GCr15球化退火材料表層片狀珠光體的成因及危害

根據(jù)相關(guān)熱處理原理并結(jié)合工作實(shí)踐，闡述了導(dǎo)致GCr15軸承鋼材料退火后表層出現(xiàn)片狀珠光體組織的3種主要因素，分別為原材料脫碳、冷速過快和加熱沖溫，并分析了不同因素條件下出現(xiàn)的片狀珠光體組織對材料性能的影響和危害。提出了準(zhǔn)確判定脫碳的方法，即珠光體的分布狀態(tài)、深度、片間距有明顯變化，以期為GCr15軸承鋼的實(shí)際生產(chǎn)和檢驗(yàn)提供參考。

高碳鉻軸承鋼GCr15 ( 簡稱GCr15鋼)使用至今已有一百多年的歷史，通過合理的熱處理后具有良好的加工工藝性能和綜合力學(xué)性能。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及研究工作的持續(xù)進(jìn)行，GCr15鋼產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，熱處理工藝及其檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也隨之不斷進(jìn)步并逐漸完善。

球化退火是高碳鉻軸承鋼加工過程中重要的熱處理工序，主要有3個(gè)目的：

1)為淬火提供良好的原始組織，這是由于軸承鋼熱軋或鍛造后其組織為細(xì)珠光體，通過球化退火可使組織變?yōu)榫鶆蚍植嫉募?xì)粒狀珠光體，有利于得到理想的馬氏體、均勻的碳化物和少量的殘余奧氏體組織，使零件的耐磨性、抗疲勞性能最好，并兼有好的彈性、韌性等軸承要求的基本性能；

2)降低硬度，便于切削加工(軸承鋼熱軋或鍛造后硬度通常為255~340HBW,尤其不適用于車削加工);

3)提高塑性，便于冷拉和沖壓。

在金相檢驗(yàn)中常見軸承鋼球化退火材料表層存在不同類型的片狀珠光體組織，其分布深度不同，對后續(xù)加工工藝及產(chǎn)品質(zhì)量的影響也不同，嚴(yán)重者可造成大量廢品。因此，需要針對珠光體的形態(tài)和分布分析其產(chǎn)生的原因，認(rèn)清危害并制定應(yīng)對措施。

一、球化退火的熱處理原理

GCr15鋼球化退火的原材料組織為熱軋(鍛)材，其顯微組織為索氏體、細(xì)片狀珠光體或兩者的混合體，亦允許有較細(xì)的碳化物網(wǎng)(圖1)。圖2中含碳量1%的垂直線可近似地反映出GCr15鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變狀況。GCr15鋼球化退火溫度在790°C左右的奧氏體+滲碳體兩相區(qū)中，經(jīng)保溫和緩冷后奧氏體中的片狀滲碳體和奧氏體晶界上較薄的網(wǎng)狀滲碳體逐漸溶斷轉(zhuǎn)變成球狀滲碳體，從而得到球狀珠光體組織。

二、球化退火后的表層缺陷組織及其危害

GCr15鋼經(jīng)球化退火后的正常組織為均勻分布的球粒狀珠光體，但表面有時(shí)存在一定深度的片狀珠光體層，這種缺陷組織的硬度異于心部正常組織，會(huì)直接影響后續(xù)的冷加工、淬回火熱處理質(zhì)量乃至最終的產(chǎn)品質(zhì)量。GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定法》附錄A中明確說明GCr15鋼“球化退火組織可由表面碳化物減少區(qū)或出現(xiàn)片狀珠光體區(qū)確定為部分脫碳區(qū)”，但實(shí)際工作中有可能看到表層片狀珠光體即判為脫碳，但根據(jù)熱處理相關(guān)理論和工作實(shí)踐，認(rèn)為軸承鋼球化退火后表層片狀珠光體不全是由于脫碳產(chǎn)生的，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判定。

