稀土Ce含量對GCr15SiMn軸承鋼沖擊性能的影響

李曉凱,信瑞山,俞占揚,滕艾均,康舉

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點試驗室,遼寧 鞍山 114000;2.鞍鋼集團北京研究院有限公司,北京 102211;3.北京石油化工學院 深水油氣管線關鍵技術與裝備北京市重點試驗室,北京 102617)

國產軸承鋼在低端產品上出現了產能過剩的現象,應該大力發展在新興產業領域(如高鐵和航空航天)使用的對韌性和使用壽命等要求更高的軸承鋼。目前,不少高端軸承也使用國產軸承鋼,但其存在批量生產質量不穩定的現象,從而制約了我國高端裝備的發展[1-2]。如何避免偶爾出現的大尺寸夾雜物, 改善夾雜物形狀及分布,從而進一步提高成分均勻性等是生產高品質軸承鋼的關鍵。

GCr15鋼是使用最廣泛和業界認可度最高的高碳鉻軸承鋼,但GCr15鋼淬透性較低,多用于生產小型軸承。為滿足市場需求,陸續研制了GCr15SiMn鋼、GCr15SiMo鋼等淬透性較高的軸承鋼,GCr15SiMn鋼憑借成本低的優勢,使用率僅低于GCr15鋼。

我國有豐富的稀土鈰(Ce)資源, Ce在鋼中的應用廣泛,大量試驗證明在鋼中加入 Ce可有效提高鋼的韌性,但Ce的具體加入量因鋼種不同而存在很大差距[3-15]。 Ce加入量過高會產生不規則的大尺寸夾雜物,在其周圍易引起沿晶裂紋,降低能量消耗,進而降低沖擊性能。

在GCr15軸承鋼中加入稀土元素的研究較多,而在高硅(Si)、高錳(Mn)軸承鋼中加入稀土元素的研究較少。因此本文研究了Ce改善GCr15SiMn軸承鋼脆性的可行性及其影響機理,并得出較優的稀土加入量,為稀土軸承鋼的開發提供理論基礎。

1 試驗

在30 kg真空感應爐中采用碳脫氧+鋁脫氧工藝冶煉不同Ce含量(質量分數,下同)的GCr15SiMn軸承鋼,冶煉過程中要嚴格控制鋁(Al),Si,Mn易燒損元素的加入順序。待所有合金元素加入穩定3～5 min后,調整功率使溫度達到1 530 ℃左右時加入Ce,加入前將Ce塊表面氧化層磨掉使其呈光亮狀態。根據Factsage熱力學計算軟件,設置Ce加入量分別為0,0.005%,0.015%,0.030%,0.050%。由文獻[16-20]可知Ce收得率按經驗值的40%計算,Ce加入量和最終 Ce含量見表1, Ce收得率分別為41.67%,40.82%,48.90%,59.35%,當Ce加入量增加時收得率升高。試驗鋼主要成分見表2。

表1 Ce加入量及實際 Ce含量 Tab.1 Ce addition amount and actual Ce content %

表2 試驗鋼主要成分(質量分數)

冶煉后的試驗鋼按始鍛溫度1 150 ℃,終鍛溫度850 ℃進行鍛造,試驗鋼為直徑50 mm的棒材。5個爐次試驗鋼均采用相同的熱處理工藝(圖1)。

圖1 試驗鋼的熱處理工藝示意圖

2 Ce對GCr15SiMn軸承鋼沖擊性能的影響

在每爐鋼的1/2半徑處取樣,完成熱處理后,按GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準展開夏比擺錘沖擊試驗,無缺口試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,每組進行3次試驗,取平均值,各爐次試驗鋼的沖擊功和回火后硬度見表3。

表3 各爐次試驗鋼的沖擊功和回火后硬度

由表3可知:隨著 Ce含量的不斷增加,沖擊功呈先升高后降低的趨勢, Ce含量為0.016%時沖擊功最大;加入Ce后硬度略有提高,可能是Ce元素細化了原始奧氏體晶粒,提高了試驗鋼的韌性和硬度。

試驗鋼的沖擊性能與夾雜物的尺寸和數量有關,因此分別從5爐鑄錠相同位置(1/2半徑處)取樣,使用鎢燈絲掃描電鏡以試樣中心為中心,自動掃描4 mm2統計該區域內夾雜物的尺寸和數量見表4:不加 Ce時鋼中直徑d大于5 μm的夾雜物占比接近20%;隨著 Ce含量的增加,直徑大于5 μm夾雜物占比先降低后增加, Ce含量為0.016%時其占比最低(2.08%);直徑小于3 μm夾雜物占比隨Ce含量的增加先增加后降低,當Ce含量為0.016%時,達到最高(約90%),這與沖擊功的變化趨勢一致。

