等溫退火對GCr15鋼碳化物球化效果的影響*

楊曉彩 ，徐海強 ，王 楊，劉燕霞，陳 敏

（1河北工業職業技術學院 材料工程系，河北 石家莊050000；2河北科技大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊050091）

等溫退火對GCr15鋼碳化物球化效果的影響*

楊曉彩1，徐海強2，王 楊2，劉燕霞1，陳 敏1

（1河北工業職業技術學院 材料工程系，河北 石家莊050000；2河北科技大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊050091）

研究了不同等溫退火工藝下GCr15鋼碳化物的球化效果，采用掃描電鏡對顯微組織進行分析。結果表明：隨溫度升高碳化物顆粒變得細小彌散，當加熱溫度上升至800℃時奧氏體化均勻程度過高，容易形核長大成片狀碳化物；隨等溫加熱時間延長碳化物顆粒能獨立形核成球狀長大，甚至部分顆粒開始回熔長大。GCr15鋼的最佳退火工藝參數為：加熱溫度780℃，加熱時間5 h，等溫溫度700℃，等溫時間3 h。

GCr15鋼；等溫退火；顯微組織；碳化物；球化

1 前 言

GCr15鋼具有合金含量較少、硬度高、耐磨性好、力學性能優良等特點，被廣泛應用于軸承制造、冷作模具生產以及國防工業等領域[1]，但在使用過程中，常因鋼的韌性不足而降低零件的使用壽命，為獲得較高的綜合性能需要進行熱處理[2]。這是由于要想使得軸承鋼具有高強度和韌性[3-4]，就必須經熱處理獲得回火馬氏體及其上分布著細小碳化物顆粒的合金組織。因此，控制碳化物的數量、尺寸、形態和分布狀況[5-9]是軸承鋼向高質量、高性能多品種方向發展的關鍵。為此，本研究通過分析不同等溫球化退火工藝中奧氏體化溫度、保溫時間、等溫溫度和時間對碳化物顆粒球化數量及分布規律的影響，找出最優的工藝參數，以期為工業生產中球化退火工藝的制定提供理論依據。

2 試驗材料和方法

試驗所用材料取自某廠的GCr15鋼，其主要化學成分如表1所示。

表1 試驗用GCr15鋼化學成分 %

試驗主要在箱式電阻爐中進行，將試樣加工成Φ25mm×10mm的小圓柱，進行不同加熱溫度的等溫球化處理試驗，處理工藝參數見表2。試樣以100℃/h加熱速度升至奧氏體化溫度，以50℃/h冷卻速度至等溫溫度，再以50℃/h爐冷至650℃出爐空冷。采用TESAN掃描電子顯微鏡和自帶的能譜對試樣顯微組織進行分析。

表2 等溫球化處理工藝參數

3 試驗結果與分析

不同工藝參數等溫球化處理后GCr15試驗鋼試樣的顯微組織如圖1所示。

3.1 工藝參數對組織的影響

3.1.1 加熱溫度的影響

對比圖 1a（1#試樣、加熱溫度 760 ℃）、圖 1b（2#試樣、加熱溫度780℃）、圖1c（3#試樣、加熱溫度800℃）可以看出，不同的加熱溫度碳化物有不同的球化效果，各種形貌的碳化物所占的比例不同。圖1a和圖1c碳化物顆粒較大，有一小部分直徑小的顆粒，但主要是以大直徑顆粒為主。相反圖1b主要以小顆粒狀碳化物為主，只有一小部分大直徑的碳化物。3種加熱溫度下碳化物都發生了不同程度的球化，一些大顆粒直徑可達到1 μm，最小的顆粒直徑0.2 μm。圖1c相比圖1b，碳化物顆粒長大，球化效果不好。從圖1b中可以看到大量的碳化物顆粒呈細小、彌散分布狀態存在，球化效果明顯好于圖1a和圖1c。

