交变磁场球化退火对GCr15轴承钢组织和力学性能的影响

Effect of Spheroidizing Annealing in Combination with Alternating Magnetic Field on Microstructure and Mechanical Properties of GCr15 Bearing Steel

交变磁场球化退火对GCr15轴承钢组织和力学性能的影响

研究了交变磁场和非交变磁场下GCr15轴承钢球化退火(SA)后的组织和力学性能。发现在奥氏体化阶段应用AMF技术促进了碳化物的溶解，加速了奥氏体化进程，提高了淬火试样的硬度。等温退火后，使用AMF的试样中碳化物的分布更均匀，晶粒更细小。经AMF处理的试样平均硬度低于未经AMF处理的试样，这一现象可以归因于AMF中扩散系数的增强。

关键词：轴承钢；交变磁场；碳化物；扩散

1. 引言

GCr15轴承钢具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性等力学性能，因此被广泛用于制造轴承套圈、滚珠丝杠、轴套等机械部件。[1~3]常规热轧条件下GCr15轴承钢的组织由层状珠光体和少量在晶界的先共析渗碳体组成，[1,4,5]具有较高的硬度，塑性低，冷加工性差。因此，通常需要球化退火SA工艺来获得优异的组织，如分布在铁素体基体中的球状碳化物。[1,5]

而传统的球化退火SA工艺通常需要10~20小时的时间，[4,6]导致高的能量消耗，生产效率低。因此，研究了几种缩短球化退火SA时间的方法，如循环球化退火，[7,8]形变球化退火，[6,9~11]在线球化退火，[12]和等温球化退火，[13]等。此外，SA的目的是获得碳化物的弥散分布，这有利于提高轴承钢的疲劳寿命，[14]并且在热处理过程中材料的组织结构中存在明显的遗传现象。[15,16]到目前为止，如何在轴承钢中获得均匀、弥散分布的碳化物仍然是一个重要的课题。

在过去的几十年里，人们发现交变磁场AMF可以用来改进金属材料的微观组织和性能，例如，AMF可以增强扩散率，[17~20]细化晶粒，[21]加速应力释放，[22]减少宏/微观偏析。[23~26]在热处理方面，发现AMF不仅可以改善某些轻合金的组织和性能，[18,27,28]还可以改善电工钢的磁性，细化珠光体组织。[29]最近，AMF被用于GCr15轴承钢的室温处理。研究发现，AMF的应用可以提高合金的位错密度，提高合金的强度和耐磨性。因此，AMF的应用为调控热处理过程中的组织和性能提供了新的思路。

本文研究了AMF对GCr15轴承钢热处理过程中组织和性能的影响，发现AMF促进了层状碳化物的溶解，加速了奥氏体化进程，进而深入分析了原因。

2. 实验的程序

选用直径φ40 mm的热轧GCr15轴承钢棒，化学成分如表1所示，从钢棒上截取试样尺寸为8 × 8 × 5mm，分别用和不用AMF进行热处理。

表1 GCr15轴承钢的化学成分(wt.%)

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AMF由水冷铜线圈和50Hz交流电源产生，通过调节电流，可在0 ~ 0.1 T范围内调节AMF强度。试样在热处理时密封在玻璃管中，以避免氧化。将试样放置在AMF强度最大、温度均匀的区域。采用S型热电偶监测炉温和试样温度，精度为±1℃。在AMF中GCr15轴承钢的热处理实验装置如图1所示。

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图1 GCr15轴承钢在AMF中的热处理实验装置示意图

GCr15轴承钢的SA热处理流程如图2所示，包括奥氏体化和等温退火两个步骤:

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图2 使用和不使用AMF的GCr15轴承钢的SA热处理规程

(1) 奥氏体化，760℃温度小保持0、10分钟、60分钟和180分钟。

(2) 等温退火，720°C/ 60min→炉内冷却(FC)→650°C→风冷(AC)。

为了进行比较，一组试样使用AMF进行热处理， AMF在760℃下应用于奥氏体化阶段；而另一组试样在没有使用AMF的情况下进行热处理。为了比较使用和不使用AMF时不同时间奥氏体化过程中的转变程度，进行了一系列的淬火实验。

