摘 要:在溫度為550~900℃時(shí),對(duì) GCr15軸承鋼進(jìn)行退火,觀察其顯微組織變化,并進(jìn)行硬度 測(cè)試,對(duì)退火及脫碳轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行分析與討論。結(jié)果表明:在550 ℃退火時(shí),GCr15軸承鋼的組織 和熱軋狀態(tài)基本沒(méi)有變化;在600~750 ℃退火時(shí),隨著溫度的升高,細(xì)片狀珠光體的片層間距逐 漸增大,到 750 ℃ 時(shí)細(xì)片狀珠光體基本消失,主要為球化碳化物顆粒和長(zhǎng)條狀碳化物顆粒;在 760~800 ℃退火時(shí),隨著溫度的升高,組織逐漸趨向完全球化;在850~900 ℃退火時(shí),隨著溫度的 升高,粗片狀珠光體逐漸增加;在550~900 ℃退火時(shí),其硬度呈先下降后上升的趨勢(shì);在750~ 900 ℃退火時(shí),硬度均小于245HBW,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 

關(guān)鍵詞:軸承鋼;軟化退火;硬度;顯微組織 

中圖分類號(hào):TG161                                     文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                文章編號(hào):1001-4012(2022)08-0029-03

GCr15軸承鋼在熱軋(鍛)狀態(tài)時(shí)的硬度較高,其 布氏硬度一般不小于302HBW,在鋸切下料、切削加 工、冷壓力加工前,一般需對(duì)其進(jìn)行退火處理。GCr15 軸承鋼的退火分為軟化退火和球化退火。軟化退火 的目的主要是消除應(yīng)力、降低硬度,為下料提供便利; 而球化退火不但可以消除應(yīng)力、降低硬度,而且可以 為淬火提供準(zhǔn)備,減少材料的淬火變形和開(kāi)裂。

GB/T18254—2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, GCr15軸承鋼退火后的硬度為179~207HBW,為了 保證對(duì)其硬度的要求,無(wú)論軟化退火還是球化退火, 一般均需采用球化退火的工藝溫度進(jìn)行退火。退火 溫度一般控制在780~800 ℃。GB/T18254—2016 已將軟化退火和球化退火的硬度要求進(jìn)行了區(qū)分,軟 化退火的布氏硬度不大于245HBW,球化退火的布 氏硬度為179~207HBW。 

筆者采用不同的退火溫度對(duì) GCr15軸承鋼進(jìn) 行熱處理,探索出了比球化退火工藝更為有效的軟 化退火工藝。 

1 試驗(yàn)方法 

GCr15軸承鋼生產(chǎn)工藝為:70t電爐→LF(鋼包精 煉爐)+RH(真空循環(huán)脫氣精煉爐)精煉→連鑄方坯→ 機(jī)組成材。成材過(guò)程采用控軋控冷工藝,控制鋼材碳 化物網(wǎng)狀分布。最終成材為圓柱狀,直徑為40mm。

GCr15軸 承 鋼 材 料 中 C 元 素 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.96%,Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%,Cr元素的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為1.45%,Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34%,P 元素的質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.01%,S 元 素 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.002%。其原始顯微組織為片狀珠光體+碳化物, 布氏硬度為343HBW。 

采用精密切割機(jī)將成材切割成15mm 厚的圓 柱試樣。采用箱式爐進(jìn)行熱處理試驗(yàn),主要熱處理 工藝為:分 別 在 550,600,650,700,730,740,750, 760,770,780,800,850,900 ℃下保溫,保溫時(shí)間均 為180min,再進(jìn)行退火,爐溫不大于300 ℃后取出 試樣,空冷至室溫。

試驗(yàn)結(jié)束后,制備試樣,采用 Quanta400F型掃 描電鏡(SEM)觀察其顯微組織形貌,采用全自動(dòng)布 氏硬度計(jì)對(duì)不同退火狀態(tài)試樣的硬度進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果 

2.1 退火溫度對(duì) GCr15軸承鋼顯微組織形貌的影響 

經(jīng)過(guò)不同溫度退火后,GCr15軸承鋼試樣的顯 微 組織形貌如圖1所示。從圖1a)可以看出:其熱軋狀態(tài)的顯微組織呈典型的細(xì)片狀,該組織以細(xì)片狀 珠光體為主,晶界含有少量的二次碳化物;圖1b)是 550 ℃退火時(shí)的顯微組織,可以看到組織和熱軋態(tài) 相 比 基 本 沒(méi) 有 差 異,主 要 是 細(xì) 片 狀 珠 光 體;從 圖1c)~1h)可以看出,隨著退火溫度的升高,片狀 珠光體的片層間距逐漸增大,直至消失,700 ℃退火 時(shí),片狀珠光體開(kāi)始球化,顯微組織為球化珠光體+ 片狀珠光體,750 ℃退火時(shí),明顯的片狀珠光體已經(jīng) 消失,顯微組織主要為球化碳化物顆粒和長(zhǎng)條狀碳 化物顆粒,碳化物已經(jīng)彌散在鐵素體基體上;從圖 1i)~1l)可以看出,760,770 ℃退火后的顯微組織類 似,主要為球化碳化物顆粒及極少量長(zhǎng)條狀碳化物 顆粒,780,800 ℃ 退火時(shí)組織已經(jīng)完全球化;從圖 1m)~1n)可以看出,850℃時(shí)退火組織以球化碳化 物為主,同時(shí)出現(xiàn)了粗片狀珠光體,900 ℃退火時(shí), 出現(xiàn)了大量粗片狀珠光體,同時(shí)伴有少量球化碳化 物顆粒。 

