Page 33 - 理化检验-物理分册2022年第十一期
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胡伟勇, 等: GCr15 轴承钢的碳化物不均匀性缺陷


            部扩散以及液、 固两相之间扩散, 最终固相和液相都                              凝固冷却到某时刻后, 液相线的碳元素含量超过
            达到该温 度 下 相 图 确 定 的 成 分, 且 各 元 素 分 布 均             E 点的碳元素含量( 1.5% ), 达到亚共晶的碳元素含
            匀 [ 4 ] 。由图 2 可知: 平衡结晶时, 随着温度下降, 液                 量, 且随着冷却的进行, 碳元素含量越来越高。当温
                                            变化, 固相成分           度冷却至亚共晶三相区时, 少量残余液相以颗粒状碳
            相成分沿液相线 d 1→a 2→a 3→a 4
                                     变化, 最后结晶完成, 生             化物、 亚共晶 γ+ ( Fe , Cr ) C 状态或离异共晶状态析
            沿固相线c 1→ b 2→ b 3→ b 4
                                                                                     3
            成了均匀的 1.0C-1.6Cr钢。凝固后继续冷 却进入                       出, 最终在奥氏体基体形成颗粒状碳化物+少量块状
                                                 , 进入三相       γ+ ( Fe , Cr ) C 亚共晶+块状( Fe , Cr ) C 液析, 即由离
                                             3                           3                     3
            两相区, 沿奥氏体晶界析出( Fe , Cr ) C Ⅱ
            区, 最终转变为珠光体。                                       异共晶碳化物转变为离异共析碳化物。
            2.2  实际凝固过程
                 在实际生产过程中, 合金的凝固过程与理想状                        3  碳化物不均匀性的形成机理及分布特点
            态不同, 不可能保持平衡 条件。由图 2 可知: 合金                       3.1  形成机理
                                          时开 始结晶, 凝固               碳化物不均匀性的形成与钢液凝固过程中发生
            Fe-1.0C-1.6Cr在温度下降到t 1
                                               时, 在已凝固         的宏观区域偏析和微观枝晶偏析直接相关。在凝固
            出成分为c 1     的固体; 当温度下降到t 2
                                                               起始的柱状树枝晶阶段, 固相的生长速率快、 碳元素
            的c 1  固体上又长出一层固体, 成分为c 2            。温度由 t 1
                   若是极为缓慢的平衡过程, 凝固体成分应该                        含量低, 碳元素在液、 固界面由固相进入液相, 在液相
            降到t 2
                                                     , 但是      内形成碳元素含量梯度, 并发生扩散; 柱状树枝晶向
            是均匀的b 2    , 即原有的c 1    充分扩散, 达到b 2
                      的过程为非平衡过程, 冷却时间短, 固相                     材料内部推进, 液相碳元素含量不断升高, 液相凝固
            t 1  降到t 2
                                            时, 结晶体表面           温度不断降低, 界面处的温度梯度也随之降低, 形成
            扩散速率较慢, 所以当温度降到t 2
                                           成分。此时固体             了成分过冷现象。当液相成分过冷达到临界值时, 固
            虽然是b 2    成分, 而内层却接近c 1
                                                        的
            平均成分就处于c 1        与b 2  之间, 相当于图 2 中c 2            相在剩余液相中普遍形核生长, 形成等轴树枝晶区,
                                   时, 固体又长大一层, 此时              导致材料中心部位液相流动性降低, 阻止了界面液相
            位置。当温度再降到t 3
                                                               碳元素扩散, 生成了亚共晶组织或离异共晶液析。
            最外面表层固体成分为b 3            , 平均成分则在c 2      与b 3
                      位置。依此类推, 冷却结束后, 晶粒内部                         柱状晶生长时, 二次或三次树枝晶互相接触, 形
            之间的c 3
            成分不均匀, 由内到外逐层不同, 内层先凝固的部分                          成的密闭小空间封存了其中的液相, 碳、 铬及杂质元
            碳元素含量较低, 外层碳含量元素含量较高。这种                            素含量高于树枝晶主干部位, 最终凝固时材料因没
            晶体内部成分不均匀的现象叫晶内偏析, 属于显微                            有液相补缩而形成孔洞, 即显微疏松, 后续的轧锻过
            偏析。因为凝固温度连续下降, 所以晶内偏析的碳                            程可以焊合显微疏松。如果轧锻操作不充分, 会残
            元素含量是逐渐连续过渡的, 不是截然分层的                      [ 4 ] 。  留部分显微疏松, 且轧锻会造成残留显微疏松的尺
            GCr15 轴承钢一次奥氏体树枝晶的碳元素质 量分                          寸、 形态有所变化, 形成了显微空隙。与碳元素类
            数为 0.6%~0.7% , 在共晶温度时结晶奥氏体的碳                       似, 钢中低熔点合金元素和杂质元素也会富集到中
                                       [ 2 ]
            元素质量分数为 1.3%~1.4%            。                     心部位等轴晶区。
                 对图 2 中奥氏体 - 液相两相区的液相侧进行分                          在轧锻过程中, 材料组织沿轧锻方向拉伸延长,
                                   , 固相刚发生凝固的瞬间                最终凝固成带状碳化物或碳化物液析, 缓冷中奥氏
            析, 发现当温度下降到t 1
                                          ( 碳元素质量分数            体析出二次碳化物, 生成网状碳化物。碳化物液析
            时, 液相成分为合金名义成分 d 1
                                   时, 固相的碳元素经液、 固              相当于亚共晶组织或离异共晶碳化物, 轧锻后碎裂
            为1% ); 当温度下降到 t 2
                                                      为非       为小颗粒状或块状, 沿热变形方向呈孤立的断续分
            界面和液相扩散而达到a 2           。温度t 1   冷却到t 2
                                                        的      布。碳化物液析通常位于带状碳化物中, 与带状碳
            平衡过程, 冷却时间短, 固相扩散速率慢, 固相c 2
                                           的碳元素含量, 多           化物混在一起。
            碳元素含量低于相图固相平衡b 2
                                       的碳元素含量大于相                   在轧锻过程后, 枝晶的富铬和富碳偏析区析出
            余的碳元素进入液相, 使 d 2
                              的碳元素含量。依此类推, 平衡                  较多的碳化物, 在轴向截面上碳化物呈带状分布。
            图标志液相平衡a 2
                                                         ,     柱状晶、 轴状晶相交处和轴状晶区富集了较多的碳、
            状态液相成分线 d 1 -a 2 -a 3 -a 4  变成了 d 1 -d 2 -d 3 -d 4
            即凝固结束前, 液相的碳元素含量比平衡冷却时的                            铬元素, 通常是近心部的带状碳化物组织比较多。
            碳元素含量更高。                                           网状碳化物缺陷是在停轧温度较高、 停轧后缓冷进
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