镁对GCr15轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响_尉政.pdf

第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 1 3 3-1 4 3 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 3 0 0 6 3镁对G C r 1 5轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响尉 政1,任 英1,任 强2,张立峰3(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京1 0 0 0 8 3;2.燕山大学机械工程学院,河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4;3.北方工业大学机械与材料工程学院,北京1 0 0 1 4 4)摘 要:为了研究镁对轴承钢中夹杂物的改性效果及不同镁含量轴承钢中夹杂物对奥氏体晶粒尺寸的影响,通过实验室试验和热力学计算分析了不同镁含量轴承钢中的夹杂物和奥氏体晶粒尺寸。分析了总镁质量分数分别为0.0 0 02%、0.0 0 04%、0.0 0 12%、0.0 0 25%和0.0 0 38%的轴承钢样品中夹杂物的成分、尺寸、形貌及含量的变化。镁处理轴承钢中夹杂物的改性顺序为C a-A l-O、A l2O3C a-A l-M g-OM g A l2O4M g O。总镁质量分数从0.0 0 02%增加到0.0 0 25%,钢中12m夹杂物的数密度从6.0 4个/mm2增加至2 2.9 9个/mm2;总镁质量分数为0.0 0 38%时,钢中夹杂物数密度略有下降(1 7.5 9个/mm2),夹杂物平均尺寸从总镁质量分数为0.0 0 02%时的3.0 3m降低至2.0 2m。当奥氏体化保温时间从1 5m i n增加至1 2 0m i n或当奥氏体化温度从9 0 0 增加至10 5 0 时,轴承钢的奥氏体晶粒尺寸呈增加趋势。热力学计算结果表明,升温会导致碳化物溶解,奥氏体晶界钉扎作用减弱,奥氏体晶粒长大,而镁处理形成的小尺寸夹杂物会钉扎晶界,阻碍奥氏体晶粒的长大。通过Z e n e r钉扎力计算结果发现,夹杂物尺寸越小并且体积分数越大时,夹杂物对晶界的钉扎作用越强,晶界的迁移速度越小,奥氏体晶粒尺寸越小。因此,总镁质量分数为0.0 0 12%和0.0 0 25%的样品的奥氏体晶粒在保温期间或升温过程中呈现缓慢的增长趋势,当保温温度为10 0 0、保温时间为1 2 0m i n时,总镁质量分数为0.0 0 12%时奥氏体晶粒尺寸最小,为2 6.4m,总镁质量分数为0.0 0 25%时,晶粒尺寸为2 8.4m,其余镁含量轴承钢中奥氏体晶粒尺寸均大于3 5m。基于A r r h e n i u s奥氏体晶粒长大模型预测了镁处理轴承钢中奥氏体晶粒的长大过程,与奥氏体晶粒生长过程较为符合。关键词:G C r 1 5轴承钢;镁处理;夹杂物;奥氏体晶粒;钉扎作用;长大模型文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 1 3 3-1 1E f f e c t o fm a g n e s i u mo n i n c l u s i o n sa n da u s t e n i t eg r a i n i naG C r 1 5b e a r i n gs t e e lYUZ h e n g1,R E NY i n g1,R E NQ i a n g2,Z HANGL i f e n g3(1.S c h o o l o fM e t a l l u r g i c a l a n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g,B e i j i n g1 0 0 0 8 3,C h i n a;2.C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,Y a n s h a nU n i v e r s i t y,Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4,H e b e i,C h i n a;3.S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dM a t e r i a lE n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,B e i j i n g1 0 0 1 4 4,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(U 2 2 A 2 0 1 7 1,5 1 8 7 4 0 3 2)作者简介:尉 政(1 9 9 9),男,硕士生;E-m a i l:y z h e n g 2 0 2 01 2 6.c o