摘 要:为满足加工工艺的要求,对轴承套圈锻坯进行了球化退火处理。对球化退火后轴承套 圈锻坯表层的显微组织进行分析。结果表明:如果炉气碳势控制不当,在锻坯表面会形成脱碳层; 随着炉气碳势逐渐降低,对应生成不同的球化组织,二者之间的对应关系符合扩散定律菲克方程的 误差解;结合Fe-Cr-C三元相图,不同炉气碳势会导致碳含量不同;绘制了碳浓度曲线,表层组织的 转变符合该曲线的变化规律。

关键词:轴承套圈;碳浓度曲线;球化退火;炉气碳势;脱碳

中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)07-0071-04

轴承套圈易在锻造、球化退火和淬火时发生脱 碳,脱碳超标会降低轴承的质量,缩短轴承的服役寿 命。国内颁布了 GB/T18254—2016《高碳铬轴承 钢》和GB/T224—2019《钢的脱碳层深度测定法》 等标准,对脱碳进行规范,以保证套圈锻坯加工和热 处理合规生产。

对Fe-C-Cr三元相图在热力学平衡状态下,脱碳 过程中碳原子在各相之间的扩散行为进行研究,发现 工件表层中碳原子扩散的实际动力学过程与其热力 学平衡条件下的转变有一定差距[1],综合各相之间的 碳原子分配过程,绘制了由心部到表面的碳浓度曲 线。根据该碳浓度曲线,笔者对轴承脱碳层的形成和 迁移行为进行研究,分析了轴承表层显微组织形貌的 特点,以期为提高轴承的质量提供理论基础。

1 脱碳机制

1.1 脱碳层中碳浓度曲线

脱碳现象是由扩散机理主导的碳原子迁移过程。根据 GB/T224—2019,脱碳层中碳浓度曲线 如图1所示[2],由该曲线可以计算脱碳层的深度。 由图1可知:有效脱碳层深度d2 是最核心的技术指 标,总脱碳层深度d4 由完全脱碳层深度d1 和部分 脱碳层深度d3 相加而成;a值为标准中规定的最小 碳含量(质量分数,下同),b值为基体的碳含量。

GCr15高碳铬轴承钢在进行热处理操作时,炉 气碳含量(b 值)的控制范围为0.95%~1.05%;实 际技术要求a 值应为基体碳含量的下限与允许误 差值之和,该值为球化退火和淬火操作时炉气碳含 量的最小值,因此在进行轴承锻坯球化退火操作时, 炉气的碳含量应控制在a~b。

当碳含量低于a 值时,工件会发生一定程度的 脱碳,工件表面的碳含量沿着碳浓度曲线降低为0, 相当于在大气中加热,因此该浓度曲线描述了在大 气环境中加热发生脱碳时,从工件表面到材料公称 碳含量处的碳浓度变化。载气、富化气等各种原料 气中均含有一定的水汽、残氧和二氧化碳,气态系统 中低浓度氧化组分具有很高的化学活性,表面发生 薄层脱碳,富化气发生化学反应,从而消解了氧化气 氛的脱碳作用,可以很快建立适当的碳势,因此在技 术上规定了轴承钢工件的球化退火脱碳层厚度允 许值。

1.2 轴承套圈锻坯在球化退火时的脱碳过程

在Cr元素质量分数为1.6%的垂直截面富铁端 Fe-C-Cr三元相图的基础上[3],以球化退火温度 795℃为横坐标的原点、以碳含量1.0%为纵坐标的 原点建立一个新坐标系,以表示在球化退火时工件 的脱碳过程(见图2)。由图2可知:球化退火开始 时,碳势与工件基体碳含量均为1.0%,界面无碳原 子浓度差,碳原子不发生迁移或扩散,工件不发生脱 碳或增碳;当碳势降低、工件基体碳含量大于碳势时,发生碳原子迁移,方向为由内到外,表面碳含量 降低,其值与炉气碳势有关;随着碳原子的扩散和逸 出,工件内部碳含量逐渐降低,形成了碳浓度梯度, 工件表面碳含量曲线左移,直到相图纵坐标对应的 温度与工件表层的温度重合,在工件表层形成完整 的碳含量曲线。

2 球化退火后的显微组织

2.1 准备组织

图3 球化退火前准备组织的微观形貌 锻坯冷却过程对后续球化组织的影响很大,要 求冷却速率适当,使其发生伪共析转变,抑制二次渗 碳体析出,以保证球化退火后锻坯获得粒径均匀、弥 散分布的碳化物,以及圆度良好、二次渗碳体级别合 格的球化组织[见图3a)];若正火工艺不当,会产生 网状或断续网状的二次渗碳体,并遗留在球化组织 中,降低切削加工效率,从而降低球化、淬火组织的质量,形成网状碳化物[见图3b)]。

