Page 59 - 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

于残余渗碳体和成分不均匀奥氏体状态.在随后冷 退火时炉气碳势对轴承套圈表层脱碳的影响.某公
却到 A １ 以下温度时, 奥氏体转变为铁素体的同时 司从事轴承套圈毛坯件生产, 把球化退火后的表面
排出过饱和的碳原子, 因为残余渗碳体表面曲率不 脱碳层深度作为产品质量控制的关键点之一, 认为
同, 渗碳体长大时曲率小的部位碳元素沉积得多、 曲 炉气碳势是影响轴承套圈脱碳的主要因素.
率大的部位沉积得少, 即倾向于以球体方式长大, 最 该公司轴承套圈毛坯由高速锻造生产线完成,
终形成以残余渗碳体质点为核心、 均匀而细小的颗 其制作过程如下: 圆棒中频感应加热透烧 → 下料 →
粒状碳化物.这个过程可由图 ４ 中在 A 点保温并 热模锻依次冲出大直径到小直径套圈 → 冷却 → 球化
冷却的球化过程来说明, 得到的显微组织是正常的 退火.轴承套圈的球化退火在爱协林连续推杆炉中
轴承钢球化退火组织.退火时碳含量处于图 ４ 中的 进行, 采用氮基气氛加丙烷富化气进行保护.一般
AD 范围, 如果表面略有脱碳, 但不影响后续加工, 要求轴承套圈的脱碳层深度不超过 ０．３０ mm , 使用
仍然属于正常组织, 见图 ３ . 二次加热棒材锻造套圈或退火炉内气氛不正常都有
如果炉气碳势较低使表面脱碳, 材料表面碳含 可能造成轴承套圈表面脱碳层深度超过 ０．３０ mm ,
量进入图 ４ 中的 DC 范围, 造成残余渗碳体完全溶 但整个套圈内部球化级别均合格.
解, 表层一定深度形成单相奥氏体.在随后冷却过 球化退火时, 碳势控制不当或炉子漏气降低碳
程中, 因为钢中铬含量较高, 使得过冷奥氏体稳定性 势造成碳势不均匀, 是导致轴承套圈表面脱碳的主
高而不发生先共析析出, 继续冷却到图 ４ 所示的灰 要原因.炉气碳势较低处, 表层局部残余碳化物完
色“ 伪共析区域”, 过冷奥氏体发生伪共析转变, 形成 全溶解, 并且使这些部位碳含量降低到共析成分附
片状珠光体, 是轴承钢球化退火时部分脱碳的特征 近, 形成单相奥氏体.冷却时奥氏体中的碳元素失
显微组织.如果脱碳发生在 D 点附近, 表层部分区 去残余碳化物作为扩散沉积析出的核心, 而只能以
域进入单相奥氏体区, 其他部分仍旧处于二相区, 冷 共析反应形成片层状珠光体.更加严重的如图 １ 所
却后前者发生伪共析转变生成片状珠光体, 后者完 示, 表层呈现完全脱碳的形貌, 在轴承套圈表面以下
成渗碳体球化过程, 形成表层局部区域发生部分脱 形成完整的铁素体层.
碳组织.由图 ２a ) 可见低倍视场下试样表面没有形 轴承钢球化退火时在图 ４ 中 D 点保温, 轴承套
成厚度均匀的脱碳层或部分脱碳层, 脱碳仅仅发生在 圈局部表面发生部分脱碳的原因如下.原材料在连
表面局部区域; 由图２b ) 可见高倍视场下这些局部脱 续铸造凝固时, 因为选择结晶效应, 材料内部存在元
碳区片状珠光体发育完好, 层深约 １００ μ m , 说明该体 素偏析现 象.参 照 铸 铁 的 碳 当 量 计 算 公 式 c C ＝
e q
积单相奥氏体从高温冷却到 A １ 温度以下发生共析 )( 式中c x 表示相应元素的含量),
c C＋０．３ ( c Si＋c P
转变, 因此在球化退火加热和保温过程中, 轴承套圈 选择结晶结果使局部硅元素和磷元素含量升高, 相
表层这些局部区域生成单相奥氏体, 其冷却转变产物 当于碳当量升高.这样在轴承套圈球化退火时, 这
仅仅生成片状珠光体, 证明这些表层局部区域奥氏体 些局部区域的碳当量超出炉气的碳势, 就会发生脱
碳含量处于接近共析成分的 DC 范围中. 碳反应, 使该 处 碳 含 量 降 低.在 构 成 当 量 碳 的 碳、
如果炉气碳势低于 C 点, 进入奥氏体和铁素体 硅、 磷 ３ 种元素中, 硅、 磷元素以置换固溶体形式存
二相区, 说明脱碳较严重, 在高温下即有或多或少的 在, 而碳元素以间隙原子形式存在, 所以碳原子具有
铁素体相生成.如果碳势靠近 B 点加上保温时间 相对最强的扩散能力; 同时, 表面硅、 磷原子与炉气
较长, 材 料 表 面 会 生 成 铁 素 体 层 即 全 脱 碳 层, 见 反应活性序列处于碳元素之后, 表面碳原子与炉气
图 １a ); 高倍下可见表层为纯铁素体相, 内侧存在由 可以通过化学反应实现动态平衡.因此, 轴承套圈
奥氏体转变生成的少量片状珠光体, 见图 １b ).碳 球化退火在两相区 D 点附近加热保温时, 炉气碳势
势越低、 保温时间越长, 脱碳层深度则越大. 值一定, 某些局部体积若硅、 磷元素含量偏高, 为了
文献[ ２ ] 报道, 因为局部贫碳造成淬火、 回火以 使这些表面局部区域的当量碳含量与炉气碳势达到
后部分成品件( 约 ２％ ) 硬度为 ５７．０~５７．５HRC , 小 平衡, 就会发生碳元素的扩散, 在表面与炉气反应生
于技术要求硬度, 对于局部贫碳原因, 笔者认为冶金 成 CO 而逸出, 造成残余碳化物溶解并进入单相奥
厂对棒材原料表面车削、 扒皮、 磨光不够, 是热轧时 氏 体区, 此时这些局部体积当量碳含量仍然可以与
表面脱碳层残留造成的, 但是文献[ ２ ] 没有述及球化 ( 下转第 ２７５ 页)

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