m;收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 3通信作者:任 英(1 9 8 9),男,博士,教授;E-m a i l:y i n g r e n u s t b.e d u.c nA b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h em o d i f i c a t i o ne f f e c to f i n c l u s i o n s i nt h eb e a r i n gs t e e l b ym a g n e s i u ma n dt h e i n f l u e n c eo f i n c l u s i o n s i nt h eb e a r i n gs t e e l o na u s t e n i t eg r a i ns i z eo fd i f f e r e n tm a g n e s i u mc o n t e n t c o n d i t i o n s,t h e i n c l u s i o na n da u s t e n i t eg r a i ns i z e i nt h eb e a r i n gs t e e lw i t hd i f f e r e n tm a g n e s i u mc o n t e n tw e r ea n a l y z e db yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n dt h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n s.T h ec o m p o s i t i o n,s i z e,m o r p h o l o g y,a n dc o m p o s i t i o no f i n c l u s i o n si nb e a r i n gs t e e ls a m p l e sw i t ht h em a s sp e r c e n to f t o t a lm a g n e s i u mo f0.0 0 02%,0.0 0 04%,0.0 0 12%,0.0 0 25%,a n d0.0 0 38%w e r ea n a l y z e d.T h em o d i f i c a t i o ns e q u e n c eo f i n c l u s i o n s i nt h em a g n e s i u m-t r e a t e db e a r i n gs t e e lw a sC a-A l-O,A l2O3C a-A l-M g-OM g A l2O4M g O.W i t h t h e i n c r e a s e o f t h em a s sp e r c e n t o f t o t a lm a g n e s i u mf r o m0.0 0 02%t o0.0 0 25%,t h en u m b e rd e n s i t yo f 1-2mi n c l u s i o n s i n t h e s t e e l i n c r e a s e d f r o m6.0 4p i e c e/mm2t o2 2.9 9p i e c e/mm2,w h e n t h em a s sp e r c e n to f t o t a lm a g n e s i u mw a s0.0 0 38%,t h en u m b e rd e n s i t yo f i n c l u s i o n s i nt h es t e e ld e c r e a s e ds l i g h t l y(1 7.5 9p i e c e/mm2),a n dt h ea v e r a g es i z eo f i n c l u s i o n sd e c r e a s e df r o m3.0 3m(t h em a s sp e r c e n to ft o t a lm a g n e s i u m w a s0.0 0 02%)t o2.0 2m(t h em a s sp e r c e n to ft o t a lm a g n e s i u m w a s0.0 0 38%).Wh e nt h ea u s t e n i t i z i n gt i m ei n-c r e a s e df r o m1 5m i n t o1 2 0m i no rw h e n t h e a u s t e n i t i z i n g t e m p e r a t u r e i n c r e a s e d f r o m9 0 0t o10 5 0,t h e a u s t e n-钢 铁第5 8卷i t eg r a i ns i z eo f ab e a r i n gs t e e l s