分享：球化退火后軸承套圈鍛坯表層的顯微組織
摘 要:為滿足加工工藝的要求,對軸承套圈鍛坯進行了球化退火處理。對球化退火后軸承套 圈鍛坯表層的顯微組織進行分析。結果表明:如果爐氣碳勢控制不當,在鍛坯表面會形成脫碳層; 隨著爐氣碳勢逐漸降低,對應生成不同的球化組織,二者之間的對應關系符合擴散定律菲克方程的 誤差解;結合Fe-Cr-C三元相圖,不同爐氣碳勢會導致碳含量不同;繪制了碳濃度曲線,表層組織的 轉變符合該曲線的變化規律。
關鍵詞:軸承套圈;碳濃度曲線;球化退火;爐氣碳勢;脫碳
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)07-0071-04
軸承套圈易在鍛造、球化退火和淬火時發生脫 碳,脫碳超標會降低軸承的質量,縮短軸承的服役壽 命。國內頒布了 GB/T18254—2016《高碳鉻軸承 鋼》和GB/T224—2019《鋼的脫碳層深度測定法》 等標準,對脫碳進行規范,以保證套圈鍛坯加工和熱 處理合規生產。
對Fe-C-Cr三元相圖在熱力學平衡狀態下,脫碳 過程中碳原子在各相之間的擴散行為進行研究,發現 工件表層中碳原子擴散的實際動力學過程與其熱力 學平衡條件下的轉變有一定差距[1],綜合各相之間的 碳原子分配過程,繪制了由心部到表面的碳濃度曲 線。根據該碳濃度曲線,筆者對軸承脫碳層的形成和 遷移行為進行研究,分析了軸承表層顯微組織形貌的 特點,以期為提高軸承的質量提供理論基礎。
1 脫碳機制
1.1 脫碳層中碳濃度曲線
脫碳現象是由擴散機理主導的碳原子遷移過程。根據 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 是最核心的技術指 標,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值為標準中規定的最小 碳含量(質量分數,下同),b值為基體的碳含量。
GCr15高碳鉻軸承鋼在進行熱處理操作時,爐 氣碳含量(b 值)的控制范圍為0.95%~1.05%;實 際技術要求a 值應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爐氣碳含 量的最小值,因此在進行軸承鍛坯球化退火操作時, 爐氣的碳含量應控制在a~b。
當碳含量低于a 值時,工件會發生一定程度的 脫碳,工件表面的碳含量沿著碳濃度曲線降低為0, 相當于在大氣中加熱,因此該濃度曲線描述了在大 氣環境中加熱發生脫碳時,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,氣態系統 中低濃度氧化組分具有很高的化學活性,表面發生 薄層脫碳,富化氣發生化學反應,從而消解了氧化氣 氛的脫碳作用,可以很快建立適當的碳勢,因此在技 術上規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的脫碳過程
在Cr元素質量分數為1.6%的垂直截面富鐵端 Fe-C-Cr三元相圖的基礎上[3],以球化退火溫度 795℃為橫坐標的原點、以碳含量1.0%為縱坐標的 原點建立一個新坐標系,以表示在球化退火時工件 的脫碳過程(見圖2)。由圖2可知:球化退火開始 時,碳勢與工件基體碳含量均為1.0%,界面無碳原 子濃度差,碳原子不發生遷移或擴散,工件不發生脫 碳或增碳;當碳勢降低、工件基體碳含量大于碳勢時,發生碳原子遷移,方向為由內到外,表面碳含量 降低,其值與爐氣碳勢有關;隨著碳原子的擴散和逸 出,工件內部碳含量逐漸降低,形成了碳濃度梯度, 工件表面碳含量曲線左移,直到相圖縱坐標對應的 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 準備組織
圖3 球化退火前準備組織的微觀形貌 鍛坯冷卻過程對后續球化組織的影響很大,要 求冷卻速率適當,使其發生偽共析轉變,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、二次滲碳體級別合 格的球化組織[見圖3a)];若正火工藝不當,會產生 網狀或斷續網狀的二次滲碳體,并遺留在球化組織 中,降低切削加工效率,從而降低球化、淬火組織的質量,形成網狀碳化物[見圖3b)]。
2.2 正常組織
常用的球化退火工藝是常規球化退火和等溫球 化退火。常規球化退火是將鋼加熱至795℃,然后 保溫適當的時間,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 溫時間是加熱保溫時間的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。
將爐氣碳勢控制在圖1的a~b范圍內可以獲 得正常的球化組織(見圖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,殘余網狀碳化物等級和脫碳層深度符 合技術要求。
2.3 球化不足
在球化退火過程中,碳含量超過其允許誤差范 圍、球化溫度偏低、球化時間偏短等操作會造成鍛坯 的組織產生球化不足缺陷(見圖5)。由圖5可知: 當鍛坯球化不足時,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
鍛坯退火爐氣碳勢偏低,會導致鍛坯表層脫碳, 包括全脫碳或部分脫碳,進而造成鍛坯淬火硬度不足或淬火軟點。表面部分脫碳的過程為:碳勢持續降 低,奧氏體含量較高,因擴散動力學滯后,表層碳化物 的溶解時間較短,會有殘余碳化物產生;在隨后的冷 卻過程中,溶解在奧氏體中的碳元素以殘余碳化物為 核心析出、長大,因形核數量較少,最終球狀碳化物數 量較少,形成了碳化物球稀[見圖6a)]。
爐氣碳勢繼續降低,導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 共析溫度區間,發生共析或偽共析轉變,表層形成片 狀珠光體[見圖6b)]。
碳含量降低至0.5%時,表層會出現碳化物球 稀和片狀珠光體的混生組織[見圖6c)],說明球化 時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,發生了共析 轉變,析出了珠光體。
當球化退火爐氣碳勢降低,碳含量小于0.5% 時,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,冷卻時析出仿晶界先共析鐵素體+碳化物球 稀+極少量片狀珠光體[見圖6d)]。
3.2 表面全脫碳
球化脫碳過程為:表層中的殘余碳化物全部溶解, 奧氏體基體碳原子向外擴散,最終碳原子逸出,表面氧 化生成CO2,并進入爐氣。當碳含量降低至0,表面全 脫碳時,鍛坯表面生成白色鐵素體脫碳層(見圖7)。
鍛坯表面全脫碳的原因是球化退火爐氣碳勢失 控,爐膛漏氣導致空氣進入爐膛,碳勢降到0,工件 表面碳元素發生劇烈氧化反應,表層中碳濃度曲線 的斜率較大,碳原子的擴散速率較快,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 現退火時爐氣碳勢逐漸降低,對應生成了不同球化 組織,二者之間的對應關系符合擴散定律菲克方程 的誤差解。
結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,可以說明碳勢不同導致表面碳 含量不同,并形成相應的碳濃度曲線,表層顯微組織 的轉變符合該曲線的變化規律。
參考文獻:
[1] 胡偉勇,王峰,黃濤,等.GCr15鋼軸承套圈表面脫碳 層形成機理[J].理化檢驗(物理分冊),2021,57(10): 6-11.
[2] 康大韜.物理冶金學原理習題集[M].北京:機械工業 出版社,1981.
[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(物理分冊),2022,58(11): 15-18.
<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:71-74)>
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