轴承钢的强韧化机制探讨

徐茂东， 覃筱芸

(1. 东北特钢集团北满特殊钢有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161041；2. 广西科技大学鹿山学院汽车工程系)

为了探讨氮的存在状态，有关人士用电解夹杂、岩石、X光相分析、定量金相、扫描电镜以及能谱等方法进行了研究。在此，为了弄清显微氮化物的存在形式，采用电解萃取复型法，分别在JEL2000型和H800型透射电镜下观察了形貌，并用电子衍射进行了结构分析。钢中的残余奥氏体是用D-3F衍射仪和PW-1700衍射仪完成的。

1 试验结果及讨论

专家指出：钢包喷吹Si-Ca粉剂，对轴承钢中气体含量有一定影响。钢包喷粉优化工艺可以降低钢中总氧量w(O)，但是含氮量w(N)却显著增加。

为于喷粉工艺导致钢中增氮的现象，徐匡迪在《金属学》中做了较为详细的论述。在喷吹过程中，由于相对表面积的增大，通过裸露面使表面传质加快，极易吸收大气中的氮。因此，采用喷粉工艺冶炼的GCr15钢中增氮是难以避免的。但氮在GCr15钢中的行为如何,成为人们关心的问题。

2 钢中氮化物的状态

有人对棱角状的TiN型夹杂物的存在做了研究，并对不同工艺钢中的不同类型夹杂物的平均尺寸、体积分数及其频数进行了统计分析。但因仪器条件所限，只能测定大于0.2μm的各种夹杂物。喷粉工艺生产的轴承钢中氧化物(包括硫化物)，氮化物体积分数均比吹氩工艺的明显减小。喷粉工艺降低钢中的w(O)和w(S)，导致氧化物体积分数下降。令人难以理解的是：喷粉工艺使钢中增氮，为什么氮化物的体积分数却下降了呢？这是由于喷粉工艺钢中夹杂物的平均尺寸减少的缘故。受技术所限，还有相当数量的小于0.2μm夹杂物颗粒未计算在内。恰恰是这些微小的氮化物颗粒的存在状态，对轴承钢的性能有着直接影响。

Ti是形成氮化物的最强元素之一，比重小，易上浮。但实践证明；还会有一部分Ti留在钢中形成多棱角的夹杂物。这种夹杂物容易引起局部应力集中，产生疲劳裂纹,因此要控制此种夹杂物的产生,氮化钛为间隙相。《金属学》指出：如果从电子因素对间隙相的影响来看，通常的规律认为过渡元素的3d层电子数越少，同C、N的亲合力越大，形成的碳化物或氮化物就越稳定,这种稳定的碳化物或氮化物的间隙相，具有金属链的特征，熔点高、硬度大。由于喷粉工艺引起钢中增氮，产生的氮化物夹杂极为细小，并且也很稳定。为探讨这些细小氮化物在显微组织中分布及存在状态，将试样在1 150～1 200℃保温40min水淬，再电解萃取复型于JEL2000型和H800型电镜中观察，并通过电子衍射进行结构分析。

实验结果表明：TiN或Ti(CN)的显微颗粒(500倍以下)呈弥散分布于显微组织的晶内或晶界。因为N和Al也有极强的亲合力，所以也观察到了AlN的显微颗粒。

3 氮化物对性能的影响

GCr15钢的断裂过程，根据断口分析主要为解理和准解理断裂机制。

著名专家肖纪美先生指出：钢中夹杂物是一种脆性相，体积分数愈高，韧性愈低；夹杂物的尺寸愈大，韧性下降的愈快。对于解理断裂的韧性而言，夹杂物的尺寸愈细小，夹杂物的间距愈小，则韧性不但不下降，反而提高，如果晶内脆性相排列较密，则可缩短位错堆塞距离，不易发生解理断裂，从而提高解理断裂强度。《合金钢手册》指出：氮化物若以高弥散状态分布于钢中时，将极大地增加钢的硬度、强度，特别是疲劳强度。

实验结果证明：喷粉工艺生产的GCr15轴承钢的接触疲劳寿命比电炉工艺的和吹氩工艺有显著提高。洛轴所的三轮试验结果十分接近，重现性很好,断裂韧性和强度均有提高。因此，弥散分布，细小密集的氮化物的强韧化效果是客观存在的。综上所述,喷粉工艺虽然导致钢中增氮，氮化物颗粒增多，但其颗粒甚小，并于晶界或晶内呈弥散状态分布，成为有利因素。因此,在喷粉工艺生产的GCr15钢中的氮化物对强度、韧性和疲劳寿命均有一定的贡献。

4 钢中残余奥氏体

残余奥氏体对钢的断裂韧性和接触疲劳寿命有着直接影响。对此，我们对氮化物的行为进行了全面分析，并借助于D-3F衍射仪，PW1700衍射仪对钢中的残余奥氏体进行了粗略地测定。

一般地讲，残余奥氏体数量的多少，主要受化学成份、晶粒大小、淬火介质，Ms点以下的冷却速度以及回火温度、回火时间等因素的影响。残余奥氏体数量的增加主要有以下几种原因：

(1)奥氏体中碳及合金元素(除Co以外)的增加；(2)奥氏体晶粒的细化；(3)粹火冷却速度的变小；(4)在Ms点以下停留及回火温度较低；(5)保温时间较长。

喷粉工艺的钢中残余奥氏体之所以增加，可能与增氮有关。因为w(N)是一种很强的形成稳定奥氏体的元素，其效用约是Ni的20倍。另外，由于细微TiN颗粒的增多，其细化晶粒的作用，也是导致钢中残余奥氏体增加的原因之一。

5 残余奥氏体对性能的影响

残余奥氏体在室温下会发生缓慢分解，因为它属于热力学不稳定相。经过回火处理和没发生转变的残余奥氏体，其稳定性才会有较大提高。残余奥氏体的含量多少及分布形态，对钢的使用性能有着相当显著的影响，尤其是对疲劳寿命的影响。这一问题引起了许多专家的关注。目前有两种截然不同的观点。

一种观点认为残余奥氏体硬度低、塑性大、比容小、塑性抗力低、降低有效残余压应力、应力诱发马氏体硬度高、脆性大、增加显微组织应力，所以降低接触疲劳寿命。另一种观点认为，残余奥氏体塑性变形、松驰应力、吸收能量、缓冲相变马氏体的冲击能、减少显微裂纹，同时增加接触面积、降低实际接触应力、诱发马氏体韧性好、具有明显的强韧化效果。在裂纹尖端塑性区内，由于残余奥氏体加工硬化了，诱发马氏体具有较大的压应力，因此裂纹难以扩展。残余奥氏体阻止了裂纹扩展，消耗了扩展能，对疲劳寿命做出了贡献。

实验结果表明，残余奥氏体的存在，对轴承钢的塑性、断裂韧性、硬度、接触疲劳寿命都有提高，并能抑制接触疲劳裂纹的萌生和扩展。因此在一定范围内，残余奥氏体量的增加，是喷粉工艺的GCr15钢提高使用性能的重要原因之一。

6 结语

(1)氮化物在喷粉工艺的GCr15钢中呈弥散状态分布；

(2)残余奥氏体在喷粉工艺的GCr15钢中相对量有所增加；

(3)氮化物细微颗粒呈弥散状态分布。残余奥氏体相对量的增加是导致喷粉工艺GCr15钢的强度、断裂韧性、以及接触疲劳寿命提高的重要原因。