分享：GCr15轴承钢软化退火工艺
摘 要:在温度为550~900℃时,对 GCr15轴承钢进行退火,观察其显微组织变化,并进行硬度 测试,对退火及脱碳转变机理进行分析与讨论。结果表明:在550 ℃退火时,GCr15轴承钢的组织 和热轧状态基本没有变化;在600~750 ℃退火时,随着温度的升高,细片状珠光体的片层间距逐 渐增大,到 750 ℃ 时细片状珠光体基本消失,主要为球化碳化物颗粒和长条状碳化物颗粒;在 760~800 ℃退火时,随着温度的升高,组织逐渐趋向完全球化;在850~900 ℃退火时,随着温度的 升高,粗片状珠光体逐渐增加;在550~900 ℃退火时,其硬度呈先下降后上升的趋势;在750~ 900 ℃退火时,硬度均小于245HBW,满足标准要求。
关键词:轴承钢;软化退火;硬度;显微组织
中图分类号:TG161 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)08-0029-03
GCr15轴承钢在热轧(锻)状态时的硬度较高,其 布氏硬度一般不小于302HBW,在锯切下料、切削加 工、冷压力加工前,一般需对其进行退火处理。GCr15 轴承钢的退火分为软化退火和球化退火。软化退火 的目的主要是消除应力、降低硬度,为下料提供便利; 而球化退火不但可以消除应力、降低硬度,而且可以 为淬火提供准备,减少材料的淬火变形和开裂。
GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》标准规定, GCr15轴承钢退火后的硬度为179~207HBW,为了 保证对其硬度的要求,无论软化退火还是球化退火, 一般均需采用球化退火的工艺温度进行退火。退火 温度一般控制在780~800 ℃。GB/T18254—2016 已将软化退火和球化退火的硬度要求进行了区分,软 化退火的布氏硬度不大于245HBW,球化退火的布 氏硬度为179~207HBW。
笔者采用不同的退火温度对 GCr15轴承钢进 行热处理,探索出了比球化退火工艺更为有效的软 化退火工艺。
1 试验方法
GCr15轴承钢生产工艺为:70t电炉→LF(钢包精 炼炉)+RH(真空循环脱气精炼炉)精炼→连铸方坯→ 机组成材。成材过程采用控轧控冷工艺,控制钢材碳 化物网状分布。最终成材为圆柱状,直径为40mm。
GCr15轴 承 钢 材 料 中 C 元 素 的 质 量 分 数 为 0.96%,Si元素的质量分数为0.25%,Cr元素的质 量分数为1.45%,Mn元素的质量分数为0.34%,P 元素的质 量 分 数 为 0.01%,S 元 素 的 质 量 分 数 为 0.002%。其原始显微组织为片状珠光体+碳化物, 布氏硬度为343HBW。
采用精密切割机将成材切割成15mm 厚的圆 柱试样。采用箱式炉进行热处理试验,主要热处理 工艺为:分 别 在 550,600,650,700,730,740,750, 760,770,780,800,850,900 ℃下保温,保温时间均 为180min,再进行退火,炉温不大于300 ℃后取出 试样,空冷至室温。
试验结束后,制备试样,采用 Quanta400F型扫 描电镜(SEM)观察其显微组织形貌,采用全自动布 氏硬度计对不同退火状态试样的硬度进行测试。
2 试验结果
2.1 退火温度对 GCr15轴承钢显微组织形貌的影响
经过不同温度退火后,GCr15轴承钢试样的显 微 组织形貌如图1所示。从图1a)可以看出:其热轧状态的显微组织呈典型的细片状,该组织以细片状 珠光体为主,晶界含有少量的二次碳化物;图1b)是 550 ℃退火时的显微组织,可以看到组织和热轧态 相 比 基 本 没 有 差 异,主 要 是 细 片 状 珠 光 体;从 图1c)~1h)可以看出,随着退火温度的升高,片状 珠光体的片层间距逐渐增大,直至消失,700 ℃退火 时,片状珠光体开始球化,显微组织为球化珠光体+ 片状珠光体,750 ℃退火时,明显的片状珠光体已经 消失,显微组织主要为球化碳化物颗粒和长条状碳 化物颗粒,碳化物已经弥散在铁素体基体上;从图 1i)~1l)可以看出,760,770 ℃退火后的显微组织类 似,主要为球化碳化物颗粒及极少量长条状碳化物 颗粒,780,800 ℃ 退火时组织已经完全球化;从图 1m)~1n)可以看出,850℃时退火组织以球化碳化 物为主,同时出现了粗片状珠光体,900 ℃退火时, 出现了大量粗片状珠光体,同时伴有少量球化碳化 物颗粒。
