摘 要:為滿足加工工藝的要求,對(duì)軸承套圈鍛坯進(jìn)行了球化退火處理。對(duì)球化退火后軸承套 圈鍛坯表層的顯微組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明:如果爐氣碳勢(shì)控制不當(dāng),在鍛坯表面會(huì)形成脫碳層; 隨著爐氣碳勢(shì)逐漸降低,對(duì)應(yīng)生成不同的球化組織,二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系符合擴(kuò)散定律菲克方程的 誤差解;結(jié)合Fe-Cr-C三元相圖,不同爐氣碳勢(shì)會(huì)導(dǎo)致碳含量不同;繪制了碳濃度曲線,表層組織的 轉(zhuǎn)變符合該曲線的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞:軸承套圈;碳濃度曲線;球化退火;爐氣碳勢(shì);脫碳

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)07-0071-04

軸承套圈易在鍛造、球化退火和淬火時(shí)發(fā)生脫 碳,脫碳超標(biāo)會(huì)降低軸承的質(zhì)量,縮短軸承的服役壽 命。國(guó)內(nèi)頒布了 GB/T18254—2016《高碳鉻軸承 鋼》和GB/T224—2019《鋼的脫碳層深度測(cè)定法》 等標(biāo)準(zhǔn),對(duì)脫碳進(jìn)行規(guī)范,以保證套圈鍛坯加工和熱 處理合規(guī)生產(chǎn)。

對(duì)Fe-C-Cr三元相圖在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下,脫碳 過(guò)程中碳原子在各相之間的擴(kuò)散行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn) 工件表層中碳原子擴(kuò)散的實(shí)際動(dòng)力學(xué)過(guò)程與其熱力 學(xué)平衡條件下的轉(zhuǎn)變有一定差距[1],綜合各相之間的 碳原子分配過(guò)程,繪制了由心部到表面的碳濃度曲 線。根據(jù)該碳濃度曲線,筆者對(duì)軸承脫碳層的形成和 遷移行為進(jìn)行研究,分析了軸承表層顯微組織形貌的 特點(diǎn),以期為提高軸承的質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。

1 脫碳機(jī)制

1.1 脫碳層中碳濃度曲線

脫碳現(xiàn)象是由擴(kuò)散機(jī)理主導(dǎo)的碳原子遷移過(guò)程。根據(jù) GB/T224—2019,脫碳層中碳濃度曲線 如圖1所示[2],由該曲線可以計(jì)算脫碳層的深度。 由圖1可知:有效脫碳層深度d2 是最核心的技術(shù)指 標(biāo),總脫碳層深度d4 由完全脫碳層深度d1 和部分 脫碳層深度d3 相加而成;a值為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小 碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),b值為基體的碳含量。

GCr15高碳鉻軸承鋼在進(jìn)行熱處理操作時(shí),爐 氣碳含量(b 值)的控制范圍為0.95%~1.05%;實(shí) 際技術(shù)要求a 值應(yīng)為基體碳含量的下限與允許誤 差值之和,該值為球化退火和淬火操作時(shí)爐氣碳含 量的最小值,因此在進(jìn)行軸承鍛坯球化退火操作時(shí), 爐氣的碳含量應(yīng)控制在a~b。

當(dāng)碳含量低于a 值時(shí),工件會(huì)發(fā)生一定程度的 脫碳,工件表面的碳含量沿著碳濃度曲線降低為0, 相當(dāng)于在大氣中加熱,因此該濃度曲線描述了在大 氣環(huán)境中加熱發(fā)生脫碳時(shí),從工件表面到材料公稱 碳含量處的碳濃度變化。載氣、富化氣等各種原料 氣中均含有一定的水汽、殘氧和二氧化碳,氣態(tài)系統(tǒng) 中低濃度氧化組分具有很高的化學(xué)活性,表面發(fā)生 薄層脫碳,富化氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而消解了氧化氣 氛的脫碳作用,可以很快建立適當(dāng)?shù)奶紕?shì),因此在技 術(shù)上規(guī)定了軸承鋼工件的球化退火脫碳層厚度允 許值。

