摘 要

G20Cr2Ni4A 鋼屬于 CrNi 系優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼,Cr、Ni 含量較高,淬透性較好,滲碳處理后表面有相當(dāng)高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度,同時(shí)心部還保留良好的韌性,具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。由于 G20Cr2Ni4A 鋼臨界點(diǎn)Ac1 和 Ac3(Ac1 為鋼加熱時(shí)開始形成奧氏體的溫度,Ac3 為所有鐵素體均轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度)之間溫度范圍較窄,Ac3 為 785 ℃ ,故可選擇較低的淬火溫度,既可保證表面和心部硬度,同時(shí)齒輪畸變也會(huì)減小。G20Cr2Ni4A 經(jīng)加熱淬火+回火,能提高材料的沖擊韌性,改善構(gòu)件心部的綜合力學(xué)性能。20Cr2Ni4A 鋼淬火試樣經(jīng)不同溫度回火后的沖擊韌性研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)回火溫度為 200 ℃ 左右時(shí),沖擊韌性最高。

選取回火溫度為 200 ℃ ,通過兩因素三水平的正交試驗(yàn)對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼進(jìn)行熱處理,觀察淬火溫度和回火時(shí)間對(duì)其金相組織、殘余奧氏體含量、硬度和沖擊性能的影響。正交試驗(yàn)采用 800,850,900 ℃ 的淬火溫度和 1,3,5 h的回火時(shí)間對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼進(jìn)行熱處理,然后分別測(cè)出其硬度、沖擊功和殘余奧氏體含量,通過正交試驗(yàn)分析,并與原始樣品對(duì)比,得出:淬火加熱溫度與回火時(shí)間對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼的力學(xué)性能有顯著影響。隨淬火加熱溫度升高,硬度、沖擊功、殘余奧氏體量均先增大后緩慢減小;隨回火時(shí)間延長,硬度、沖擊功、殘余奧氏體量均先減小后增大。硬度隨殘余奧氏體含量的增加而增加,沖擊韌性與殘余奧氏體量成近似直線關(guān)系。G20Cr2Ni4A 鋼經(jīng) 850 ℃ 淬火+200 ℃ 回火 1 h 后,殘余奧氏體含量為 2.97%,試驗(yàn)鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能,其硬度為 45.1,沖擊功為 25.0 J。

傳統(tǒng)滲碳 20Cr2Ni4 軸承鋼經(jīng)淬火回火處理后,表面會(huì)產(chǎn)生高碳馬氏體組織,而中心會(huì)產(chǎn)生碳含量低得多的馬氏體組織。表面高碳馬氏體具有較高的硬度、優(yōu)異的耐磨性能和抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能,而中心低碳馬氏體具有較低的硬度和良好的沖擊韌性。滲碳 20Cr2Ni4 軸承鋼自誕生以來就得到了廣泛的應(yīng)用。但由于高碳馬氏體韌性差、氫脆敏感性和回火脆性高,在使用條件較差或有較大的突然沖擊載荷時(shí),其使用壽命將大大降低。此外,隨著大型裝備制造業(yè)的發(fā)展,20Cr2Ni4 的淬煉性不適用于大截面軸承應(yīng)用。因此,通過合理設(shè)計(jì)化學(xué)成分和優(yōu)化熱處理工藝,開發(fā)新型高性能滲碳軸承鋼具有十分重要的意義。

張惠娟等對(duì) 20Cr2Ni4A 鋼經(jīng) 880 ℃ 淬火試樣經(jīng)不同溫度回火后的沖擊韌性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)回火溫度選取 200 ℃ 左右時(shí),沖擊韌性最高。因此本文選取的回火溫度為 200 ℃ ,但回火保溫時(shí)間對(duì)G20Cr2Ni4A 鋼組織和性能的影響報(bào)道較少,本文選取 G20Cr2Ni4A 鋼為研究對(duì)象,通過兩因素三水平的正交試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行熱處理,觀察淬火溫度和回火時(shí)間對(duì)其金相組織、殘余奧氏體含量、硬度和沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試樣為 G20Cr2Ni4A 鋼,供應(yīng)狀態(tài)為正火+高溫回火,具體成分見表 1,成分符合 YB/T 1—1980《高碳鉻軸承鋼》中滾動(dòng)軸承鋼的化學(xué)成分要求。

表 1 G20Cr2Ni4A 鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))        %

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試樣的熱處理方式為:將箱式爐分別加熱到800,850, 900 ℃ , 并保溫 60 min, 油冷, 箱式爐200 ℃ 回火,回火時(shí)間分別為 60,180,300 min,回火后空冷。熱處理工藝如圖 1 所示。

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Mc3 為馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度。

