朱祖昌，楊弋濤

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620； 2.上海大學(xué)，上海 200072)

3.3 高碳鉻軸承鋼的球化退火及組織均勻性的提高

我們?cè)谏衔闹幸呀?jīng)十分明確的指出，高碳鉻軸承鋼中碳化物的均勻度應(yīng)包括該鋼于球化退火后在以鐵素體為基體的組織中碳化物顆粒(Fe，Cr)3C的大小和均勻分布，這種組織均勻性?xún)?yōu)良的熱處理預(yù)組織的獲得將是本節(jié)重點(diǎn)講述的內(nèi)容。

3.3.1高碳鉻軸承鋼中合金滲碳體和鋼中的鉻

關(guān)于鋼中Fe3C滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e3C晶胞中Fe、C原子的排列，金屬學(xué)教材早就十分明確闡明[104]。后來(lái)我們又多次在自己的論文和著作中作了更明確的說(shuō)明[105,83]。在含碳量比較高的鋼中加入鉻，盡管Cr在鐵素體F(α-Fe)中能無(wú)限溶解，但是將近80%的鉻主要存在于碳化物中[106]。前蘇聯(lián)學(xué)者拉烏金[107]早就指出，含1.0% C、1.5% Cr的退火鋼中有1.1%～1.2%的Cr存在于碳化物內(nèi)。于是就出現(xiàn)合金滲碳體(Fe，Cr)3C或?qū)懗?M)3C。在高碳鉻軸承鋼中，另外含少量Mn、Si(一般Mn:Si ≈ 2:1)，Mn平均分布于鐵素體F和碳化物中，Si在鋼中(在1968年有報(bào)道含1.36% Si的1C-1.45Cr軸承鋼[108]，其使用壽命明顯高于SUJ 2，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有這樣的資料發(fā)表)不形成碳化物(但易溶于ε-碳化物中)，固溶于奧氏體A和鐵素體F中，所以有時(shí)將合金滲碳體寫(xiě)成為(Fe，Cr，Mn)3C。日本學(xué)者應(yīng)用X射線(xiàn)測(cè)出其結(jié)構(gòu)式為(Fe2.66Cr0.31Mn0.03)C[109]。鉻的加入及其在鋼中和在熱處理中的行為的講述對(duì)該鋼要求獲得優(yōu)良的熱處理預(yù)組織和進(jìn)一步進(jìn)行熱處理以達(dá)到高的力學(xué)性能以及長(zhǎng)的使用壽命是十分重要的。這方面的說(shuō)明在國(guó)內(nèi)尚存在有些不夠，實(shí)際上懂得和了解這些，會(huì)使我們?cè)谖锢硪苯饘W(xué)科上取得更大的提高。為了讓一些需要的讀者更加全面了解和深入加以認(rèn)識(shí)，本文從比較早期的資料開(kāi)始并且結(jié)合學(xué)科的發(fā)展情況作較為全面的分析，使你能夠取得得寸進(jìn)尺的突出效果。

第1、第2、第3代軸承鋼的發(fā)展、組織轉(zhuǎn)變與性能研究中，F(xiàn)e-Cr-C合金體系是最重要的。我們首先指出Fe-Cr-C系中主要出現(xiàn)的碳化物有M3C、Cr23C6、Cr7C3和Cr3C2四種[110]，Cr3C2在Fe<10%和C>9%的情況下才形成，所以在實(shí)用含鉻的鋼中不會(huì)出現(xiàn)。前面三種碳化物的晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu)，復(fù)雜面心立方，三斜晶系。一般來(lái)說(shuō)，在低Cr鋼中出現(xiàn)M3C，中Cr鋼中出現(xiàn)(Cr，F(xiàn)e)7C3，高Cr鋼中出現(xiàn)(Cr，F(xiàn)e)23C6。Fe是以固溶形式進(jìn)入后兩種碳化物的，所以寫(xiě)成為(Cr，F(xiàn)e)23C6和(Cr，F(xiàn)e)7C3。前面三種碳化物中，只有Cr23C6能與鐵素體F和奧氏體A保持平衡；而M3C和Cr7C3僅僅與奧氏體A處于平衡狀態(tài)[111]。復(fù)雜的正交結(jié)構(gòu)的合金滲碳體M3C在高碳鉻軸承鋼中出現(xiàn)。