h o w e da n i n c r e a s i n g t r e n d.T h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o nr e s u l t s s h o w e d t h a t t e m p e r a-t u r er i s e l e d t o t h ed i s s o l u t i o no f c a r b i d e s,t h ed e c r e a s eo f a u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r yn a i l i n g,a n d t h eg r o w t ho f a u s t e n-i t eg r a i n s.T h er e s u l t so fZ e n e rn a i l i n g f o r c e c a l c u l a t i o ns h o w e d t h a tw h e nt h e s i z eo f i n c l u s i o n sw a s s m a l l e r a n dt h ev o l u m ep e r c e n to f i n c l u s i o n sw a s l a r g e r,t h e i n c l u s i o nh a ds t r o n g e r n a i l i n ge f f e c t o n t h eg r a i nb o u n d a r y,t h em i g r a t i o nr a t eo f t h eg r a i nb o u n d a r yw a ss m a l l e r,a n dt h ea u s t e n i t eg r a i ns i z ew a ss m a l l e r.S o t h ea u s t e n i t eg r a i n so f t h e s a m-p l e sw i t h t h em a s sp e r c e n t o f t o t a lm a g n e s i u mo f 0.0 0 12%a n d0.0 0 25%s h o w e da s l o wg r o w t h t r e n dd u r i n g t h eh o l d i n go rh e a t i n gp r o c e s s.W h e nt h eh o l d i n gt e m p e r a t u r ew a s10 0 0 a n dt h eh o l d i n gt i m ew a s3 0m i n,t h es i z eo fa u s t e n i t eg r a i n sw i t hm a g n e s i u mc o n t e n t o f 0.0 0 12%w a s t h e s m a l l e s t(2 6.4m),w h e nt h em a s sp e r c e n to f t o t a lm a g n e s i u mw a s0.0 0 25%,t h eg r a i ns i z ew a s 2 8.4m,a n d t h e a u s t e n i t eg r a i ns i z eo f t h e o t h e rb e a r i n gs t e e l sw i t hm a g n e s i u mc o n t e n tw a sg r e a t e r t h a n3 5m.B a s e do n t h eA r r h e n i u s a u s t e n i t e g r a i ng r o w t hm o d e l,t h e g r o w t hp r o c e s s o f a u s t e n i t e g r a i n i n t h em a g-n e s i u m-t r e a t e db e a r i n gs t e e lw a sp r e d i c t e d,w h i c hw a s c o n s i s t e n tw i t ht h eg r o w t hp r o c e s so f a u s t e n i t eg r a i n.K e yw o r d s:G C r 1 5b e a r i n gs t e e l;m a g n e s i u m;i n c l u s i o n;a u s t e n i t eg r a i n;p i n n i n ge f f e c t;g r o w t hm o d e l G C r 1 5轴承钢因其具有良好的抗疲劳性、耐磨性和高硬度等性能,在交通、航天及工业领域有着广泛的 应 用1。研 究 表 明,钢 中 总 氧(T.O)从0.0 0 28%降低至0.0 0 05%时,轴承钢的抗疲劳性能提升几十倍2-3。