Page 58 - 理化检验-物理分册2018第四期

胡伟勇, 等: GCr１５ 钢轴承套圈球化退火表层脱碳分析

低, 这对工件的服役性能和服役寿命均会产生较大
的影响.
图 ４ 示意说明了 GCr１５ 轴承钢球化退火时的
表层脱碳过程, 其共析转变温度 A １ 为 ７６０ ℃ , 碳在
奥氏体中的溶解度温度 A cm 为 ９００ ℃ .根据轴承钢
碳含量为 ０．９５％~１．０５％ , 轴承套圈的球化退火温
度设定为 ７９５ ℃ , 即加热至图 ４ 中 A 点保温进行球
化退火处理.片状珠光体球化的驱动力来自渗碳体
球化使表面积降低从而使表面能降低, 因为球化退
火前后渗碳体的体积不变, 在体积恒定的前提下, 以
球体的表面积为最小, 因此片状渗碳体球化是一个
热力学自发过程.室温下晶格中的原子扩散能力不
够, 片状渗碳体以亚稳态存在, 当加热到设定球化温
度后, 晶格原子振动频率和振幅加大, 能够摆脱晶格
势垒的约束进行扩散, 发生球化所需的渗碳体相晶
格原子的溶解和重构.虽然片状渗碳体的球化过程
是一个热力学自发过程, 但如果仅仅依靠表面能差
图 ２ 轴承套圈表层部分脱碳形貌
Fi g 敭２ Mor p holo gy oflocaldecarburizationofbearin g rin g surface 值来驱动, 其球化驱动力较小, 所以是一个比较耗时
a atlowma g nification b athi g hma g nification 的工艺过程.当片状珠光体在加热到奥氏体中开始
析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变温度
A c１ ７６０ ℃ ) 以上温度时, 首先发生铁素体向奥氏体
(
的转变.与铁素体相比, 奥氏体的溶碳能力要大得
多, 加大了碳元素溶入基体的速度和数量, 明显促进
了碳原子的迁移过程, 有利于球化的进行; 在球化温
度７９５℃ 下保温时, 渗碳体首先开始局部溶解( 主要
在渗碳体相的亚晶界露头处), 使片状渗碳体断开成
为若干断续分布的片状渗碳体, 碳原子溶入奥氏体
图 ３ 轴承套圈表层略有脱碳形貌
Fi g 敭３ Mor p holo gy ofsli g htdecarburizationofbearin g rin g surface 基体, 通过奥氏体扩散迁移到片状渗碳体曲率较小
处沉积, 实现球化; 同时由于在二相区保温, 材料处
２ 表层脱碳机理

轴承钢发生脱碳时, 一方面表层一定厚度的体
积内碳元素通过界面反应氧化成气态 CO 逸出材
料, 该反应速度由炉气碳势所控制; 另一方面随着脱
碳的进行, 轴承钢表面碳原子含量不断降低, 在表层

形成碳含量梯度, 此过程由碳原子扩散速度所控制.
从化学反应角度上分析, 球化退火温度下铁元素和
碳元素均发生氧化, 但是前者的反应产物生成较致
密的氧化铁膜阻止铁元素的进一步氧化, 而碳的氧
化为碳原子被氧化生成 CO 逸出表面, 导致表层碳
含量降低, 因碳元素是钢的基础强化元素, 金属学中
特别以脱碳来表达钢材表面的碳元素氧化过程, 以 图 ４ GCr１５ 钢球化退火表层脱碳过程示意图
Fi g 敭４ Schematicdia g ramofsurfacedecarburization
示与铁元素以及其他合金元素的氧化过程相区别.
p rocessofGCr１５steel
脱碳导致钢材表层显微组织发生变化, 强度指标降
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