt i m ew a s3 0m i n,t h es i z eo fa u s t e n i t e
19、g r a i n sw i t hm a g n e s i u mc o n t e n t o f 0.0 0 12%w a s t h e s m a l l e s t(2 6.4m),w h e nt h em a s sp e r c e n to f t o t a lm a g n e s i u mw a s0.0 0 25%,t h eg r a i ns i z ew a s 2 8.4m,a n d t h e a u s t e n i t eg r a i ns i z eo f t h e o t h e rb e a r i n gs t e e l sw i
20、 t hm a g n e s i u mc o n t e n tw a sg r e a t e r t h a n3 5m.B a s e do n t h eA r r h e n i u s a u s t e n i t e g r a i ng r o w t hm o d e l,t h e g r o w t hp r o c e s s o f a u s t e n i t e g r a i n i n t h em a g-n e s i u m-t r e a t e db e a r i n gs t e e lw a sp r e d i c t e d,w h
21、 i c hw a s c o n s i s t e n tw i t ht h eg r o w t hp r o c e s so f a u s t e n i t eg r a i n.K e yw o r d s:G C r 1 5b e a r i n gs t e e l;m a g n e s i u m;i n c l u s i o n;a u s t e n i t eg r a i n;p i n n i n ge f f e c t;g r o w t hm o d e l G C r 1 5轴承钢因其具有良好的抗疲劳性、耐磨性和高硬度等性能,在交通、航天及工业领域
22、有着广泛的 应 用1。研 究 表 明,钢 中 总 氧(T.O)从0.0 0 28%降低至0.0 0 05%时,轴承钢的抗疲劳性能提升几十倍2-3。因此,轴承钢需要严格控制夹杂物的成分、尺寸、数量和形态,从而改善轴承钢的性能4-5。镁对氧和硫的亲和力十分强,镁处理不仅有利于小尺寸夹杂物的形成,还有利于降低钢中总氧含量。大量的研究证明6-9,镁处理会将簇状的氧化铝、钙铝酸盐以及硫化锰夹杂物改性为镁铝尖晶石夹杂物和硫化镁夹杂物,从而达到改善夹杂物尺寸和形状的效果。Z HANG Q和S HE NP等1 0-1 1对镁处理改性夹杂物机理的研究表明,氧化夹杂物的改性顺序一般为A l2O3M g A l2O
23、4M g O,硫化物的改性顺序一般为M n SM g S,多数硫化物以氧化夹杂物作为核心形成复合夹杂物1 2-1 4。J I ANGZH和XU YT等对镁处理钢的凝固组织进行分析,可知镁处理钢中形成的大量小尺寸夹杂物(镁铝尖晶石)与高温铁素体之间的形核错配度往往较小,一般会成为高温铁素体的形核中心,加速柱状晶向等轴晶的转变过程,促进等轴晶的形成,降低二次枝晶间距,细化凝固组织1 5-1 9。小尺寸夹杂物或析出相在钢的奥氏体化过程中能够作为钉扎粒子钉扎晶界,阻碍奥氏体晶粒的长大2 0-2 4,并且在冷却过程中也会作为形核粒子促进针状铁素体的形成2 5-3 0,从而提升钢的性能。本文通过向G C
24、r 1 5轴承钢中添加不同含量的镁,研究了镁含量对夹杂物形貌、尺寸、成分和数量的影响,分析了镁含量、奥氏体化温度以及奥氏体时间对奥氏体晶粒尺寸的影响,得出了不同镁含量对轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的变化规律,从而得到合适的镁添加量。1 试验方法本试验采用国内某厂生产的G C r 1 5轴承钢铸坯(铸坯成分(质量分数)为0.9 9%C、0.2 3%S i、0.3%M n、1.4 7%C r、0.0 1 3%T A l(总铝)、0.0 0 02%T C a(总钙),0.0 0 4%S)进行镁处理试验,将6 0 0gG C r 1 5轴承钢样品置入氧化镁坩埚中进行熔炼。试验设备采用S i M o2电阻
25、炉,将炉内温度升高至16 0 0 并保温3 0m i n待至钢样熔化。钢样熔化后添加适量的硅镁合金并搅拌均匀,保温5m i n后取样并立刻水冷,然后断电炉冷至12 0 0 之后,将氧化镁坩埚拿出空冷至室温,试验过程始终通入氩气保护。试验流程如图1所示。图1 试验流程示意F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n tp r o c e d u r e s在距离铸锭底部2 0mm横截面处半径一半位置切取1 0mm1 0mm的样品,制备获得夹杂物分析样品和热 处 理 样 品。热 处 理 制 度 如 图2所示。在距离铸锭底部1
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