热处理后的试样在室温下用4%硝酸和酒精的混合物研磨、抛光和蚀刻10-15秒。采用扫描电子显微镜(SEM)观察其微观结构。利用Image Pro Plus软件测量马氏体含量、碳化物颗粒尺寸及其分布。在奥氏体化后淬火的试样中，在每种条件下随机选取区域得到马氏体含量。等温退火后奥氏体化保温时间最长(180 min)的试样中碳化物颗粒数超过3000个。平均洛氏硬度由每个样品随机选取的五个位置测定。用x射线衍射(XRD)对样品的物相进行了鉴定。利用Jade 6.0软件测定了XRD峰的强度和半最大值全宽。

3. 结果与讨论

轴承钢棒的微观结构如图3(a)所示，由片层珠光体和先共析渗碳体组成。片状珠光体是铁素体(α)和渗碳体(Fe₃C)的混合物。图3(b)显示了接收试验的XRD谱图，证实了图3(a)中的片层珠光体的相为铁素体和渗碳体。

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图3 GCr15轴承钢的显微组织和XRD谱图：(a) SEM显微图，(b) XRD谱图

我们知道，当GCr15试样加热到高于共析温度一定温度时，发生奥氏体化，即片层状珠光体转变为奥氏体(γ)，相变的程度与温度和保温时间有关，随后的淬火导致奥氏体向马氏体(α′)转变，马氏体的含量反映了奥氏体化的程度。图4显示了GCr15轴承钢奥氏体化后不同保温时间的SEM图像。在没有保温时间的情况下，760℃淬火后的试样(图4(a))与钢棒上取样的试样(图3(a))的微观结构基本相同。也就是说，在奥氏体化过程中，如果不进行保温，几乎不会形成奥氏体。随着保温时间的延长，晶界处的先共析渗碳体逐渐溶解，变短甚至消失。对于片层珠光体，随着保温时间的增加，片层碳化物逐渐转变为粒状碳化物(图4(b) ~图4(g))。在相同的保温时间下，使用AMF中残余层状碳化物的数量比未使用AMF的要少。当保温时间达到180分钟时，使用AMF中的层状碳化物完全消失，而没有试样AMF的试样中仍然存在(图4(f)和图4(g))，说明AMF促进了基体中碳化物的溶解。

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图4 GCr15轴承钢奥氏体化后不同保温时间(a) 0T, 0分钟， (b) 0T, 10分钟， (c) 0.1T, 10 分钟， (d) 0 T, 60 分钟， (e) 0.1T, 60分钟， (f) 0T, 180分钟， (g) 0.1T, 180 分钟

为了进一步表征奥氏体化过程中的微观组织转变，进行了XRD测试，如图5所示。从珠光体(马氏体)的特征峰变化可以清楚地观察到珠光体向奥氏体(马氏体)的微观组织转变。在相同的保温时间内，使用AMF的试样中马氏体的特征峰首先出现(0.1T, 10 分钟)，铁素体的特征峰完全消失(0.1T, 60 分钟)。然而，在没有使用AMF的情况下，60分钟内仍有一个铁素体峰值。结果表明，使用AMF加速了珠光体向奥氏体的转变，这与显微观察结果一致。

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图5 使用和不使用AMF的GCr15轴承钢奥氏体化淬火后的XRD谱图

对部分峰的强度和半高宽进行对比，如图6所示。随着保温时间的增加，(110)和(211)峰强度均减小。当保温时间小于60分钟时，使用AMF的峰强度下降明显，180分钟时，使用AMF和不使用AMF的峰强度相互接近，峰强度的变化与珠光体向奥氏体转变的程度一致。这意味着使用AMF加速了转变，残余铁素体越少，峰值越弱。在没有使用AMF的情况下，峰半高宽随保温时间的增加而增加。当保温时间小于60分钟时，使用AMF处理的半高宽比未处理的大，半高宽的变化也意味着使用AMF处理的试样中形成了更多的马氏体，包括位错或晶格畸变等缺陷。

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图6 使用和不使用AMF的XRD峰的强度和半峰宽分别为：(a)(110)、(b)(211)

众所周知，马氏体中碳的过饱和固溶体导致晶格畸变和更高的位错密度，在x射线衍射图中使峰变宽。[31~34]马氏体可以解释为铁素体，晶体学上有轻微的正方畸变，[34]正方性c/a与碳含量(wt.%中的[c])有如下线性关系:

