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2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳376高温变形后GCr15钢连续冷却相变及显微组织分析杨洪波1，朱伏先1，马宝国2(1.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，沈阳；2.宝钢特殊钢分公司，上海）摘要：为合理确定GCr15轴承钢的轧后冷却工艺，利用Gleeble1500热模拟试验机，模拟830℃终轧的变形过程，测出GCr15轴承钢的动态CCT曲线；利用光学显微镜、扫描电镜等分析研究了冷却速度对珠光体片层厚度和网状碳化物析出的影响规律。试验结果表明：在一定的冷速范围内，随着冷速的增加珠光体片层变薄，当冷速过大时，会产生一种粗大的类珠光体组织；当冷却速度为10℃/s左右时，可有效减少网状碳化物的析出且可以获得细片状珠光体组织。关键词：GCr15钢；CCT曲线；控制冷却；类珠光体AnalysisforContinuousCoolingTransformationandMicrostructureofHot-formedGCr15SteelYANGHongbo1,ZHUFuxian1，MABaoguo2(1.StateKeyLaboratoryofRollingandAutomation,NortheasternUniversity,Shenyang;2.BaoShanSteelSpecialSteel,ShangHai)Abstract:Gleeble1500thermalsimulationmachinewasusedtosimulatethehotrollingprocessofGCr15bearingsteelfordeterminingcoolingtechnologyafterrollingreasonably,whichthefinal-passtemperaturewas830℃,andthedynamicCCTcurvewasmensurated.OpticalmicroscopeandSEMwereemployedtoinvestigatetheinfluenceofcoolingrateonthethicknessofpearlitepatchandthequantityofnetworkcarbide,theresultsshowthatthethicknessofpearlitepatchthinswiththeincreaseofcoolingrateduringcertainoftemperature,pearlite-likewhosepatchisthickcanbefoundwhenthecoolingrateoverthattemperature;whenthecoolingratewasabout10℃/s,thequantityofnetworkcarbidecandecreaseandthethicknessofpearlitepatchcanthin.Keywords:GCr15steel；CCTcurve；controlledcooling；pearlite-like1前言近年，随着强力轧机和控轧控冷技术在棒、线材生产中的广泛应用，GCr15轴承钢质量性能不断提高。对于GCr15轴承钢来说，不论是无缝管坯，还是热轧材，球化退火前必须是消除了网状碳化物的细片状珠光体组织[1]。终轧后的冷却速度对该钢的组织性能有很大影响，很多学者在这方面已有所研究，大部分文献认为：冷却速度越高，珠光体片层越细。但是本文发现，随着冷却速度的升高，会出现一种比珠光体片层相对粗大的类珠光体组织。2试验材料与方法2.1试验材料试验用料来自于宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司的φ10mm的GCr15轴承钢棒材，其化学成分如表1所示。2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳3772.2试验方法在Gleeble-1500热模拟实验机上测试单道次变形条件下的CCT曲线。试验规程如图1所示。将试验钢以10℃／s的速度加热到1150℃、保温3min，然后以5/s℃的速度冷却到830℃，保温10s以消除试样内部的温度梯度，然后进行单道次压缩变形，变形速率为1／s；变形量为40％；变形后以不同的冷却速度冷却至室温。冷却速率分别为1℃／s、5℃／s、10℃／s、12℃／s、15℃／s、16℃／s、20℃／s、30℃／s。变形及冷却后的全部试样沿电偶丝处横向切开，经金相制样后,采用LEICAQ550IW光学显微镜观察显微组织,采用FEIQuanta600扫描电镜观察分析微观结构，采用维氏硬度计测定显微硬度。3试验结果与分析3.1单道次压缩CCT曲线将变形完成后所测得的一组不同冷却速度的的温度-膨胀量曲线加以整理后得到的CCT曲线如图2所示。从该CCT曲线可以看出:随着冷却速度的不同,在GCr15轴承钢的CCT图中存在两种类型的相变区:高冷速的马氏体相变区和低冷速的珠光体相变区。