圖 1 熱處理工藝流程

為探明淬火溫度和回火時(shí)間對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼硬度、沖擊韌性和殘余奧氏體含量的影響,設(shè)計(jì)了1組正交試驗(yàn),將各因素排列成正交表,分析找到最佳的試驗(yàn)條件及參數(shù)。

選擇三水平兩因子正交試驗(yàn),此正交試驗(yàn)的因素與水平如表 2 所示。

表 2 正交試驗(yàn)的因素與水平

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在 MTS E22.452 型沖擊試驗(yàn)機(jī)上對(duì)夏比 U 型試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn),對(duì) 3 個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果取平均值。取 5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行洛氏硬度測(cè)量并取平均值。金相顯微組織采用 YMP-2B 型萊卡進(jìn)行觀察。采用  X-350A 型 X 射線應(yīng)力測(cè)定儀,調(diào)節(jié) X 射線管高壓為20 kV,管流為 5 mA,對(duì)熱處理后的樣品測(cè)定其殘余奧氏體含量。為保證試驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性,在每個(gè)試樣上取 3 個(gè)點(diǎn),求平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算

按照表 2 所做的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),得出的硬度數(shù)據(jù)見表 3, 計(jì)算分析結(jié)果見表 4。試件硬度(HRC)隨淬火溫度和回火時(shí)間的變化見圖 2。

表 3 硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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表 4 硬度計(jì)算結(jié)果

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注:K1~K3 分別表示溫度為 800,850,900 ℃ 或時(shí)間為1,3,5 h 條件下的硬度總和;均值 k1~k3表示(K1~K3)/水平重復(fù)的次數(shù)(例如 k1=119.4/3 = 39.8);極差 R 為 k1,k2,k3 中最大值與最小值之差。下同。

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a—淬火溫度與硬度的關(guān)系; b—回火時(shí)間與硬度的關(guān)系

圖 2 試樣 HRC 隨淬火溫度和回火時(shí)間的變化

從表 4 中可以看出,淬火溫度的極差值大于回火時(shí)間的,說明淬火溫度對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼硬度的影響較大,為主要影響因素,回火時(shí)間為次要影響因素。從硬度的數(shù)值(表 3)可以看出,淬火溫度適中時(shí),硬度越高,回火時(shí)間越短,硬度值越高,即本試驗(yàn)中的最佳工藝參數(shù)條件為 A2B1。

2.2 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算

按照表 2 所做的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),得出的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 5,計(jì)算分析結(jié)果見表 6。試件的沖擊功隨淬火溫度和回火時(shí)間的變化見圖 3。

表 5 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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表 6 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

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a—淬火溫度與沖擊功的關(guān)系; b—回火時(shí)間與沖擊功的關(guān)系。

圖 3 試樣沖擊功隨淬火溫度和回火時(shí)間的變化

由表 6 可知,淬火溫度和回火時(shí)間對(duì)沖擊值影響的極差 R 分別為 1.3 和 1.4,兩者的極差值接近,說明淬火溫度和回火時(shí)間對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼沖擊韌性的影響差別不大。從沖擊功的數(shù)值(表 5)可以看出,試驗(yàn)中的最佳工藝參數(shù)條件為 A2B1。 

2.3 殘余奧氏體試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算

按照表 2 所做的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),得出的殘余奧氏體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 7,計(jì)算分析結(jié)果見表 8。殘余奧氏體含量隨淬火溫度和回火時(shí)間的變化規(guī)律如圖 4 所示。

表 7 殘余奧氏體含量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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表 8 殘余奧氏體含量計(jì)算結(jié)果

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a—淬火溫度與殘余奧氏體含量的關(guān)系;b—回火溫度與殘余奧氏體含量的關(guān)系。

圖 4 殘余奧氏體含量隨淬火溫度和回火時(shí)間的變化規(guī)律

從表 8 可以看出,淬火溫度和回火時(shí)間對(duì)殘余奧氏體影響的極差 R 分別為 1.29 和 1.02,淬火溫度的極差值大于回火時(shí)間的極差值,說明淬火溫度對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼殘余奧氏體的影響較大,為主要影響因素回火時(shí)間為次要影響因素。從殘余奧氏體的數(shù)值(表 1)可以看出,淬火溫度越高,回火時(shí)間越短,殘余奧氏體越高,即試驗(yàn)中獲得殘余奧氏體數(shù)量最多的工藝參數(shù)條件為 A2B2。

2.4 殘余奧氏體對(duì)硬度、沖擊功的影響

 G20Cr2Ni4A 鋼硬度、沖擊韌性與殘余奧氏體含量的關(guān)系規(guī)律見圖 5。由圖 5a 可知,硬度隨殘余奧氏體含量變化的規(guī)律為開口向下的二次曲線關(guān)系。

