分享：水淬预处理对铁道机车用轴承钢组织与力学性能的影响

张 晶1,赵晓磊2,胡素芬2

 (1.吉林铁道职业技术学院东北亚高铁学院,吉林132200;2.大连理工大学 材料科学与工程学院,大连116024) 

摘 要:对铁道机车用轴承钢锻坯进行水淬预处理,再分别对锻坯和水淬预处理钢进行奥氏体 化+等温淬火处理,研究了水淬预处理对轴承钢显微组织和力学性能的影响。结果表明:轴承钢锻 坯的显微组织为珠光体+铁素体,水淬预处理后组织变为马氏体+少量铁素体;奥氏体化+等温淬 火处理后,锻坯和水淬预处理钢中都出现了细长贝氏体板条束和块状马氏体/奥氏体(M/A)岛,水 淬预处理钢中的贝氏体板条束更细小,M/A岛数量更多且尺寸更小;奥氏体化+等温淬火处理后, 水淬预处理钢的抗拉强度和屈服强度较锻坯分别提高了8.68%和17.07%,冲击功也高于锻坯,但 两者的断后伸长率相近。

 关键词:轴承钢;锻坯;水淬预处理;显微组织;力学性能 中图分类号:TG146.2 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)08-0059-06 

0 引 言

 在铁道机车轴承钢的生产过程中,需将钢材加工 成所需形状后再进行奥氏体化、等温淬火等热处理, 以达到所要求的力学性能[1]。轴承用Fe-0.18C-1.6Si1.2Mn贝氏体钢通常先经过铸造、热锻等工艺来获得 所需的形状,再进行热处理(等温淬火等)以调整其显 微组织,从而获得所需的力学性能。热处理前轴承钢 不同的初始显微组织会显著影响热处理后的显微组 织和力学性能[2-3],但目前相关的研究报道还较 少[4-7]。因此,作者以铁道机车用轴承钢锻坯为试验 对象,通过水淬预处理改变其初始显微组织,研究了 不同组织轴承钢经过奥氏体化+等温淬火处理后的 59 张 晶,等:水淬预处理对铁道机车用轴承钢组织与力学性能的影响 显微组织、拉伸性能和冲击性能。研究结果有助于 了解初始组织状态对热处理态组织与性能的影响规 律,并为轴承钢的工业化生产提供一定的理论参考。 

1 试样制备与试验方法 

试验原料为吉林吉钢钢铁集团有限公司提供的 铁道机车轴承用Fe-0.18C-1.6Si-1.2Mn钢锻坯,尺 寸为40cm×50cm×150cm,锻造温度为980~ 1180℃,锻造后空冷至室温。采用电感耦合等离 子发射光谱法测得试验钢的化学成分如表1所示。 表1 试验钢的化学成分 Table1 Chemicalcompositionoftestedsteel 元素 C Si Mn P S Cr Ni Mo Fe 质量分数/% 0.18 1.69 1.280.0100.004 1.82 0.50 0.36 余 采用线切割法从锻坯上加工出尺寸为25cm× 45cm ×125 cm 的 矩 形 坯 料,将 坯 料 置 于 CarboliteGeroHTK型箱式电阻炉中进行945℃× 20min奥氏体化处理,水淬至室温,得到水淬预处 理钢。使用Gleeble3500型热模拟试验机测得锻坯 和水淬预处理钢的马氏体开始转变温度分别为 375,366 ℃,据此将等温淬火温度设定为385 ℃。 在锻坯和水淬预处理钢上分别取尺寸为?5mm× 8mm的圆柱体试样,使用 NaberthermLHT08/18 型热处理炉进行945℃×20min奥氏体化处理,水 淬至室温后使用箱式炉和 DM-75-8型井式盐浴炉 进行385℃×60min等温淬火处理,介质为质量比 1∶1的硝酸钾和亚硝酸钠。 采用 线 切 割 方 法 加 工 出 尺 寸 为 10 mm× 10mm×10mm 的金相试样,依次经过砂纸打磨、 机械抛光和体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀(观察 晶粒形貌则采用沸腾的饱和苦味酸溶液腐蚀)后,使 用奥林巴斯GX71型光学显微镜(OM)和SU-500 型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。使用扫 描电子显微镜附带的电子背散射衍射(EBSD)组件 进行EBSD表征,试样需在机械抛光后使用体积分 数10%高氯酸+90%无水乙醇溶液进行电解抛光。 使用Image-Proplus软件测量晶粒的平均尺寸[8]。 使用D8ADVANCE型 X射线衍射仪(XRD)进行 物相分析,采用铜靶,Kα 射线,步进扫描方式,扫描 步长为0.02°。取透射电镜试样,打磨至50μm后冲 压成直径3mm 的薄片,使用 Tenupol-5型双喷离 子减薄仪在体积分数8%高氯酸+92%冰乙酸混合 溶液中、-45℃条件下进行双喷减薄,使用JEOL2100型透射电子显微镜(TEM)观察微观形貌。取 如图1(a)所示拉伸试样,根据 GB/T228.1—2010, 使用 MTS-810型万能材料试验机进行室温拉伸试 验,拉伸速度为2mm·min-1。取如图1(b)所示冲 击试样,根据 GB/T229—2020,使用JB-300B型摆 锤冲击试验机进行室温冲击试验。拉伸和冲击试验 各测3个试样取平均值。 