当冷却速度小于10℃/s时,室温下获得完全的珠光体组织；当冷却速度大于15℃/s时，室温下获得完全的马氏体组织；当冷却速度在此两者之间时,冷却曲线处于珠光体与马氏体共存的两相区。试验钢的Ms点随着冷却速度的升高而降低，最终趋于平稳，并且Ms点较低。CCrMnSiNiCuAlMoPSTiO0.991.500.300.220.040.100.0280.010.0070.0040.0027ppm1150℃5℃／s10s10℃/sV温度/℃时间/s830℃11010010000100200300400500600700800900866Time,sMs=160℃VickersHardnes(HV):CoolingRate(℃/s):Temperature,℃APM1510152030420470650792图2试样的单道次压缩CCT曲线Fig.2TheCCTcurveofsamplethroughsingle-passcompression图1CCT曲线的实验方案示意图Fig.1TheschematicillustrationoftheCCTcurve表1实验用钢的化学成分Table1Chemicalcompositionofsteeltested2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳3783.2硬度测试结果分析硬度测试结果如表2所示。冷速/℃／s15101215162030硬度/HV420470650657674792832867由表2可以看出，硬度值随着冷却速度的增大而升高。其原因如下：（1）随着冷速的增大，珠光体条片变细，晶界面积增多，位错密度增加，形变阻力增大；（2）高冷速下碳化物析出较少，使珠光体基体含碳量升高,造成析出强化。因此，硬度随着冷速的增大而升高。3.3光学显微境及SEM结果分析高温变形后以不同冷却速度冷却时得到的光学显微组织如图3所示。由图可以看出：随着冷却速度的增加，网状碳化物的析出量减少。这是由于变形后快速冷却，使网状碳化物在其大量析出的温度范围内得不到充分析出的原因。网状碳化物的存在,将会产生一系列的恶果。首先，严重的网状碳化物并不能在随后的球化退火过程中完全消除，这样，在轴承加工的研磨过程中易产生磨裂；其次，如果原先网状碳化物严重，不但球化退火不能消除，甚至在以后的淬火过程中仍有保留，并易产生淬火裂纹。因此，变形后如何通过快速冷却方式以降低网状碳化物的析出数量已成为轴承钢生产工艺进步的重要内容。由图3还可以看出，当冷却速度小于15℃/s时，随着冷却速度的增大，珠光体片层变薄，在光学显微镜下难以辨认，称之为索氏体；当冷却速度等于或者高于15℃/s时，在光学显微镜下组织形dabc图3试样单道次压缩时在不同冷却速度条件下的光学显微组织形貌Fig.3Theopticalmicrostructureofsampleatdifferentcoolingratethroughsingle-passcompressiona)1℃/s,1000×；b)5℃/s,1000×；c)10℃/s,1000×；d)15℃/s，1000×表2不同冷却速度下试样的硬度Table2Hardnessofsampleatdifferentcoolingrate2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳379貌与珠光体相同，在扫描电镜下会看到粗大的类珠光体组织，图4是高温变形后以不同冷却速度冷却时得到的珠光体SEM显微组织形貌。由图可见，当冷却速度高于或者等于15℃/s时，珠光体片层变得肥厚松散，有些文献称之为类珠光体组织，它是由奥氏体片和M23C6碳化物片组成的一种片层相间的组织[2]。因此，在本实验条件下,为得到细片状珠光体组织，轧后控制冷却速度不宜大于15℃/s。获得细片状珠光体组织是保证GCr15轴承钢性能质量的必要条件,而抑制网状碳化物的析出,则是改善和提高GCr15轴承钢性能的充分条件[3]。因此，必须在获得细片珠光体组织的基础上，进一步消除网状碳化物。4结论(1)模拟GCr15轴承钢在830℃终轧的轧制工艺条件,测得GCr15轴承钢的动态CCT曲线，分析热变形后冷却条件与显微组织的关系，为GCr15轴承钢工业生产中合理采用轧后控制冷却工艺提供理论依据。(2)适当提高冷却速度，可得到细片状的珠光体组织，但冷却速度必须控制在15℃/s以下，以免出现粗大的类珠光体组织。(3)试验钢在终轧温度为830℃的轧制工艺条件下，终轧后控制冷却速度为10℃/s左右时，可有效减少网状碳化物的析出且可以获得细片状珠光体组织。参考文献[1]钟顺思，王昌生.轴承钢.北京：冶金工业出版社，2000.[2]姜锡山.特殊钢金相图谱.北京：机械工业出版社，2002：54.[3]梁皖伦，方金凤，曹军.GCr15轴承钢的热变形模拟试验研究.理化检验-物理分册，2002，38(1)：6.图4试样单道次压缩时在不同冷却速度条件下的SEM显微组织形貌Fig.4SEMmicrostructureofsampleatdifferentcoolingratethroughsingle-passcompressiona)1℃/s；b)5℃/s；c)10℃/s；d)15℃/scbad