表4 不同尺寸夾雜物占比及數量

文獻[21-22]研究表明鋼的韌性與鋼中硫化錳(MnS)夾雜物存在的狀態直接相關。不加 Ce時鋼中典型復合夾雜物如圖2所示。圖2a中氧化鋁(Al2O3)夾雜物呈顆粒狀,MnS夾雜物則呈立方體狀,圖2b中兩者均為矩形,Al2O3夾雜物由于脆硬的特點一般不會發生變形,通常以顆粒狀和矩形狀存在,在凝固過程中Al2O3夾雜物會作為形核核心最先析出,最終形狀由MnS夾雜物決定。

(a) 立方體形復合夾雜物

當鋼中加入Ce后,夾雜物的形態及分布狀況均發生變化,加入 Ce后一方面MnS夾雜物得到變質,另一方面把脆性夾雜物Al2O3或尖晶石類變為硬度不高、可塑性極大的球形 Ce夾雜物(圖3),球形的Ce夾雜物能夠一定程度上降低鋼中脆性夾雜物含量,從而提高鋼的韌性。 當Ce含量為0.016%時,鋼中小尺寸夾雜物占比最高,裂紋擴展方向因這些小尺寸夾雜物發生改變,從而使裂紋擴展的能量消耗最大,因此沖擊功最高。但當 Ce含量高于0.016%時,鋼中開始出現不規則帶尖角的復合 Ce夾雜物(圖4),這些夾雜物增加了裂紋源,加速裂紋延伸,因此沖擊功降低。加入 Ce后減小了夾雜物尺寸,相對細小且彌散分布的夾雜物能夠有效促進晶粒(表5)細化,當試驗鋼受到外力作用時有利于將應力分散到更多的晶粒中,從而提高了試驗鋼的沖擊性能[23-25]。

(a) MnS和Ce復合夾雜物

(a) Ce-S-O夾雜物

表5 各爐次平均晶粒尺寸的統計結果

3 沖擊斷口形貌

不同 Ce含量下試驗鋼沖擊斷口低倍形貌如圖5所示:不加 Ce時斷口呈平坦狀態,為脆性斷裂(圖5a紅色區域);加入微量Ce時,斷口出現韌窩和凹凸面(圖5b紅色區域);當Ce含量為0.016%時,凹凸面進一步增加,且平整面較少(圖5c紅色區域);當Ce含量為0.029%時,斷口凹凸程度降低,并且平坦區域增加;當Ce含量為0.053%時,斷口凹凸面明顯降低,開始向平坦趨勢轉變。

(a) 無Ce (b) 0.007%

不同 Ce含量下試驗鋼沖擊斷口高倍形貌如圖6所示:不加 Ce時試驗鋼脆性斷裂面較多(圖6a紅色區域),韌窩大小和深度不一樣,存在大尺寸坑狀韌窩,原因為MnS夾雜物的存在導致應力集中,從而產生尺寸較大的韌窩,沖擊功最低;當Ce含量為0.007%時,大尺寸韌窩明顯消失(圖6b紅色區域);當Ce含量為0.016%時,試驗鋼的韌窩密度和韌窩深度均相差不大(圖6c紅色區域),此時試驗鋼的夾雜物球化更充分,對韌性斷裂而言,在無法避免夾雜物時,球狀是最理想的形狀,因此,當Ce含量達到0.016%時,試驗鋼的沖擊性能最佳;Ce含量繼續增加,試驗鋼開始出現較大的孔洞(圖6d);當Ce含量為0.053%時,試樣鋼的切口逐漸變得光滑平整,韌窩開始變大且分布不均勻(圖6e)。

(a) 無Ce (b) 0.007%

S,As和P等雜質元素容易富集在晶界處,不利于晶界強度的提高,使晶界弱化。添加的Ce元素與雜質元素發生反應生成稀土夾雜物,一定程度上緩解了部分雜質元素在軸承鋼內晶界形成的偏聚現象。當 Ce含量繼續增大時,試驗鋼中含S,As和P的夾雜物數量增加,由于這些雜質元素和 Ce結合成為稀土復合夾雜物,使獨立存在的雜質元素含量減少,從而使晶界位置的雜質元素含量在一定程度有所下降,在各種作用下,晶界得到凈化,最終晶界強度得到增強。除此之外,多出的Ce將全部匯集在晶界位置,對晶界強度的提高有益。

試驗鋼斷口典型形貌及相應能譜分析如圖7所示: Ce適量時, Ce夾雜物的存在增加了斷裂面數量,從而增大了斷面的凹凸程度(圖7b),最終導致斷面面積和能量消耗增加,從而提高軸承鋼沖擊韌性; Ce含量過多時,斷面存在大尺寸夾雜物(圖7c),且夾雜物附近存在裂紋,這些裂紋在受到沖擊載荷時會加速斷裂過程,降低能量消耗,從而使沖擊性能降低[20]。

(a) 無Ce

4 結束語

適量 Ce加入后與雜質元素結合成的稀土夾雜物增加了試驗鋼斷裂面數量和凹凸程度,使斷面面積和能量消耗增加,從而提高了軸承鋼的沖擊韌性, Ce含量為0.016%時,沖擊功達到最高值,比不加 Ce時提高了173.7%。