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a—殘余奧氏體含量與 HRC 的關(guān)系;b—殘余奧氏體含量與沖擊功的關(guān)系。

圖 5 殘余奧氏體含量對(duì)硬度和沖擊性能的影響

在低溫回火時(shí),組織中的殘余奧氏體含量偏低,同時(shí)回火馬氏體的位錯(cuò)密度也大大降低,組織的硬度降低。其原因:一是由于部分馬氏體分解為滲碳體;二是硬度較低的鐵素體存在。殘余奧氏體的碳含量因馬氏體中的碳向奧氏體中擴(kuò)散分配而迅速升高。保溫時(shí)間的繼續(xù)延長導(dǎo)致碳化物的析出,進(jìn)而增強(qiáng)了對(duì)碳的消耗,同時(shí)導(dǎo)致殘余奧氏體中的碳含量擴(kuò)散降低,但硬度的升高并不十分明顯。在中高溫回火時(shí),當(dāng)提高回火溫度或者延長回火時(shí)間,殘余奧氏體的含量會(huì)繼續(xù)增加,而且隨著奧氏體含量的增加,硬度會(huì)下降。

由圖 5b 可知,G20Cr2Ni4A 鋼回火后的沖擊韌性隨殘余奧氏體含量增加而呈現(xiàn)線性增大。這是由于鋼組織中奧氏體韌性高而馬氏體韌性低,當(dāng)鋼中奧氏體量直線升高時(shí),沖擊韌性也隨之呈線性上升趨勢(shì)。將兩者的關(guān)系擬合后得到方程為: 

Ak= 22.3 + 0.8Ar                   (1) 

式中:Ak 為沖擊功;Ar 為殘余奧氏體含量。將不同熱處理方案獲得的試件硬度和沖擊功數(shù)據(jù)匯總于圖 6,并結(jié)合原始狀態(tài)的樣品結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):箭頭表示:隨著奧氏體含量增加,硬度和沖擊功同步增加的趨勢(shì);虛線表示:與原始樣品對(duì)比,仍然遵循倒置關(guān)系。隨著奧氏體含量的增加,硬度和沖擊功呈現(xiàn)同步增加的趨勢(shì)。但與原始樣品結(jié)果對(duì)比,仍然遵循強(qiáng)度和韌性的倒置關(guān)系。

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圖 6 HRC 與沖擊功的關(guān)系

2.5 微觀組織結(jié)構(gòu)

原始試樣在 850 ℃ 淬火或 900 ℃ 淬火+ 200 ℃回火 1 h 后的金相顯微組織如圖 7 所示。原始樣品的組織為馬氏體組織+鐵素體+少量奧氏體,如圖 7a所示,所以圖 7 中原始樣品的硬度很低而沖擊韌性很好。經(jīng) 850 ℃ 淬火后,樣品晶粒尺寸有所增大,主要組織為板條馬氏體+少量奧氏體,如圖 7b 所示。圖 7c 為樣品經(jīng) 850 ℃ 淬火+200 ℃ 回火 1 h 后的顯微組織,觀察發(fā)現(xiàn),晶粒尺寸相比于淬火后無變化,組織為回火馬氏體+少量奧氏體+顆粒形態(tài)的碳化物。

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a—原始樣品; b—850 ℃ 淬火; c—850 ℃ 淬火+200 ℃ 回火。

圖 7 不同熱處理后的微觀組織

3 結(jié) 論

通過兩因素三水平的正交試驗(yàn)對(duì) G20Cr2Ni4A鋼進(jìn)行熱處理,觀察淬火溫度和回火時(shí)間對(duì)其金相組織、殘余奧氏體含量、硬度和沖擊性能的影響,得出以下結(jié)論: 

1) 淬火加熱溫度和回火時(shí)間對(duì) G20Cr2Ni4A 鋼力學(xué)性能有顯著影響。隨淬火加熱溫度升高,硬度、沖擊功、殘余奧氏體含量均先增加后緩慢下降;隨回火時(shí)間延長,硬度、沖擊功、殘余奧氏體含量均先下降后上升。

2) G20Cr2Ni4A 鋼淬火+低溫回火后,硬度隨殘余奧氏體含量的增加而增加,沖擊韌性與殘余奧氏體含量呈近似直線關(guān)系。 

3) G20Cr2Ni4A 鋼經(jīng) 850 ℃ 淬火+200 ℃ 回火1 h 后,殘余奧氏體含量為 2.97%,試驗(yàn)鋼具有最佳的綜合力學(xué)性能,其硬度為 45.1,沖擊功為 25.0 J。