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其中c和a为马氏体的晶格常数。当碳含量增加到一定程度时，马氏体的晶体结构由体心立方(BCC)转变为体心立方(BCT)。[33,35]最近，高分辨率的XRD研究表明，随着碳含量的增加，马氏体的正方性增加，马氏体峰值强度降低。[36] 因此，XRD峰逐渐变宽、变平。显然，使用AMF促进了铁素体向奥氏体的转变。

图7显示了不使用AMF和使用AMF时马氏体的含量。从这个直方图可以看出，随着保温时间的增加，无论是否使用AMF，马氏体的比例都是逐渐增加的。在相同的保温时间内，使用AMF试样中马氏体的含量明显高于未使用AMF的马氏体含量。使用AMF处理10分钟、60分钟和180分钟后，马氏体平均分数分别从23.9%、55.8%、72.7%提高到46.6%、94.8%、100.0%。由此可知，使用AMF促进了奥氏体的形成。

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图7 不同保温时间下奥氏体化后的淬火试样中马氏体含量

图8为等温退火后的显微组织，随着保温时间的延长，层状碳化物逐渐减少，粒状碳化物逐渐增加。与淬火组织类似，在相同的保温时间下，使用AMF的颗粒碳化物的比例比没有使用AMF的颗粒碳化物的比例要高(图8(b)和8(c)， 8(d)和8(e))。当奥氏体保温时间为180 分钟时，未使用AMF处理的等温退火组织中存在少量层状碳化物。相比之下，使用AMF的碳化物完全变成颗粒状(图8(f)和图8(g))。等温退火过程中，奥氏体中的细小碳化物成为核心，球化长大。显然，使用AMF的应用加速了随后的DET过程，并从奥氏体中形成粒状碳化物，而在没有使用AMF的情况下，由于转变不完全，仍有少量片层碳化物存在。GCr15等温退火后的XRD谱图如图9所示。在720°C保温60 分钟后，所有试样的XRD谱图呈现出三个窄而强的峰，对应铁素体结构。

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图8 GCr15轴承钢等温退火后(a) 0T, 0分钟，(b) 0T, 10分钟，(c) 0.1T, 10分钟，(d) 0T, 60分钟，(e) 0.1T, 60分钟，(f) 0T, 180分钟，(g) 0.1T, 180分钟

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图9 GCr15轴承钢等温退火后的XRD谱图

对于奥氏体化阶段保温时间为180 分钟的试样，对比等温退火后碳化物的尺寸分布，如图10所示。使用AMF时，碳化物的平均直径约为0.35 um，小于不使用AMF时的0.39 um。用半径比(最大直径/最小直径)来表征碳化物颗粒的圆度，半径比的值越接近，粒子越圆。使用和不使用AMF时，碳化物颗粒的半径比分别为1.96和2.13，说明使用AMF中碳化物的圆度优于不使用AMF的碳化物。此外，在图10中，使用AMF的曲线比没有使用AMF的曲线更高，更窄，表明碳化物分布更均匀。

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图10 等温退火后碳化物的尺寸分布：(a)平均直径，(b)半径比(最大直径/最小直径)

GCr15试样淬火等温退火后的洛氏硬度值如图11所示。奥氏体化阶段，随着保温时间的增加，淬火后硬度增加(图11(a))。在相同的保温时间下，使用AMF的硬度明显高于不使用AMF的硬度。例如，试样保温180分钟的硬度，使用AMF时为64 HRC，没有使用AMF时为59 HRC，分别提高了8.5%。等温退火时硬度随保温时间的变化趋势与淬火时相反(图11(b))。当奥氏体化时间小于10 分钟时，使用AMF和不使用AMF的试样硬度相差不大。随着奥氏体化时间的延长，等温退火后的试样硬度降低。当奥氏体化时间大于60 分钟时，在相同的奥氏体化时间内，使用AMF的试样硬度低于未使用AMF的试样。下面讨论有无使用AMF导致硬度变化的原因。

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图11 GCr15轴承钢试样的硬度。(a)淬火，(b)退火

在奥氏体化阶段，珠光体转变为奥氏体(马氏体)。马氏体含量越多，平均硬度越大。GCr15试样的硬度可以根据马氏体和珠光体的硬度用一种混合规则来估计。[1,38]

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式中HHRC为整体洛氏硬度，HM和HP分别为马氏体和珠光体的硬度。马氏体的体积分数X由图7得到。

