热加工过程中M50轴承钢一次碳化物的形成与演化

针对M50轴承套圈生产过程中的真空感应熔炼、真空自耗重熔、锻造、轧制、辗环五个环节,利用OM、SEM、EDS及X射线三维成像技术分析了一次碳化物在整个生产流程中的演化。结果表明:真空感应熔炼后粗大的一次碳化物M2C和MC沿晶间呈网状析出,真空自耗重熔可减少一次碳化物的析出,自耗锭边缘处析出的一次碳化物尺寸较小,体积分数最少,为2.614%。锻造过程中网状一次碳化物被部分破碎,轧制和辗环可进一步破碎一次碳化物并使其沿加工流线分布,但并不能完全改变一次碳化物分布不均匀的情况。热变形在破碎细化碳化物的同时也会在一次碳化物内部及周围形成孔洞。

M50轴承钢表面渗硼处理的生长动力学与力学性能分析

采用固体渗硼的方法,将试样在850、950和1050℃条件下分别保温处理2、4、6和8 h,对制备的渗层进行组织观察与性能测试。对M50轴承钢渗硼处理的生长动力学与力学性能进行分析。结果表明,渗硼层具有光滑致密的形貌;渗层的相成分主要是FeB、Fe_2B与Mo_2B;渗层的硬度为400~1630 HV;根据处理温度与保温时间的不同,渗层的厚度变化为6~140μm。通过Arrhenius公式,对渗层生长动力学方程进行了推导,渗层的扩散激活能为282.64 k J/mol。

冷轧变形对M50轴承钢回火组织和力学性能的影响

对M50轴承钢进行40%冷轧变形以及淬回火热处理试验,通过热膨胀(DIL)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)分析冷轧变形对回火组织演变的影响。结果表明:40%冷变形量试样相较于未变形试样,回火马氏体中固溶有更多的碳原子,同时马氏体基体上弥散分布着更多的粒状碳化物,证明试样经过冷变形后,在回火过程中会析出更多的合金碳化物。相较于未变形试样,经过40%冷变形的试样的硬度由63.3 HRC提升至64.8 HRC,冲击吸收功提高了23.2%,抗拉强度提高了4.6%。强度的提高主要归因于更多析出的碳化物对位错的阻碍有利于组织保留高位错密度,导致拉伸过程中位错滑移阻力增大。

M50轴承钢旋弯断口分析

采用扫描电镜和旋弯疲劳试验机等设备对经双真空熔炼后M50轴承钢的疲劳寿命和旋弯断口形貌进行分析。结果表明,S-N曲线分为两个阶段且旋弯应力分布较为集中。起裂模式为次表面单个碳化物起裂、次表面聚集碳化物起裂、表面起裂三种方式。

M50轴承钢热变形过程中孔洞形成及演化机制

M50轴承钢广泛应用于航空发动机主轴轴承的制造,轴承钢热加工产生的孔洞极易作为疲劳裂纹的萌生源导致轴承的疲劳破坏。本工作通过热模拟实验和OM、SEM、EBSD、原位扫描等方法系统研究了不同应变速率(0.001~1 s^(-1))、变形温度(1000~1150℃)和应变(10%~50%)对M50轴承钢内部孔洞产生行为的影响,以及后续保温处理过程中孔洞的愈合机制。结果表明,轴承钢内部一次碳化物M2C和MC与基体硬度的差异导致非协调变形,从而在碳化物与基体交界处产生孔洞,此外碳化物的破碎也会促使孔洞在其内部形成。通过对不同条件下孔洞的产生情况进行定量分析发现,在高应变速率(1 s^(-1))、低变形温度(1000℃)、中等变形量(30%)的条件下,M50轴承钢内部产生的孔洞最多。变形后的保温处理可显著促进孔洞的愈合,其中保温处理后孔洞愈合区域富集Cr元素。

声学法评定M50NiL/M50轴承钢的弹性模量

根据固体中的弹性波理论,通过测量M50NiL及M50钢中超声横波、纵波声速及材料密度,评定了M50NiL钢退火、淬火和回火态及M50钢回火态的杨氏模量及泊松比。结果表明,M50NiL钢退火、淬火和回火态的杨氏模量差别很小,泊松比几乎相同;M50钢回火态比M50NiL钢回火态的杨氏模量大2.3%。声学法测得M50NiL钢回火态的杨氏模量与拉伸试验测定值及文献中的参考值相近,表明声学法评估材料弹性模量的方法可行。