2.2 正常组织

常用的球化退火工艺是常规球化退火和等温球 化退火。常规球化退火是将钢加热至795℃,然后 保温适当的时间,并随炉缓慢冷却至500℃,随后出 炉空冷。等温球化退火是在保护气氛中加热保温至 795℃,然后随炉快速冷却至680~700℃等温,等 温时间是加热保温时间的1.5倍,然后随炉冷却至 500℃,出炉空冷。和普通球化退火相比,等温球化 退火获得的球化组织更均匀,锻坯硬度的散差更小。

将炉气碳势控制在图1的a~b范围内可以获 得正常的球化组织(见图4)。由图4可知:正常的 球化组织中碳化物的粒径分布窄、分布弥散均匀、形 状圆度值高,残余网状碳化物等级和脱碳层深度符 合技术要求。

2.3 球化不足

在球化退火过程中,碳含量超过其允许误差范 围、球化温度偏低、球化时间偏短等操作会造成锻坯 的组织产生球化不足缺陷(见图5)。由图5可知: 当锻坯球化不足时,表层碳化物较少,心部正常组织 周围有少量片状珠光体残留。

3 表面脱碳

3.1 表面部分脱碳

锻坯退火炉气碳势偏低,会导致锻坯表层脱碳, 包括全脱碳或部分脱碳,进而造成锻坯淬火硬度不足或淬火软点。表面部分脱碳的过程为:碳势持续降 低,奥氏体含量较高,因扩散动力学滞后,表层碳化物 的溶解时间较短,会有残余碳化物产生;在随后的冷 却过程中,溶解在奥氏体中的碳元素以残余碳化物为 核心析出、长大,因形核数量较少,最终球状碳化物数 量较少,形成了碳化物球稀[见图6a)]。

炉气碳势继续降低,导致碳含量同步降低至 0.65%,表层碳化物全部溶解,在随后的冷却过程 中,固溶在奥氏体中的碳元素失去析出核心,冷却到 共析温度区间,发生共析或伪共析转变,表层形成片 状珠光体[见图6b)]。

碳含量降低至0.5%时,表层会出现碳化物球 稀和片状珠光体的混生组织[见图6c)],说明球化 时奥氏体基体上的残留碳化物很少,在含有残留碳 化物的奥氏体中,碳原子能够以残留碳化物为核心 析出,而在碳化物完全溶解的奥氏体中,发生了共析 转变,析出了珠光体。

当球化退火炉气碳势降低,碳含量小于0.5% 时,锻坯表面脱碳层的组织为仿晶界铁素体+碳化 物球稀+少量片状珠光体,处于奥氏体+铁素体二 相区,冷却时析出仿晶界先共析铁素体+碳化物球 稀+极少量片状珠光体[见图6d)]。

3.2 表面全脱碳

球化脱碳过程为:表层中的残余碳化物全部溶解, 奥氏体基体碳原子向外扩散,最终碳原子逸出,表面氧 化生成CO2,并进入炉气。当碳含量降低至0,表面全 脱碳时,锻坯表面生成白色铁素体脱碳层(见图7)。

锻坯表面全脱碳的原因是球化退火炉气碳势失 控,炉膛漏气导致空气进入炉膛,碳势降到0,工件 表面碳元素发生剧烈氧化反应,表层中碳浓度曲线 的斜率较大,碳原子的扩散速率较快,表层形成了全 铁素体层。

全脱碳表面的显微组织由外到内分别为全铁素 体层、仿晶界铁素体+碳化物球稀+少量片状珠光 体的薄层、碳化物球稀+少量片状珠光体的薄层、碳 化物球稀层、正常球化组织。

4 结论

研究了轴承套圈锻坯球化退火后全脱碳表层的 碳含量的变化,并分析了脱碳层中的碳浓度曲线,发 现退火时炉气碳势逐渐降低,对应生成了不同球化 组织,二者之间的对应关系符合扩散定律菲克方程 的误差解。

结合球化退火材料表层脱碳层中碳浓度曲线和 Fe-C-Cr三元相图,可以说明碳势不同导致表面碳 含量不同,并形成相应的碳浓度曲线,表层显微组织 的转变符合该曲线的变化规律。

参考文献:

[1] 胡伟勇,王峰,黄涛,等.GCr15钢轴承套圈表面脱碳 层形成机理[J].理化检验(物理分册),2021,57(10): 6-11.

[2] 康大韬.物理冶金学原理习题集[M].北京:机械工业 出版社,1981.

[3] 胡伟勇,王峰,黄涛,等.GCr15轴承钢的碳化物不均 匀性缺陷[J].理化检验(物理分册),2022,58(11): 15-18.

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 7期 (pp:71-74)>