因此,轴承钢需要严格控制夹杂物的成分、尺寸、数量和形态,从而改善轴承钢的性能4-5。镁对氧和硫的亲和力十分强,镁处理不仅有利于小尺寸夹杂物的形成,还有利于降低钢中总氧含量。大量的研究证明6-9,镁处理会将簇状的氧化铝、钙铝酸盐以及硫化锰夹杂物改性为镁铝尖晶石夹杂物和硫化镁夹杂物,从而达到改善夹杂物尺寸和形状的效果。Z HANG Q和S HE NP等1 0-1 1对镁处理改性夹杂物机理的研究表明,氧化夹杂物的改性顺序一般为A l2O3M g A l2O4M g O,硫化物的改性顺序一般为M n SM g S,多数硫化物以氧化夹杂物作为核心形成复合夹杂物1 2-1 4。J I ANGZH和XU YT等对镁处理钢的凝固组织进行分析,可知镁处理钢中形成的大量小尺寸夹杂物(镁铝尖晶石)与高温铁素体之间的形核错配度往往较小,一般会成为高温铁素体的形核中心,加速柱状晶向等轴晶的转变过程,促进等轴晶的形成,降低二次枝晶间距,细化凝固组织1 5-1 9。小尺寸夹杂物或析出相在钢的奥氏体化过程中能够作为钉扎粒子钉扎晶界,阻碍奥氏体晶粒的长大2 0-2 4,并且在冷却过程中也会作为形核粒子促进针状铁素体的形成2 5-3 0,从而提升钢的性能。本文通过向G C r 1 5轴承钢中添加不同含量的镁,研究了镁含量对夹杂物形貌、尺寸、成分和数量的影响,分析了镁含量、奥氏体化温度以及奥氏体时间对奥氏体晶粒尺寸的影响,得出了不同镁含量对轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的变化规律,从而得到合适的镁添加量。1 试验方法本试验采用国内某厂生产的G C r 1 5轴承钢铸坯(铸坯成分(质量分数)为0.9 9%C、0.2 3%S i、0.3%M n、1.4 7%C r、0.0 1 3%T A l(总铝)、0.0 0 02%T C a(总钙),0.0 0 4%S)进行镁处理试验,将6 0 0gG C r 1 5轴承钢样品置入氧化镁坩埚中进行熔炼。试验设备采用S i M o2电阻炉,将炉内温度升高至16 0 0 并保温3 0m i n待至钢样熔化。钢样熔化后添加适量的硅镁合金并搅拌均匀,保温5m i n后取样并立刻水冷,然后断电炉冷至12 0 0 之后,将氧化镁坩埚拿出空冷至室温,试验过程始终通入氩气保护。试验流程如图1所示。图1 试验流程示意F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n tp r o c e d u r e s在距离铸锭底部2 0mm横截面处半径一半位置切取1 0mm1 0mm的样品,制备获得夹杂物分析样品和热 处 理 样 品。热 处 理 制 度 如 图2所示。在距离铸锭底部1 5 mm处横向 切取5 mm圆棒用来测量氧氮含量。氧氮含量以及钢中镁含量测量结果见表1。利用S EM-E D S选取1 5mm2的扫描面积,扫描尺寸大于1m的夹杂物,对样品的夹杂物进行成分、数量和尺寸的分析和统计,并431第7期尉 政,等:镁对G C r 1 5轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响观察夹杂物形貌。将经过奥氏体化的样品在2 0m L苦味酸+1m L盐酸+12g洗洁精(含有十二基苯磺酸钠)的混合溶液中进行水浴保温,水浴温度为6 0。并在光学显微镜Z e i s sA x i o s c o p e5下观察奥氏体组织,通过I m a g eJ测量得到了奥氏体晶粒尺寸。(a)不同保温时间;(b)不同温度图2 热处理过程温度变化F i g.2 T e m p e r a t u r eh i s t o r yd u r i n gh e a t t r e a t m e n t表1 镁处理轴承钢中总氮、总氧及总镁含量(质量分数)T a b l e1 C o n t e n t o fT N,T Oa n dTM g i nm a g n e s i u m-t r e a db e a r i n g s t e e l%样品T NT OTM g10.0 0 290.0 0 100.0 0 0220.0 0 300.0 0 320.0 0 0430.0 0 320.0 0 290.0 0 1240.0 0 400.0 0 320.0 0 2550.0 0 420.0 0 220.0 0 382 镁含量对轴承钢中夹杂物的影响2.1 镁含量对轴承钢中夹杂物成分、尺寸、数量及形貌的影响图3所示为轴承钢中夹杂物分析结果。未经过镁处理时,样品1中夹杂物的质量分数为6 2.9 3%A l2O3、2.9 5%M g O、6.2 6%C a O、1.1 6%C a S以及极少量的M n S夹杂物。经过镁处理后,样品中夹杂物 含有M g S成分,并且C a S含量也逐渐增加。样(a)平均成分;(b)尺寸分布;(c)数密度和面积分数;(d)最大尺寸和平均尺寸图3 镁含量对夹杂物特征的影响F i g.3 E f f e c t o fTM gc o n t e n t o nc h a r a c t e r so f i n c l u s i o n s531钢 铁第5 8卷品3中的夹杂物主要为M g A l2O4夹杂物,此时夹杂物质量分数为4 2.8 3%A l2O3、2 1.9 4%M g O、0.0 6%C a O、5.5 1%C a S和2.7 3%M g S。