基于损伤力学的轴承钢旋弯疲劳寿命预测

基于连续损伤力学理论,提出了考虑真空化学热处理工艺影响的疲劳损伤模型及数值计算方法,研究了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳损伤分析及寿命预测方法。给出了本构模型、疲劳损伤演化方程和理论模型中的材料参数标定方法,基于ABAQUS平台,通过编写UMAT子程序,实现了基于硬化层影响的疲劳损伤分析的损伤力学-有限元数值计算方法;对淬火回火、渗碳及碳氮复渗2种真空化学热处理的M50NiL轴承钢,开展了旋弯疲劳试验,分析了热处理工艺对疲劳性能的影响;基于提出的疲劳损伤模型及数值计算方法,预测了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳寿命,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的适用性。

数控机床轴承钢M50NiL表面处理及性能研究

采用多弧离子镀的方法在轴承钢表面沉积了Ti N涂层,研究了偏压和弧流对轴承钢表面涂层物相组成、显微硬度、硬度和结合力的影响。结果表明,不同偏压和弧流作用下,轴承钢表面涂层的物相都主要由Ti N相、Ti相和马氏体(M)相组成,偏压和弧流的变化会改变物相的相对含量,但是物相组成不发生改变;偏压和弧流的变化会影响涂层表面白色颗粒以及显微凹坑的数量和大小;轴承钢M50Ni L适宜的离子镀偏压和弧流分别为250 V和65 A,此时涂层具有最高的硬度和结合力。

热压缩参数对M50NiL轴承钢动态再结晶行为的影响

通过热压缩模拟试验研究了变形温度、变形量和应变速率对M50NiL轴承钢动态再结晶行为的影响。结果表明:变形温度低于900℃时,不会发生动态再结晶;温度升高到1 000℃时,再结晶进行得不充分,形成了混晶组织;当温度达到1 100℃时,动态再结晶完成充分,得到了细小均匀的等轴晶;温度升高到1 200℃时,晶粒有粗化的倾向;在变形温度为1 100℃和应变速率为10s^(-1)的条件下,随着变形量增加,动态再结晶形核率逐渐提高,当变形量增大到60%时,动态再结晶完成充分;在变形温度为1 100℃和变形量为60%的条件下,随着应变速率增大,动态再结晶形核率提高,当应变速率为20s^(-1)时,动态再结晶全部完成,得到细小、均匀分布的等轴晶。

高温轴承钢M50连续冷却转变曲线的测定与分析

利用膨胀法在DIL805A型淬火膨胀仪对高温轴承钢M50(/%:0.82C,4.25Cr,4.17Mo,1.03V)开展了临界点测定及冷却速度0.02~40℃/s的连续冷却转变试验,并绘制了静态CCT曲线,结合室温下的显微组织以及维氏硬度分析,系统研究了冷却速率及奥氏体化温度(1 000℃和1 120℃)对高温轴承钢M50组织转变以及静态CCT曲线的变化影响。结果表明:高温轴承钢M50的临界点不受奥氏体化温度影响,Ac_(1)与Accm温度分别为808℃和852℃;珠光体转变的临界冷速为0.05℃/s,奥氏体化温度的提高促进了马氏体转变起始温度的降低以及贝氏体转变区间在静态CCT曲线上的右移,并且显著提升了高温轴承钢M50在较低冷却速率条件下的室温硬度。

第二代航空轴承材料M50钢的研究现状与发展

目前,我国航空轴承主要用材是第二代轴承材料,其中应用较为广泛的是M50轴承钢。从性能来看,我国第二代轴承钢与国外尚存在较大差距。基于此,梳理近期第二代轴承钢M50的研究成果,以期为提高第二代轴承钢的使用寿命和力学性能提供参考。