Yao等人[39]建立了马氏体硬度与碳含量小于0.80 wt.%的关系：

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其中C为碳的质量百分比，JMatPro软件计算结果表明，在760℃时奥氏体的平衡碳含量为0.64 wt.%。根据式(3)，估计马氏体硬度为63.2 HRC，与实验值接近(图11)。珠光体的硬度为16 ~ 31 HRC，这里用24 HRC的值来计算平均硬度。因此，由式(2)可知，奥氏体化时间为10、60、180分钟时，不使用AMF处理的硬度分别为33.4、45.9、52.5HRC；使用AMF处理的HRC分别为42.3、61.2、63.2，均略低于实验值(图11(a))。这可以归因于碳化物硬度的贡献，其硬度超过70 HRC，[41,42]高于马氏体或珠光体。因此，显微组织中存在不溶性碳化物，增加了硬度，导致实验硬度值高于估计值。

等温退火后，基体转变为由铁素体和渗碳体组成的珠光体。珠光体中的渗碳体有片层状和颗粒状两种形态，其中片层状渗碳体的硬度较高。[43]奥氏体化阶段经AMF热处理60 分钟以上的试样，片层状碳化物较少(图8)，硬度低于未使用AMF热处理的试样。根据DET理论，当钢被加热到γ + Fe₃C两相区域时，现有的细小碳化物颗粒吸收了在奥氏体/铁素体界面前沿分界的碳原子，形成大的球形碳化物。[1]等温退火阶段，碳化物发生球化，同时保留层状碳化物。经AMF处理的试样在奥氏体化阶段奥氏体含量较高，退火后残余层状碳化物较少，球状碳化物较多，因此等温退火后的硬度值低于未经AMF处理的试样。

此外，还应考虑磁场对铁磁合金相变的影响。众所周知，磁场可以改变铁磁合金的热力学、动力学和微观结构。[44,45]在这项工作中，试样加热到760℃进行奥氏体化，在这个温度下，铁素体(居里温度，T_C为770℃)是铁磁性的，而奥氏体和渗碳体都是顺磁性的。当珠光体向奥氏体转变时，磁场会促进铁素体的稳定性，不利于奥氏体的形成，这与实验观测结果不一致，因为上述结果表明磁场加速了珠光体向奥氏体的转变。因此，使用AMF试样中奥氏体含量的变化应归因于其他原因。

我们知道，片层珠光体的溶解速率在早期取决于碳原子的扩散速率，在后期取决于合金元素(铬)的扩散速率。[46,47]因此，可以推断，使用和没有使用AMF的组织和性能的差异可以归因于AMF作用下扩散率的变化。事实上，已有报道指出，使用AMF可以促进合金元素的扩散速率。[17~20]扩散率的提高可以归因于使用AMF试样中位错密度的增加，这是由磁塑性效应(MPE)引起的。在铝合金[48~50]和轴承钢GCr15中也发现了类似的现象。因此，可以合理地推断，AMF的应用导致GCr15轴承钢中碳的扩散率更高，加速了扩散控制奥氏体化过程。因此，使用AMF试样中奥氏体(马氏体)的体积分数以及淬火后试样的平均硬度均高于未使用AMF的试样。传统的热处理方法，如提高奥氏体化温度，也可以加速奥氏体化过程。然而，使用AMF在热处理中有一些特殊的优势，即各种磁性效应，如增强的扩散率、[17~20]磁塑性效应[48~50]等。此外，较低的热处理温度有利于降低能耗。因此，AMF的应用有望为轴承钢的热处理提供新的思路。

4. 结论

研究了球化退火SA与使用AMF复合对GCr15轴承钢组织和力学性能的影响。AMF的应用加速了GCr15轴承钢中碳化物的溶解，促进了奥氏体化过程。等温退火后，应用AMF可以得到分布更均匀、平均尺寸更小、圆度更好的球状碳化物。等温退火后，使用AMF试样中的硬度较高，而等温退火后AMF中的硬度较低。这是由于使用AMF试样中碳原子扩散率的提高，促进了碳原子的扩散速度，加速了碳化物的溶解。与传统的通过调节温度和保温时间进行热处理的方法相比，AMF的应用有望为轴承钢的热处理提供新的思路。

感谢

国家自然科学基金项目(No. 52127807, 51690160)，国家重点研发计划项目(No. 2019YFA0705303)，上海市科委资助项目(No. 17JC1400602)。

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