总镁质量分数为0.0 0 38%时,钢中夹杂物主要为M g O夹杂物,此时夹杂 物 质 量 分 数 为0.0 3%A l2O3、6 6.1%M g O、1.7 3%C a S和1 4.2 7%M g S。随着总镁质量分数从0.0 0 02%增加至0.0 0 38%,镁处理后夹杂物中的C a S质量分数和M g S质量分数分别从1.1 6%和0增加到1.7 3%和1 4.2 7%。夹杂物中的C a O在凝固过程中转变为C a S。从夹杂物的尺寸分布来看,样品1和样品2中夹杂物尺寸在2 5m区间占比较多,1 2m夹杂物占比较少,而样品3、样品4和样品4中1 2m夹杂物占比相对较多,其中样品3中12m夹杂物约占所有尺寸夹杂物的3 0%,而样品5中12m夹杂物约占所有尺寸夹杂物的6 0%。当总镁质量分数为0.0 0 38%时,轴承钢中夹杂物平均尺寸最小,为2.0 2m,这可能与钢中总氧(T O)含量较低有关。从夹杂物数密度和面积分数变化可知,总镁质量分数为0.0 0 04%时,部分C a-A l-O夹杂物和A l2O3夹杂物转变为C a-A l-M g-O夹杂物,这可能是夹杂物数密度降低的原因。当总镁质量分数为0.0 0 38%时,M g O夹杂物开始大量生成,夹杂物平均尺寸降低,并且这时夹杂物数密度和面积分数也并不高,原因是随着总氧质量分数降低,夹杂物平均尺寸减小。随着镁含量的增加,M g A l2O4和M g O夹杂物开始生成,夹杂物数密度和面积分数也在增加,夹杂物平均尺寸降低。图4所示为不同镁含量轴承钢中夹杂物形貌。样品1中夹杂物主要为呈球形的C a-A l-O夹杂物和少量的多边形M g A l2O4夹杂物。样品2中的夹杂物主要为C a-A l-M g-O复合夹杂物,这类夹杂物与C a-A l-O夹杂物形状相似,均为球状。样品3中夹杂物主要为多边形的M g A l2O4夹杂物,并且也有类球状M g O夹杂物的生成,这些夹杂物通常被C a S夹杂物所包裹形成复合夹杂物。样品4和样品5中夹杂物主要以M g O夹杂物为主,这时大部分M g O夹杂物表现为球状,少部分为多边形状。(a)0.0 0 02%;(b)0.0 0 04%;(c)0.0 0 12%;(d)0.0 0 25%;(e)0.0 0 38%图4 不同总镁质量分数轴承钢中典型夹杂物F i g.4 T y p i c a l i n c l u s i o n s i nb e a r i n g s t e e lw i t hd i f f e r e n tm a s sp e r c e n t o fTM g2.2 热力学分析镁含量对夹杂物和碳化物的影响采用F a c t s a g e 7.1热力学软件计算了高温下镁处理轴承钢中夹杂物析出含量,结果如图5所示。当总镁质量分数小于0.0 0 01 3 6%时,轴承钢中夹杂物主要为A l2O3和C A6(C a O6 A l2O3)。当总镁质量分数大于0.0 0 01 3 6%时,C a2M g2A l2 8O4 6夹杂物开始析出,此时随着镁含量的增加,A l2O3和C A6夹杂物含量降低,C a2M g2A l2 8O4 6夹杂物含量增加。总631第7期尉 政,等:镁对G C r 1 5轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响镁质量分数增加至0.0 0 03 3 8%时,M g A l2O4夹杂物开始析出,C a M g2A l1 6O2 7夹杂物含量开始降低。总镁质量分数为0.0 0 38%时,M g A l2O4夹杂物基本消失,此时夹杂物主要为M g O夹杂物。当总镁质量分数为0.0 0 5%时,C a S夹杂物开始析出。不同镁含量下的夹杂物与S EM分析结果基本一致。值得注意的是,总镁质量分数为0.0 0 12%时,试验检测到的 夹 杂 物 主 要 为M g A l2O4夹 杂 物,部 分 为M g O夹杂物,其余夹杂物成分与试验结果一致,但是在热力学计算结果中并未有M g O夹杂物的生成,这可能是实际氧含量与计算氧含量的差异导致的。(a)液态钢中夹杂物质量分数的变化;(b)夹杂物成分质量分数的变化图5 镁含量对轴承钢中夹杂物成分的影响热力学计算结果F i g.5 T h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no ne f f e c t o fTM gc o n t e n t o n i n c l u s i o nc o m p o s i t i o n s i nb e a r i n g s t e e l 图6所示为不同温度下轴承钢中夹杂物随镁含量转变的热力学计算结果。样品1初始(15 0 016 0 0)夹杂物为C A2(C a O2 A l2O3)和M g A l2O4。