2.2 退火溫度對(duì) GCr15軸承鋼硬度的影響 

不同退火溫度與 GCr15軸承鋼硬度的關(guān)系曲 線如圖2所示。從圖2可以看出:在550℃退火時(shí), 硬度為340 HBW,與原始狀態(tài) GCr15軸承鋼的硬 度相比,基本沒(méi)有變化;在600~760℃退火時(shí),隨著 退火溫度的升高,硬度逐漸降低;在760~850 ℃退 火時(shí),不同的退火溫度對(duì)應(yīng)的硬度變化不大,硬度為 185~200HBW;當(dāng)退火溫度提高到900 ℃時(shí),硬度 升高到242HBW。

3 分析與討論 

退火是將鋼加熱至臨界點(diǎn) AC1 以上或以下的 溫度,保溫以后隨爐緩慢冷卻,以獲得近于平衡狀態(tài) 組織的熱處理工藝[1]。由于臨界點(diǎn)受成分、升溫速 率、冷卻速率等的影響,因此臨界點(diǎn)并不是固定值。 一般 GCr15 軸 承 鋼 臨 界 點(diǎn) AC1 的 溫 度 是 725~ 760 ℃,臨界點(diǎn)ACCm 的溫度是770~900 ℃ [2]。

當(dāng)溫度小于 AC1 溫度時(shí),屬于低溫退火,硬度 的降低主要取決于碳化物的形態(tài)及分布,即由片狀 珠光體向球狀珠光體、由細(xì)球狀珠光體向粗球狀珠 光體轉(zhuǎn)化。溫度越高,這種轉(zhuǎn)化越快也越完全,得到 的硬度越低。因此,在760℃以下時(shí),隨退火溫度的 升高,GCr15軸承鋼的硬度逐漸降低。

當(dāng)溫度略高于AC1 溫度時(shí),即在γ+Fe3C兩相 區(qū)加熱,由于奧氏體化溫度比較低,因此奧氏體的碳 含量是不均勻的,而且有未溶解的碳化物。在加熱 過(guò)程中,未溶解的碳化物會(huì)由片狀珠光體逐漸轉(zhuǎn)變 為球狀珠光體,而在隨后的緩冷及恒溫過(guò)程中,不均 勻奧氏體的高碳處會(huì)成為碳化物的形核位置,從而 使一部分碳化物直接長(zhǎng)成球狀,另一部分仍以片狀 成長(zhǎng)的碳化物則在隨后的緩冷或恒溫過(guò)程中逐漸球 化[3]。在760~850℃退火時(shí),不同的退火溫度對(duì)應(yīng) 的硬度變化不大,硬度為185~200HBW。 

當(dāng)溫度大于ACCm 溫度時(shí),開(kāi)始完全退火轉(zhuǎn)變, 此時(shí)碳化物溶解較充分,在隨后的緩冷過(guò)程中,由于 部分區(qū)域缺少核心碳化物,因此比較均勻的奧氏體 內(nèi)不得不重新產(chǎn)生核心而出現(xiàn)片狀珠光體。一般加 熱溫度越高,保溫時(shí)間越長(zhǎng),退火組織中也越會(huì)形成 粗片狀珠光體[4]。在900℃退火時(shí),硬度反而上升。 

當(dāng)溫度大于ACCm 溫度時(shí),緩冷退火,奧氏體有 網(wǎng)狀二次滲碳體析出,使鋼的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度 顯著降低[1],因此即使退火溫度大于850℃,硬度滿 足標(biāo)準(zhǔn)的要求,但生產(chǎn)實(shí)踐中仍不適用。 

脫碳的過(guò)程分為兩個(gè)階段:碳化物的氧化與擴(kuò) 散。鋼表面的碳元素發(fā)生氧化,碳含量降低,引起表 面和內(nèi)部碳含量有差異,促使碳元素從內(nèi)部向表面 擴(kuò)散。加熱溫度越高,原子熱運(yùn)動(dòng)就越劇烈,擴(kuò)散速 率就越大,脫碳的趨勢(shì)就越大[5]。在保證硬度滿足 標(biāo)準(zhǔn)的前提下,退火溫度越低越好。

4 結(jié)論

(1)在550 ℃退火時(shí),GCr15軸承鋼的組織與 熱軋狀態(tài)的組織相比基本沒(méi)有差異;在600~750℃ 退火時(shí),隨著退火溫度的升高,細(xì)片狀珠光體的片層 間距逐漸增大,到750 ℃時(shí),片層狀珠光體基本消 失,主要為球化碳化物顆粒和長(zhǎng)條狀碳化物顆粒;在 760~800 ℃退火時(shí),隨著溫度的升高,組織逐漸趨 向完全球化;在850~900 ℃退火時(shí),隨著溫度的升 高,粗片狀珠光體逐漸增加。

(2)在550~900 ℃退火時(shí),GCr15軸承鋼的硬 度呈先下降后上升的趨勢(shì);在760~850 ℃退火時(shí), 其硬度變化不大且較低,硬度為185~200HBW。

(3) 在 750~900 ℃ 退 火 時(shí),硬 度 均 小 于 245HBW,滿足 GB/T18254—2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軟化退 火材料的要求;選擇750 ℃左右保溫的軟化退火工 藝可使脫碳層最小。

參考文獻(xiàn): 

[1] 崔忠圻,覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工 業(yè)出版社,2007. 

[2] 鐘順?biāo)?王昌生.軸承鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2000. 

[3] 胡光立,謝希文.鋼的熱處理 原理和工藝[M].西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004. 

[4] 孫欽賀.高碳鉻軸承鋼制軸承零件球化退火組織缺陷 分析[J].金屬加工(熱加工),2018(6):78-80. [5] 曹安然.彈簧鋼防高溫氧化脫碳涂層的制備及性能研 究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

<文章來(lái)源  > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 8期 (pp:29-31)>