2.1 熱軋(鍛)材脫碳遺傳產(chǎn)生的粗片狀珠光體

2.1.1 產(chǎn)生原因

由于原材料表面脫碳層的含碳量較基體有所降低，在790℃左右加熱時(shí)已超過或接近圖2所示的SE相變線，脫碳層的奧氏體成分已完全均勻化或部分均勻化，此后冷卻就會(huì)得到全部或部分粗片狀珠光體組織(圖3)。這說明熱軋(鍛)材表面的部分脫碳層會(huì)使球化退火相變溫度降低，若表層脫碳較嚴(yán)重，則球化退火后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇制瑺钪楣怏w，這是最常見的一種脫碳層，在盤條上，一般僅存在于局部表面。粗片狀珠光體分布的最大深度即代表所檢試樣的脫碳層深度。

2.1.2 危害

當(dāng)材料表層粗片狀珠光體較深時(shí)易殘留在零件表面。在后續(xù)淬火加熱過程中，由于片狀滲碳體易溶解，脫碳層中沒有或只有少量能阻礙奧氏體晶粒長大的過剩碳化物，導(dǎo)致脫碳層的奧氏體晶粒長得較大，當(dāng)冷卻條件較好能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，馬氏體有機(jī)會(huì)長得較粗大，也會(huì)出現(xiàn)粗大的低碳板條馬氏體，造成表層相對過熱的假像(圖4)。脫碳層硬度偏低，硬磨時(shí)精度較低，一旦遺留在產(chǎn)品表面則會(huì)降低其耐磨性，縮短接觸疲勞壽命。另外，嚴(yán)重的脫碳層還會(huì)造成產(chǎn)品淬火開裂，形成廢品(圖5)。

2.2 降溫冷卻速度過快產(chǎn)生的細(xì)片狀珠光體

2.2.1 產(chǎn)生原因

如果球化退火保溫后冷卻速度過快，將會(huì)干擾或終止表層已溶斷滲碳體的球化過程，并使表層出現(xiàn)細(xì)小、密集分布的粒狀碳化物(俗稱密團(tuán))，甚至出現(xiàn)共析細(xì)片狀珠光體(圖6)。這一區(qū)域只有碳化物形態(tài)的異常，無碳化物明顯減少的現(xiàn)象，由于該區(qū)域組織與球化欠熱組織相同，亦可稱為表層欠熱。這種缺陷組織往往可通過返修或拉拔變形+再結(jié)晶退火使次表層得到正常組織，但應(yīng)特別注意的是將表層的脫碳層與冷速過快造成的異常組織(細(xì)片狀珠光體)區(qū)分開，絕不能混為一體。

2.2.2 危害

將表層的脫碳層和細(xì)片狀珠光體一起算作總脫碳層測量深度，會(huì)對退火爐的爐況評價(jià)及工藝調(diào)整產(chǎn)生誤導(dǎo)，也會(huì)造成供需雙方的質(zhì)量爭議，易引起不必要的糾紛。若細(xì)片狀珠光體層較深，還會(huì)引起冷拉橫裂甚至斷裂，從而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

2.3 加熱速度過快沖溫產(chǎn)生的粗片狀珠光體

2.3.1 產(chǎn)生原因

對球化退火材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)蝕劑浸蝕的表面存在深度一致的深灰色層，該層與黃灰色基體有明顯的色差，嚴(yán)重的甚至可觀察到粗晶現(xiàn)象，典型形貌如圖7所示，這是熱軋材退火時(shí)因加熱速度過快沖溫而產(chǎn)生的粗片狀珠光體層。軟磨鋼球冷酸洗后赤道與兩極之間呈黑色，經(jīng)分析黑色區(qū)組織即為粗片狀珠光體，其形貌如圖8所示。

球化退火在接近保溫溫度時(shí)，因加熱速度過快會(huì)產(chǎn)生一定的升溫慣性，并出現(xiàn)沖溫現(xiàn)象。如果沖溫使溫度升至奧氏體區(qū)，致使表層奧氏體成分均勻化，即使隨后溫度回落至設(shè)定的奧氏體+滲碳體兩相區(qū)，但表層奧氏體仍會(huì)保持成分均勻化這一狀態(tài)，此時(shí)冷卻后該層就會(huì)形成相當(dāng)于完全退火的共析轉(zhuǎn)變組織——粗片狀珠光體。