随着温度降低至15 0 0以下时,C A2、M g A l2O4质量分数略有上升,C A(C a OA l2O3)开始析出。当温度降低至13 9 6.9 时,C a M g2A l1 6O2 7开始析出,M g A l2O4夹杂物质量分数下降。当温度低于11 8 0时,氧化夹杂物转变基本达到平衡,夹杂物主要为C a M g2A l1 6O2 7、M g A l2O4和C a S。值得注意的是,样品2没有发生夹杂物的转变,这可能是由氧含量较高引起的。当温度低于14 0 0 时,夹杂物含量达到稳定,C a M g2A l1 6O2 7夹杂物的质量分数约为731钢 铁第5 8卷(a)0.0 0 02%;(b)0.0 0 04%;(c)0.0 0 12%;(d)0.0 0 25%;(e)0.0 0 38%图6 不同温度下不同镁含量轴承钢夹杂物的转变F i g.6 T r a n s f o r m a t i o no f i n c l u s i o n s i nb e a r i n g s t e e lw i t hd i f f e r e n tm a g n e s i u mc o n t e n t sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s0.0 0 5%,M g A l2O4和A l2O3夹杂物的质量分数为0.0 0 1%。样品3初始(15 0 016 0 0)夹杂物为M g A l2O4和液态夹杂物,当温度低于固相线温度13 4 1.5以后,M g A l2O4夹杂物含量基本不会变化,温度低于10 8 8以后,M g S夹杂物开始析出,平衡时夹杂物主要为M g A l2O4、M g S、C a S和M n S。样品4初始(15 0 016 0 0)夹杂物主要为M g A l2O4和M g O,样品4与样品3夹杂物转变过程基本一致,平衡时M g S和M g A l2O4夹杂物含量略有增加。样品5初始夹杂物为M g O和C a S,温度低于固相线温度(13 4 8.7)以后,M g S和M g A l2O4夹杂物含量增 加,M g O含 量 降 低,平 衡 时 夹 杂 物 为M g S、M g A l2O4、C a S和M g O。夹杂物的转变过程与试验检测的夹杂物基本一致。不同温度下不同镁含量轴承钢中碳化物的含量变化如图7所示。总镁质量分数从0.0 0 02%增加至0.0 0 38%时,对钢中碳化物的析出量没有明显影响。温度高于6 2 0时,M3C碳化物开始析出。当温度高于9 5 0后,轴承钢中M3C碳化物含量逐渐降低,直至10 6 8 时M3C完全消失。M2 3C6的析出温度为10 5 0,此时大约生成质量分数为1%的M2 3C6。随着温度的升高,铁原子和碳原子发生再分配,晶界迁移能力增强,M3C碳化物发生溶解,对晶界的钉扎能力变弱,奥氏体晶粒迅速长大。但是镁处理过程中形成了大量的小尺寸夹杂物,在晶界迁移过程中起到钉扎晶界的作用,阻碍了奥氏体晶界的迁移,奥氏体晶粒在两者的共同作用下呈现出降低趋势。(a)M3C;(b)M2 3C6图7 不同温度下不同镁含量轴承钢中碳化物的转变F i g.7 T r a n s f o r m a t i o no f c a r b i d e s i nb e a r i n g s t e e lw i t hd i f f e r e n tm a g n e s i u mc o n t e n t sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s3 镁处理轴承钢中奥氏体晶粒的变化规律 3.1 镁含量对轴承钢奥氏体晶粒的影响图8所示为在10 0 0 保温3 0m i n后镁处理样品的奥氏体晶粒形貌。样品1、样品2和样品5的奥氏体晶粒尺寸较大,晶粒尺寸不均匀,部分区域显示出异常长大的晶粒。总镁质量分数为0.0 0 12%和0.0 0 25%的样品奥氏体晶粒比较均匀且尺寸较小。831第7期尉 政,等:镁对G C r 1 5轴承钢中夹杂物及奥氏体晶粒的影响(a)0.0 0 02%;(b)0.0 0 04%;(c)0.0 0 12%;(d)0.0 0 25%;(e)0.0 0 38%图8 10 0 0下保温3 0m i n后不同总镁质量分数的钢中奥氏体晶粒形貌F i g.8 M o r p h o l o g yo fa u s t e n i t eg r a i n s i ns t e e lw i t hv a r i o u sm a s sp e r c e n t o fT.M ga f t e rh e a t i n ga t 10 0 0f o r3 0m i n 将观察到的奥氏体晶粒在I m a g eJ中测量晶粒尺寸,结果如图9所示。9 0 0时,各试样的晶粒尺寸变化并不大,平均晶粒尺寸为1 0 2 0m。当奥氏体化温度升高至9 5 0时,奥氏体晶粒开始长大,奥氏体晶界发生迁移。当温度为10 0 0时,样品4的晶粒尺寸最小,为1 6.7m,样品5的晶粒尺寸为2 1.9m,晶粒尺寸略有增加。随着奥氏体化温度从9 0 0升高至10 5 0,样品3和样品4的奥氏体晶粒尺寸增加趋势缓慢。