2 试验结果与讨论

 2.1 显微组织与物相组成

 由图2可见,轴承钢锻坯的显微组织为珠光体 和铁素体,水淬预处理后的显微组织为马氏体和少 量铁素体。 由图3可见:轴承钢锻坯经过奥氏体化处理后, 基体中出现了尺寸不等的奥氏体晶粒,平均晶粒尺 寸为35.7μm;水淬预处理并经奥氏体化处理后,晶 粒明显细化,平均晶粒尺寸为8.7μm。由此可见, 水淬预处理有助于减小轴承钢奥氏体化后的奥氏体 晶粒尺寸。 由图4可见,经奥氏体化+等温淬火处理后,锻 坯和水淬预处理钢的基体组织均为针状贝氏体铁素 体(BF)+细长板条贝氏体(LB)+马氏体/奥氏体 (M/A)岛,同时存在颗粒状残余奥氏体以及位于板 条状贝氏体间的薄膜状残余奥氏体(Af)。相比于 未水淬处理的锻坯,水淬预处理钢中的贝氏体组织 更细小,M/A岛数量更多且尺寸更小。这是因为奥 氏体化处理后水淬预处理钢的奥氏体晶粒较为细 小,板条贝氏体的形核和长大无法穿越奥氏体相界, 贝氏体组织的粗化与长大受到抑制[9-11];此外,奥氏 体晶粒细化会增加晶界数量,从而增加 M/A 岛形 核位置,因此 M/A岛数量增多且尺寸减小。

由图5可见:经过奥氏体化+等温淬火处理后, 锻坯中 M/A岛的尺寸主要在6~10μm、平均尺寸 约为7.9μm,而水淬预处理钢的 M/A 尺寸主要在 0~6μm,平均尺寸约为3.5μm,且未出现尺寸在 10μm以上 M/A岛组织;锻坯中尺寸在0.5~5μm 和大于5μm的 M/A岛的面积分数分别约为3.4% 和9.2%,水淬预处理钢中尺寸在0.5~5μm和大于 5μm 的 M/A 岛的面积分数分别约为11.5%和 61 张 晶,等:水淬预处理对铁道机车用轴承钢组织与力学性能的影响 3.2%。由此可见,水淬预处理有助于减小 M/A 岛 的尺寸并增加 M/A岛的面积分数。 由图6可见:锻坯组织中的薄膜状残余奥氏 体分布在贝氏体铁素体板条束间,未发现明显碳 化物的存在;水淬预处理钢的组织与锻坯相似,但 贝氏体板条相对更短,这与前文的 OM 和SEM 观 察结果相吻合。选取 TEM 照片20张,采用截距 法[12]统计得到锻坯和水淬预处理钢中的贝氏体铁 素体板 条 真 实 厚 度 分 别 为 (232±42),(209± 33)nm。由此可见,水淬预处理有助于减小奥氏 体化+等温淬火处理后轴承钢中的贝氏体铁素体板 条的真实厚度。 由图7可见,奥氏体化+等温淬火处理后,锻坯 和水淬预处理钢均主要由α+γ相组成。根据文献 [13]的方法计算得到锻坯和水淬预处理钢中残余奥 氏体体积分数分别为9.2%和8.5%。由此可见,水 淬预处理不会改变等温淬火后轴承钢的物相组成, 但会减小残余奥氏体体积分数。这可能是因为水淬 预处理细化了奥氏体晶粒,使得等温淬火过程中更 多的奥氏体转变为二次马氏体而减少了残余奥氏体 含量[14]。 