Fe-Cr-C三元系在1000、870和700 ℃的等溫截面相圖見(jiàn)圖37(a)～(c)[112]，我們可以計(jì)算鋼中出現(xiàn)M3C、M23C6和M7C3碳化物時(shí)的相應(yīng)的含C量為6.67%、5.68%和～ 9%；后二種碳化物對(duì)應(yīng)的Cr含量范圍分別為59%和37%～61%以上。Cr在≤850、1000和1100 ℃在M3C的溶解度分別為9.1%、11%和15%[113]，由此可以看出，鋼中未溶合金滲碳體中的含鉻量隨著加熱溫度的提高和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)進(jìn)一步提高。王軍慶等[114]最近的工作也指出這一點(diǎn)。這是因?yàn)橥嘶馉顟B(tài)時(shí)在鐵素體和碳化物之間達(dá)到平衡成分的鉻，在更加高的溫度下要求重新分配以達(dá)到新的平衡[115]。關(guān)于這一點(diǎn)在淬火熱處理時(shí)的加熱過(guò)程中也要引起注意。一些文獻(xiàn)上稱(chēng)，鋼中含Cr在16%以下(也有稱(chēng)在18%以下的[110,116])時(shí)，合金滲碳體中的Fe受到Cr的置換。置換的量取決于Cr原子的擴(kuò)散。高碳鉻軸承鋼中的含鉻量與合金滲碳體碳化物中含鉻量的比較，可以參見(jiàn)圖38，相應(yīng)的比為1.5%:7.0%～9.0%[39]，這結(jié)果與Beswick[117]測(cè)定結(jié)果相近。另外，人們可以推斷：Cr在400 ℃左右才能活躍起來(lái)參與擴(kuò)散，為此在ε-碳化物中是不含有Cr的，要求溫度升至開(kāi)始形成Fe3C時(shí)，才能形成含鉻合金滲碳體M3C。

(a)1000 ℃；(b)870 ℃；(c)700 ℃

圖38 高碳鉻軸承鋼中的含鉻量與合金滲碳體碳化物中含鉻量的比較

Fe3C的硬度為1340 HV(國(guó)內(nèi)資料為1150～1340 HV[118])。合金滲碳體M3C的硬度更高，在(Fe，Cr)3C中，含10% Cr時(shí)的硬度為 1740 HV；(Fe，Mn)3C中，含20% Mn的硬度為1605 HV[119]。在合金滲碳體M3C中出現(xiàn)的合金元素的限量為，(Fe，Cr)3C：Cr<16%；(Fe，V)3C：V<0.6%；(Fe，Mo)3C:Mo<1.8%；(Fe，W)3C：W<1.3%。注意，SUJ2鋼中加入Mo的量至0.6%時(shí)會(huì)部分出現(xiàn)Mo2C碳化物相[120]。

鋼中含Cr的合金滲碳體相對(duì)于不含Cr的碳化物較難溶在奧氏體A的，一般需要采用較高的加熱溫度和較長(zhǎng)保溫時(shí)間。拉烏金[107]指出含1.5% Cr鋼的共析轉(zhuǎn)變完成溫度將被移向750～760 ℃的較高溫度，共析成分點(diǎn)為0.7%～0.72%C，他引用資料指出，鋼中每加入0.1% Cr會(huì)使臨界溫度Ac1升高1.2 ℃。隨著學(xué)科的發(fā)展，現(xiàn)在可以將材料成分輸入計(jì)算機(jī)來(lái)求得Fe-Cr-C相圖。Luzginova等[121]應(yīng)用ThermoCale軟件求得了4種試驗(yàn)鋼中加入0.5、1.5、2.5和3.5% Cr準(zhǔn)二元Fe-C相圖如圖39所示。三相共析轉(zhuǎn)變區(qū)(F+A+M3C)的溫度A1、A1′和三相共析成分含碳量列于表15中。這樣的工作結(jié)果比以前的數(shù)據(jù)顯然要正確得多。

SKF工程和研究中心物理冶金部門(mén)主任的Beswick[21]對(duì)高碳軸承鋼中鉻的影響作了突出的工作。他作的含1.01 C、0 Cr鋼和含1.00 C、0.64 Cr鋼和含1.01 C、1.42 Cr鋼(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)在1100 ℃×30 min加熱正火和施行典型的球化退火后的光學(xué)金相組織示于圖40和41中。隨著鋼中含鉻量的增加，正火的珠光體和球化退火后的碳化物尺寸均得到明顯細(xì)化，很顯然，含1.01 C、0 Cr高碳鋼的珠光體片間距離最大，其球化效果最差。Cr對(duì)軸承鋼中M3C的球化具有重要的影響，Cr的加入能最有效地減小碳化物顆粒尺寸，順便提一下，軸承鋼中的Mn在球化退火過(guò)程中是促進(jìn)片狀珠光體形成的元素。

圖39 試驗(yàn)鋼中加入0.5、1.5、2.5和3.5%Cr準(zhǔn)二元Fe-C相圖

軸承鋼中獲得均勻細(xì)小的碳化物尺寸，有利于提高滾動(dòng)疲勞壽命，這已經(jīng)越來(lái)越被全世界的軸承工作者所接受。為此，各個(gè)國(guó)家都對(duì)高碳鉻軸承鋼在退火狀態(tài)下出現(xiàn)的合金滲碳體顆粒的形態(tài)、尺寸大小和分布作出嚴(yán)格規(guī)定。本文上一節(jié)中講到的對(duì)這個(gè)問(wèn)題將在這里作出重點(diǎn)詳細(xì)闡明。我們收集的關(guān)于ГОСТ801、ASTM和ISO以及SKF的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等的情況列在本節(jié)后面部分。