由二维错配度3 1计算结果可知,M g A l2O4和M g O夹杂物与奥氏体之间的错配度分别为1 6.5 6%和1 1.3 6%,形成的含镁夹杂物并非是奥氏体的有效形核质点,因此可以认为小尺寸的夹杂物在奥氏体化过程中主要是起到钉扎作用,阻碍了奥氏体晶界的迁移。由于试验中观察到样品1、样品2和样品5等温淬火后晶粒尺寸增加趋势更加明显,说明此时夹杂物的钉扎作用较小,并且样品1、样品2和样品5中M g A l2O4夹杂物含量降低,因此推测钉扎晶界主要为小尺寸的M g A l2O4夹杂物。(a)奥氏体化温度;(b)奥氏体化时间图9 奥氏体化温度和奥氏体化时间对奥氏体晶粒尺寸的影响F i g.9 E f f e c t o fA u s t e n i t i z i n g t e m p e r a t u r ea n dA u s t e n i t i z i n g t i m eo na u s t e n i t eg r a i ns i z e3.2 镁处理轴承钢的奥氏体晶粒长大行为奥氏体晶粒的生长动力学可以通过B e c k模型3 2进行预测,见式(1)。而晶粒的长大与奥氏体化过程中的热活化原子的迁移过程有关,A r r h e n i u s将奥氏体化条件与晶粒尺寸的关系表示为式(2)。由式(1)可得l nD与l nt的关系,所得拟合曲线的斜率即为参数n。拟合曲线如图1 0所示。所得参数见表2。D=k tn(1)D=k0e x p-Q/(R T)tn(2)式中:D为奥氏体晶粒平均尺寸,m;k为晶粒生长速率常数;n为晶粒生长指数;t为奥氏体化时间,s;k0为常量;Q为晶粒生长活化能,J/m o l;R为气体常数,为8.3 1 4J/(m o lK);T为 奥 氏 体 化 温度,K。由式(2)可得l nD与1/T的函数关系,如图1 1所示,通过函数关系可以求解得到未知参数k0和Q,见表3。再将所得参数代入式(2),可以获得A r r h e-931钢 铁第5 8卷图1 0 平均晶粒尺寸与奥氏体化时间的关系F i g.1 0 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g eg r a i ns i z ea n da u s t e n i t i z i n g t i m e表2 B e c k模型拟合参数T a b l e2 F i t t e dp a r a m e t e r so fB e c km o d e l样品nk10.4 21.3 920.1 21 3.7 630.2 14.1 040.3 90.9 350.5 60.3 3图1 1 平均晶粒尺寸与奥氏体化温度的关系F i g.1 1 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g eg r a i ns i z ea n da u s t e n i t i z i n g t e m p e r a t u r e表3 A r r h e n i u s模型拟合参数T a b l e3 F i t t e dp a r a m e t e r so fA r r h e n i u sm o d e l样品k0Q/(Jm o l-1)19 70 6 8.3 21 1 38 6 6.3 321 81 4 2.2 77 60 0 7.8 531 5 6.4 83 57 0 1.8 041.2 818 8 7.3 9562 7 0.2 91 0 22 2 8.8 6n i u s模型的预测值。图1 2所示为A r r h e n i u s模型的预测值与实际测量值的比较结果,预测值与测量值的平均相对误差小于1 0.3%,这说明A r r h e n i u s模型能够较为精准地预测晶粒的长大过程。图1 2 实际测量晶粒尺寸与A r r h e n i u s模型的预测值的对比F i g.1 2 C o m p a r i s o no fm e a s u r e dg r a i ns i z ea n dp r e d i c t e dv a l u e sb yA r r h e n i u sm o d e l3.3 镁处理轴承钢奥氏体晶粒钉扎机理由Z E N E RC3 3钉扎作用关系可知,晶粒的大小与钉扎粒子的尺寸呈正比关系,与钉扎粒子的体积分数呈反比,钉扎力的计算方法见式(3)。对于晶粒长大的驱动力可以采用G L A DMANT模型进行解释3 4,G L A DMANT模型引入了最大晶粒与平均晶粒的比值,能够较好地解释晶粒尺寸差异如何导致驱动力不同,计算公式可以表示为式(4)。晶粒迁移速度可以用净驱动力表示,其计算公式3 5见式(5)。通过式(2)可以得到晶界迁移速度为晶粒尺寸对时间的导数,即式(6)。FP=6/r(3)Fd=(3/2-2/Z)/D(4)v=M(Fd-FP)(5)v=n k0e x p-Q/(R T)tn-1(6)式中:FP为钉扎力,k P a;为钉扎粒子的体积分数,%;为奥氏体晶界能,J/m2,10 0 0时晶界能为1.0 1 25J/m2;r为钉扎粒子的半径,m;Fd