在沖溫時(shí)段，表層處于圖1所示SE線附近的高溫狀態(tài)，在沒有保護(hù)氣氛的球化爐中，即使不存在脫碳?xì)夥?，也?huì)發(fā)生碳原子向外擴(kuò)散，從而引起過熱層中碳的減少。若粗片狀珠光體層晶界上仍有網(wǎng)狀滲碳體或片間距無明顯差異，則表明脫碳輕微。這種現(xiàn)象(圖9和圖10)大都出現(xiàn)在有碳勢保護(hù)氣氛的球化爐中。

若沖溫不嚴(yán)重，僅表層出現(xiàn)過熱組織，試樣基體的球化退火組織正常。過熱層深度較淺的盤條，可通過拉拔變形+再結(jié)晶退火，使其減薄變淺而成為合格品。

若沖溫嚴(yán)重，則粗片狀珠光體層較深(大于0.5mm)此時(shí)基體的球化退火組織一般也是過熱的，這表明球化退火時(shí)不但沖溫嚴(yán)重，而且保溫時(shí)段溫度也偏高，就要考慮熱電偶測溫的準(zhǔn)確性。

使用無保護(hù)氣氛和對流風(fēng)的井式爐和臺(tái)車爐生產(chǎn)的球化退火盤條，粗片狀珠光體缺陷大多位于爐頂部位。由于這種加熱爐溫度不均勻，爐頂溫度高，所以沖溫力度遠(yuǎn)大于其他部位。

退火爐的加熱曲線一般不會(huì)記錄到這種沖溫現(xiàn)象，這是由于退火爐內(nèi)熱電偶放置部位不能反映鋼材實(shí)際的加熱溫度(圖11)。

2.3.2 危害

由于表面過熱層存在較深的粗片狀珠光體層，其塑性極差,在拉拔時(shí)表面易出現(xiàn)橫裂甚至斷裂；即使拉拔時(shí)不開裂，也易導(dǎo)致后道冷鐓加工工序發(fā)生開裂(圖12和圖13) ，危害極大。

2.3.3 討論

實(shí)踐證明，退火冷拉圓鋼成品若存在深度相同的常見脫碳層(鐵素體層+碳化物減少層)或粗片狀珠光體組織層，兩者對下道冷鐓(鐓粗)加工的影響不同。前者不會(huì)產(chǎn)生開裂，后者有可能產(chǎn)生開裂，但當(dāng)按照GB/T224—2019 判定為脫碳層時(shí)，兩者都符合相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)為合格品。這種情況就易造成供需雙方的質(zhì)量爭議，對這種因表面沖溫過熱產(chǎn)生的粗片狀珠光體層的缺陷性質(zhì)，有必要進(jìn)行確切的定性。

三、結(jié)束語

GCrl5熱軋鋼材經(jīng)球化退火后表面存在片狀珠光體層，其原因不能一概而論地判定為原材料的氧化脫碳，應(yīng)根據(jù)片狀珠光體的形貌，如分布狀態(tài)(周邊或局部)、深度、片間距有無明顯變化(明顯的過渡區(qū))進(jìn)行判定，有明顯變化者應(yīng)判為脫碳。正常情況下，脫碳層片間距相對較大，其形貌呈現(xiàn)為粗片。

一般而言，表層局部存在粗片狀珠光體，應(yīng)考慮原材料熱軋脫碳的遺傳；表層周邊均存在粗片狀珠光體且深度較淺的，應(yīng)考慮退火爐造成的氧化脫碳或升溫速度過快；表面周邊粗片狀珠光體層較深且基體存在過熱組織，則應(yīng)考慮退火爐測溫儀表損壞造成跑溫的可能。若粗片狀珠光體層中有網(wǎng)狀碳化物，不作為脫碳是加熱沖溫和退火爐保護(hù)氣氛碳勢過高而產(chǎn)生的表層異常組織。對于表層存在細(xì)片狀珠光體或細(xì)片狀珠光體+密團(tuán)，不作為脫碳，需調(diào)整冷卻工藝。

GCr15鋼球化退火材料的金相檢驗(yàn)結(jié)果對球化退火操作具有指導(dǎo)性，如果球化退火的工藝制定者、操作工及檢驗(yàn)人員正確了解球化退火材料表層異常組織(片狀珠光體組織)的產(chǎn)生原因，就可避免此類缺陷組織的再次產(chǎn)生。

（來源：軸承雜志社）

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