1.2 軸承套圈鍛坯在球化退火時(shí)的脫碳過(guò)程

在Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%的垂直截面富鐵端 Fe-C-Cr三元相圖的基礎(chǔ)上[3],以球化退火溫度 795℃為橫坐標(biāo)的原點(diǎn)、以碳含量1.0%為縱坐標(biāo)的 原點(diǎn)建立一個(gè)新坐標(biāo)系,以表示在球化退火時(shí)工件 的脫碳過(guò)程(見(jiàn)圖2)。由圖2可知:球化退火開(kāi)始 時(shí),碳勢(shì)與工件基體碳含量均為1.0%,界面無(wú)碳原 子濃度差,碳原子不發(fā)生遷移或擴(kuò)散,工件不發(fā)生脫 碳或增碳;當(dāng)碳勢(shì)降低、工件基體碳含量大于碳勢(shì)時(shí),發(fā)生碳原子遷移,方向?yàn)橛蓛?nèi)到外,表面碳含量 降低,其值與爐氣碳勢(shì)有關(guān);隨著碳原子的擴(kuò)散和逸 出,工件內(nèi)部碳含量逐漸降低,形成了碳濃度梯度, 工件表面碳含量曲線左移,直到相圖縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的 溫度與工件表層的溫度重合,在工件表層形成完整 的碳含量曲線。

2 球化退火后的顯微組織

2.1 準(zhǔn)備組織

圖3 球化退火前準(zhǔn)備組織的微觀形貌 鍛坯冷卻過(guò)程對(duì)后續(xù)球化組織的影響很大,要 求冷卻速率適當(dāng),使其發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變,抑制二次滲 碳體析出,以保證球化退火后鍛坯獲得粒徑均勻、彌 散分布的碳化物,以及圓度良好、二次滲碳體級(jí)別合 格的球化組織[見(jiàn)圖3a)];若正火工藝不當(dāng),會(huì)產(chǎn)生 網(wǎng)狀或斷續(xù)網(wǎng)狀的二次滲碳體,并遺留在球化組織 中,降低切削加工效率,從而降低球化、淬火組織的質(zhì)量,形成網(wǎng)狀碳化物[見(jiàn)圖3b)]。

2.2 正常組織

常用的球化退火工藝是常規(guī)球化退火和等溫球 化退火。常規(guī)球化退火是將鋼加熱至795℃,然后 保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間,并隨爐緩慢冷卻至500℃,隨后出 爐空冷。等溫球化退火是在保護(hù)氣氛中加熱保溫至 795℃,然后隨爐快速冷卻至680~700℃等溫,等 溫時(shí)間是加熱保溫時(shí)間的1.5倍,然后隨爐冷卻至 500℃,出爐空冷。和普通球化退火相比,等溫球化 退火獲得的球化組織更均勻,鍛坯硬度的散差更小。

將爐氣碳勢(shì)控制在圖1的a~b范圍內(nèi)可以獲 得正常的球化組織(見(jiàn)圖4)。由圖4可知:正常的 球化組織中碳化物的粒徑分布窄、分布彌散均勻、形 狀圓度值高,殘余網(wǎng)狀碳化物等級(jí)和脫碳層深度符 合技術(shù)要求。

2.3 球化不足

在球化退火過(guò)程中,碳含量超過(guò)其允許誤差范 圍、球化溫度偏低、球化時(shí)間偏短等操作會(huì)造成鍛坯 的組織產(chǎn)生球化不足缺陷(見(jiàn)圖5)。由圖5可知: 當(dāng)鍛坯球化不足時(shí),表層碳化物較少,心部正常組織 周圍有少量片狀珠光體殘留。