2.2 退火温度对 GCr15轴承钢硬度的影响
不同退火温度与 GCr15轴承钢硬度的关系曲 线如图2所示。从图2可以看出:在550℃退火时, 硬度为340 HBW,与原始状态 GCr15轴承钢的硬 度相比,基本没有变化;在600~760℃退火时,随着 退火温度的升高,硬度逐渐降低;在760~850 ℃退 火时,不同的退火温度对应的硬度变化不大,硬度为 185~200HBW;当退火温度提高到900 ℃时,硬度 升高到242HBW。
3 分析与讨论
退火是将钢加热至临界点 AC1 以上或以下的 温度,保温以后随炉缓慢冷却,以获得近于平衡状态 组织的热处理工艺[1]。由于临界点受成分、升温速 率、冷却速率等的影响,因此临界点并不是固定值。 一般 GCr15 轴 承 钢 临 界 点 AC1 的 温 度 是 725~ 760 ℃,临界点ACCm 的温度是770~900 ℃ [2]。
当温度小于 AC1 温度时,属于低温退火,硬度 的降低主要取决于碳化物的形态及分布,即由片状 珠光体向球状珠光体、由细球状珠光体向粗球状珠 光体转化。温度越高,这种转化越快也越完全,得到 的硬度越低。因此,在760℃以下时,随退火温度的 升高,GCr15轴承钢的硬度逐渐降低。
当温度略高于AC1 温度时,即在γ+Fe3C两相 区加热,由于奥氏体化温度比较低,因此奥氏体的碳 含量是不均匀的,而且有未溶解的碳化物。在加热 过程中,未溶解的碳化物会由片状珠光体逐渐转变 为球状珠光体,而在随后的缓冷及恒温过程中,不均 匀奥氏体的高碳处会成为碳化物的形核位置,从而 使一部分碳化物直接长成球状,另一部分仍以片状 成长的碳化物则在随后的缓冷或恒温过程中逐渐球 化[3]。在760~850℃退火时,不同的退火温度对应 的硬度变化不大,硬度为185~200HBW。
当温度大于ACCm 温度时,开始完全退火转变, 此时碳化物溶解较充分,在随后的缓冷过程中,由于 部分区域缺少核心碳化物,因此比较均匀的奥氏体 内不得不重新产生核心而出现片状珠光体。一般加 热温度越高,保温时间越长,退火组织中也越会形成 粗片状珠光体[4]。在900℃退火时,硬度反而上升。
当温度大于ACCm 温度时,缓冷退火,奥氏体有 网状二次渗碳体析出,使钢的强度、塑性和冲击韧度 显著降低[1],因此即使退火温度大于850℃,硬度满 足标准的要求,但生产实践中仍不适用。
脱碳的过程分为两个阶段:碳化物的氧化与扩 散。钢表面的碳元素发生氧化,碳含量降低,引起表 面和内部碳含量有差异,促使碳元素从内部向表面 扩散。加热温度越高,原子热运动就越剧烈,扩散速 率就越大,脱碳的趋势就越大[5]。在保证硬度满足 标准的前提下,退火温度越低越好。
4 结论
(1)在550 ℃退火时,GCr15轴承钢的组织与 热轧状态的组织相比基本没有差异;在600~750℃ 退火时,随着退火温度的升高,细片状珠光体的片层 间距逐渐增大,到750 ℃时,片层状珠光体基本消 失,主要为球化碳化物颗粒和长条状碳化物颗粒;在 760~800 ℃退火时,随着温度的升高,组织逐渐趋 向完全球化;在850~900 ℃退火时,随着温度的升 高,粗片状珠光体逐渐增加。
(2)在550~900 ℃退火时,GCr15轴承钢的硬 度呈先下降后上升的趋势;在760~850 ℃退火时, 其硬度变化不大且较低,硬度为185~200HBW。
(3) 在 750~900 ℃ 退 火 时,硬 度 均 小 于 245HBW,满足 GB/T18254—2016标准对软化退 火材料的要求;选择750 ℃左右保温的软化退火工 艺可使脱碳层最小。
参考文献:
[1] 崔忠圻,覃耀春.金属学与热处理[M].北京:机械工 业出版社,2007.
[2] 钟顺思,王昌生.轴承钢[M].北京:冶金工业出版社, 2000.
[3] 胡光立,谢希文.钢的热处理 原理和工艺[M].西安: 西北工业大学出版社,2004.
[4] 孙钦贺.高碳铬轴承钢制轴承零件球化退火组织缺陷 分析[J].金属加工(热加工),2018(6):78-80. [5] 曹安然.弹簧钢防高温氧化脱碳涂层的制备及性能研 究[D].南京:南京航空航天大学,2010.
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