M50NiL轴承钢淬回火组织特征及拉压疲劳裂纹的萌生

通过拉压疲劳试验及微观组织观察研究了M50NiL轴承钢淬回火组织特征及对疲劳裂纹萌生的影响作用。结果表明,试验钢的组织主要为板条马氏体,少量δ-铁素体及M_(2)C、MC碳化物;扫描电镜观察发现1070℃淬回火试样δ-铁素体及临近的聚集球状M_(2)C碳化物,δ-铁素体位于晶界处,尺寸主要为4~8μm,钢中碳化物尺寸最大为2.66μm;1100℃淬回火试样δ-铁素体相界存在大量片状的M_(2)C碳化物,尺寸在8μm以上的δ-铁素体数量增加,最大为17.51μm;1070℃淬回火试样的疲劳极限为713MPa,主要起裂源为Al_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)-CaO夹杂物,循环次数随夹杂物尺寸的增大而降低,且Al_(2)O_(3)-CaO夹杂更易引起试样的疲劳断裂;1100℃淬回火试样的疲劳极限为707MPa,主要起裂源为δ-铁素体组织缺陷,起裂源于8μm以上δ-铁素体的相界处,疲劳寿命受应力及δ-铁素体尺寸影响。

M50NiL轴承钢渗层碳化物特征与滑动磨损行为的研究

研究了M50NiL轴承钢在不同磨损时间和外加应力作用下的磨损行为和机制。结果表明:渗碳层组织为孪晶马氏体和近球状MC、M_(23)C_(6)和棒状M_(2)C型碳化物。外加应力对钢的磨损形式与形貌具有显著影响,钢的磨损形式为轻微粘着磨损和磨料磨损,摩擦因数较快保持稳定到0.02。延长磨损时间对钢的磨损性能与机制具有明显作用,磨损时间达到3万s,MC、M_(23)C_(6)、M_(2)C脱落,部分碳化物破碎形成磨料磨损。磨损时间与外加应力耦合作用显著影响钢的磨损性能与质量,磨损时间为3000 s,外加应力由0.306 MPa增至1.530 MPa,碳化物导致磨料磨损,磨损质量由0.25 mg增至0.38 mg;外加应力增至2.142 MPa,更多大尺寸碳化物脱落,导致钢的摩擦因数逐渐升高至0.037,磨损质量达到0.33 mg。

高纯稀土对M50钢液析碳化物的影响

研究了在M50钢液中添加La、Ce混合稀土和纯Ce稀土对碳化物析出的影响。结果表明,添加稀土不改变液析碳化物的成分和结构,但是使块状碳化物的尺寸和共晶碳化物的面积减小,高纯Ce稀土的效果更显著。实验和计算结果揭示了在M50钢液中添加稀土影响碳化物析出的机制:加入稀土能变质钢液中的夹杂物,使生成的富含稀土的夹杂物成为高温δ-铁素体和奥氏体的形核剂,促进了高温δ-铁素体和奥氏体的形核和减小二次枝晶臂,阻碍碳化物形成元素在液相中的扩散和碳化物长大。第一性原理分子动力学计算结果表明,残留的游离稀土元素Ce与钢液中的元素原子间的相互作用,能降低熔体中Fe、C的扩散系数和碳化物的生长速率并细化液析碳化物。

等离子体刻蚀前处理对碳基薄膜结合力的影响

目的通过等离子刻蚀处理使基体表面更洁净,从而提高薄膜与基体的结合力。方法采用阳极层离子源,通过不同的离子源功率和处理时间对M50轴承钢样品进行处理,并在处理过的样品表面制备钨掺杂类金刚石薄膜。利用原子力显微镜对等离子刻蚀处理前后的样品表面形貌进行研究,利用Raman光谱分析薄膜的微观结构,利用划痕仪对薄膜与基体的结合力进行研究。结果不同的离子源功率和刻蚀时间,得到了不同的基体微观表面粗糙度;钨掺杂类金钢石薄膜的D峰和G峰分别在1350 cm^(-1)附近和1580 cm^(-1)附近,为典型的类金刚石结构,ID/IG值在1.5左右;未经等离子刻蚀前处理样品的膜/基结合力是23 N;而优化等离子刻蚀前处理参数样品的膜/基结合力高达69 N,最佳的离子源功率和刻蚀时间为2 k W、60 min。结论等离子刻蚀前处理能够有效提高薄膜与基体的结合力。