3 表面脫碳

3.1 表面部分脫碳

鍛坯退火爐氣碳勢(shì)偏低,會(huì)導(dǎo)致鍛坯表層脫碳, 包括全脫碳或部分脫碳,進(jìn)而造成鍛坯淬火硬度不足或淬火軟點(diǎn)。表面部分脫碳的過(guò)程為:碳勢(shì)持續(xù)降 低,奧氏體含量較高,因擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)滯后,表層碳化物 的溶解時(shí)間較短,會(huì)有殘余碳化物產(chǎn)生;在隨后的冷 卻過(guò)程中,溶解在奧氏體中的碳元素以殘余碳化物為 核心析出、長(zhǎng)大,因形核數(shù)量較少,最終球狀碳化物數(shù) 量較少,形成了碳化物球稀[見(jiàn)圖6a)]。

爐氣碳勢(shì)繼續(xù)降低,導(dǎo)致碳含量同步降低至 0.65%,表層碳化物全部溶解,在隨后的冷卻過(guò)程 中,固溶在奧氏體中的碳元素失去析出核心,冷卻到 共析溫度區(qū)間,發(fā)生共析或偽共析轉(zhuǎn)變,表層形成片 狀珠光體[見(jiàn)圖6b)]。

碳含量降低至0.5%時(shí),表層會(huì)出現(xiàn)碳化物球 稀和片狀珠光體的混生組織[見(jiàn)圖6c)],說(shuō)明球化 時(shí)奧氏體基體上的殘留碳化物很少,在含有殘留碳 化物的奧氏體中,碳原子能夠以殘留碳化物為核心 析出,而在碳化物完全溶解的奧氏體中,發(fā)生了共析 轉(zhuǎn)變,析出了珠光體。

當(dāng)球化退火爐氣碳勢(shì)降低,碳含量小于0.5% 時(shí),鍛坯表面脫碳層的組織為仿晶界鐵素體+碳化 物球稀+少量片狀珠光體,處于奧氏體+鐵素體二 相區(qū),冷卻時(shí)析出仿晶界先共析鐵素體+碳化物球 稀+極少量片狀珠光體[見(jiàn)圖6d)]。

3.2 表面全脫碳

球化脫碳過(guò)程為:表層中的殘余碳化物全部溶解, 奧氏體基體碳原子向外擴(kuò)散,最終碳原子逸出,表面氧 化生成CO2,并進(jìn)入爐氣。當(dāng)碳含量降低至0,表面全 脫碳時(shí),鍛坯表面生成白色鐵素體脫碳層(見(jiàn)圖7)。

鍛坯表面全脫碳的原因是球化退火爐氣碳勢(shì)失 控,爐膛漏氣導(dǎo)致空氣進(jìn)入爐膛,碳勢(shì)降到0,工件 表面碳元素發(fā)生劇烈氧化反應(yīng),表層中碳濃度曲線 的斜率較大,碳原子的擴(kuò)散速率較快,表層形成了全 鐵素體層。

全脫碳表面的顯微組織由外到內(nèi)分別為全鐵素 體層、仿晶界鐵素體+碳化物球稀+少量片狀珠光 體的薄層、碳化物球稀+少量片狀珠光體的薄層、碳 化物球稀層、正常球化組織。

4 結(jié)論

研究了軸承套圈鍛坯球化退火后全脫碳表層的 碳含量的變化,并分析了脫碳層中的碳濃度曲線,發(fā) 現(xiàn)退火時(shí)爐氣碳勢(shì)逐漸降低,對(duì)應(yīng)生成了不同球化 組織,二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系符合擴(kuò)散定律菲克方程 的誤差解。

結(jié)合球化退火材料表層脫碳層中碳濃度曲線和 Fe-C-Cr三元相圖,可以說(shuō)明碳勢(shì)不同導(dǎo)致表面碳 含量不同,并形成相應(yīng)的碳濃度曲線,表層顯微組織 的轉(zhuǎn)變符合該曲線的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn):

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[3] 胡偉勇,王峰,黃濤,等.GCr15軸承鋼的碳化物不均 勻性缺陷[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2022,58(11): 15-18.

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