2.2 力学性能 

由图8和表2可知,奥氏体化+等温淬火处理 后,水淬预处理钢的抗拉强度和屈服强度较锻坯分 别提高了8.68%和17.07%,但两者的断后伸长率 相近。此外,水淬预处理钢的冲击功也高于锻坯。 由此可见,水淬预处理有助于提高等温淬火态轴承 钢的室温强度和冲击韧性,但对断后伸长率的影响 图7 奥氏体化+等温淬火处理后锻坯和水淬预处理钢的XRD谱 Fig 7 XRD patterns of forging stock and water quenching pretreated steel after austenitizing and isothermal quenching 不大。 轴承钢锻坯的显微组织为珠光体+铁素体,经 过水淬预处理后转变为马氏体+少量铁素体,且晶 粒尺寸较小。晶粒细化可以提升材料的屈服强度[15], 62 张 晶,等:水淬预处理对铁道机车用轴承钢组织与力学性能的影响 图8 奥氏体化+等温淬火处理后轴承钢的工程应力-工程应变曲线 Fig 8 Engineeringstress-engineeringstraincurvesofbearingsteel afteraustenitizingandisothermalquenching 表2 奥氏体化+等温淬火处理后轴承钢的室温力学性能 Table2 Roomtemperaturemechanicalpropertiesofbearing steelafteraustenitizingandisothermalquenching 材料 屈服强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 断后伸长 率/% 冲击功/ (J·cm-2) 锻坯 703±5 1463±4 17.9±0.2 80±5 水淬预处理钢 823±6 1589±5 17.5±0.3 97±5 且塑性变形能分散到更多晶粒内,从而提高塑性和 韧性[16]。与锻坯相比,奥氏体化+等温淬火处理后 水淬预处理钢中的贝氏体板条束更短,残余奥氏体 体积分数略有减少。由于无碳化物贝氏体中的贝氏 体板条束相当于有效晶粒[17],因此水淬预处理钢的 强度增大,而断后伸长率基本不变。此外,水淬预处 理钢中 M/A岛的数量更多且尺寸更小,贝氏体板 条束更短,晶粒更加细小,裂纹扩展阻力相对更 大[18],并且裂纹扩展至晶界时消耗的能量更多[19], 因此,淬火预处理钢的冲击韧性提高。

3 结 论 

(1)轴承钢锻坯的显微组织为珠光体+铁素 体,水淬预处理后的显微组织为马氏体+少量铁素 体;经过奥氏体化处理后,锻坯和水淬预处理钢的平 均晶粒尺寸分别为35.7,8.7μm。 (2)奥氏体化+等温淬火处理后,锻坯和水淬 预处理钢中均出现了细长贝氏体板条束和块状 M/ A岛,水淬预处理钢中的贝氏体板条束更细小,M/ A岛数量更多且尺寸更小。 (3)奥氏体化+等温淬火处理后,水淬预处理 钢的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 较 锻 坯 分 别 提 高 了 8.68%和17.07%,两者的断后伸长率相近;水淬预 处理钢的冲击功也高于锻坯。 

来源：材料与测试网