國(guó)內(nèi)對(duì)高碳鉻軸承鋼球化退火碳化物細(xì)化和分布方面的要求按GB/T 18254—2016、JB/T 1255—2014以及國(guó)標(biāo)GB/T 34891—2017的規(guī)定。規(guī)定中合格的最高級(jí)別為2級(jí)(參見(jiàn)GB/T 18254中的第5級(jí)別圖；JB/T 1255中的第1級(jí)別圖；GB/T 34891中的第1級(jí)別圖)。國(guó)內(nèi)很多軸承制造企業(yè)都稱(chēng)選用軸承鋼的球化退火碳化物符合2級(jí)。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)高碳鉻軸承鋼的球化退火碳化物顆粒尺寸大小和不均勻性普遍比國(guó)外八大軸承公司的高，碳化物的平均直徑和最大直徑都比較大，其中大顆粒的比例大約為國(guó)外的3倍[122]。我們將會(huì)在下面公布實(shí)際測(cè)定的結(jié)果，以方便作出比較。針對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)軸承的現(xiàn)狀，我國(guó)已經(jīng)是一個(gè)世界上最大的軸承生產(chǎn)大國(guó)。從2005年起我國(guó)就已經(jīng)成為世界第3軸承大國(guó)，國(guó)內(nèi)已成為世界第4大軸承市場(chǎng)，但是我國(guó)軸承在國(guó)際市場(chǎng)上仍然是屬于低劣產(chǎn)品[123]，要求成為軸承生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)還有很長(zhǎng)的一段路程。我們一定要于2025年前在軸承和軸承鋼的生產(chǎn)上取得突破性的進(jìn)展。楊曉蔚[122]提得特別好：我國(guó)在瞄準(zhǔn)研究高檔軸承鋼的同時(shí)，更加應(yīng)該把注意力集中到切切實(shí)實(shí)地提高普通軸承鋼的材料質(zhì)量水平上來(lái)，在一定意義上講，這種普通軸承鋼達(dá)到國(guó)際先進(jìn)之日，才是我國(guó)實(shí)現(xiàn)軸承強(qiáng)國(guó)開(kāi)端之時(shí)。李昭昆等[2]在未來(lái)我國(guó)軸承鋼的4個(gè)努力方向中提出國(guó)內(nèi)高碳鉻軸承鋼碳化物的平均尺寸目標(biāo)為小于1 μm。

(a)0%Cr；(b)0.64%Cr；(c)1.42%Cr

(a)0%Cr；(b)0.64%Cr；(c)1.42%Cr

日本學(xué)者仕幸三郎等[124]提出了在軸承鋼中含0.53% C的馬氏體基體上分布0.57 μm和0.27 μm細(xì)碳化物球試樣對(duì)應(yīng)累積頻率為99%時(shí)出現(xiàn)剝落碎片的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到60×106以上(圖42)。即其結(jié)果表明，達(dá)到這種細(xì)化程度的碳化物球就已經(jīng)具備很高的滾動(dòng)疲勞壽命。關(guān)于這一點(diǎn)，我們以后還會(huì)多次論及。按我們收集的情況認(rèn)為，這可以作為軸承鋼中相當(dāng)好的控制水平了。一些資料都提到SKF軸承的碳化物尺寸為0.56 μm[23,125]。

Beswick[21]在論文中還指出，Cr的加入在慢速度和快速度加熱條件下均提高F→A的轉(zhuǎn)變溫度，如圖43所示，(α+γ+M3C)出現(xiàn)的溫度范圍隨著含Cr量增加而展寬。同時(shí)，Cr的加入量增多對(duì)鋼的熱處理特性有重要的影響：提高淬透性，減小奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向，增加碳化物球化均勻性和鋼的脫碳抗力。另外，Cr是碳化物形成元素，減小C在鋼基體中的擴(kuò)散系數(shù)，當(dāng)然減小碳化物的轉(zhuǎn)變速度。

另外，Taleff等[126]在研究1.5%和1.8% C的超高碳鋼的珠光體組織時(shí)，鋼中加入1.5% Cr，以防止發(fā)生碳的石墨化，穩(wěn)定合金滲碳體碳化物和使其難于粗化。鋼中加入Cr的這些作用是不容忽視的。

圖42 軸承鋼含0.53%C的基體中滲碳體粒子尺寸大小對(duì)鋼疲勞壽命的影響

(a)慢速度；(b)快速度

(未完待續(xù))