3.1.2 加熱時間的影響

對比圖 1b（2#試樣、加熱時間 4 h）、圖 1d（4#試樣、加熱時間 5 h）、圖 1e（5#試樣、加熱時間 6 h）可以看出，隨著加熱時間的延長，碳化物的形貌、大小和數量都發生了顯著的變化。圖1b中奧氏體化時間短，在基體中有一些未溶的碳化物顆粒形成富碳區，在隨后的等溫過程中作為形核中心而形成均勻的球化組織。圖1d中奧氏體化時間長，碳化物小顆粒基本溶解在隨后的等溫過程中沒有過多的形核中心，只能通過貧碳區的鐵素體和滲碳體各自獨立呈球狀長大，這樣的形核速度慢自然會比2#試樣形成更細小的顆粒。隨著加熱時間的延長，碳化物不斷溶解，有的小粒子甚至消失，當時間過長奧氏體內的碳濃度達到均勻時，就會轉變成片狀珠光體。

圖1 不同工藝參數等溫球化處理后GCr15鋼的顯微組織

3.1.3 等溫溫度的影響

圖1f（6#試樣、等溫溫度680℃）、圖1d（4#試樣、等溫溫度 700℃）、圖 1g（7#試樣、等溫溫度720℃）3個圖中都可以看到大量的顆粒狀碳化物，這是由于在此階段中碳化物球化是一個自發過程，有較高表面能的片狀珠光體轉變成粒狀使能量降低。圖1d比圖1f等溫溫度高，碳原子的擴散和形核驅動力大，呈現出更為彌散均勻的碳化物顆粒。而隨溫度的升高，殘留的碳化物顆粒溶解，非自發形核核心減少，在貧碳區和富碳區同時形核，從圖中可以看到有些顆粒開始長大，形成片狀珠光體。

3.1.4 等溫時間的影響

對比圖 1h（8#試樣、等溫時間 2 h）、圖 1d（4#試樣、等溫時間3 h）、圖1i（9#試樣、等溫時間4 h），從圖1d中可以看出大顆粒碳化物大部分已經溶解，尺寸比較小。這是因為激活能和驅動力合適，析出的碳原子能更多地進行自發形核，非自發形核形成的碳化物顆粒也較小，所以球化效果好。隨著等溫時間的延長，有一些小顆粒碳化物開始靠近大顆粒，并被大顆粒吞并長大。這是因為激活能和驅動力過高，碳化物開始回熔和合并長大。

3.2 工藝參數對碳化物粒徑的影響

3.2.1 加熱溫度和加熱時間的影響

退火加熱溫度及加熱時間對GCr15鋼碳化物粒徑的影響見圖2。從圖2中可以看到，隨著退火時間的延長，GCr15鋼中大顆粒碳化物的粒徑逐漸減小，或是出現小幅度的增大。當加熱5 h后，部分碳化物溶解，原來的大塊不規則的碳化物都被溶解，剩余的顆粒也變得圓滑。當加熱6 h后時部分碳化物顆粒開始回熔長大，球化效果不是最佳。加熱溫度過高，核間距過大碳就不能很好地擴散，會使球化效果變差，多余的碳化物聚集在晶界處時容易長大。加熱溫度過低時碳的擴散系數小，球化效果也不好。所以加熱溫度在720℃、加熱時間5 h時球化效果最理想。

3.2.2 等溫溫度和等溫時間的影響

退火等溫溫度及等溫時間對GCr15鋼碳化物粒徑的影響見圖3。從圖3中可以看出，在等溫溫度為720℃時，隨著等溫時間的延長，GCr15中碳化物的晶粒直徑逐漸減小。這是因為隨著等溫時間的延長，碳原子析出量逐漸增多，激活能和形核驅動力增大，碳化物晶粒直徑減小。而700℃、680℃時碳化物晶粒是逐漸減小的，隨后晶粒又開始長大。這是因為部分碳化物顆粒開始回熔和合并長大。等溫時間越長，儲存能也越高，尺寸就會增加。所以最佳的等溫溫度為700℃，等溫時間為3 h。

圖2 退火溫度及時間對GCr15鋼碳化物粒徑的影響

圖3 等溫溫度及時間對GCr15鋼碳化物粒徑的影響

4 結 論

4.1 GCr15鋼等溫退火時，等溫溫度在760～800℃，隨著溫度的上升，GCr15鋼碳化物顆粒變得細小彌散；當加熱溫度上升至800℃時，奧氏體化均勻程度過高，容易形核長大成片狀碳化物，球化效果不好。

4.2 等溫加熱時間從4 h延長至5 h時，碳化物顆粒能獨立形核成球狀長大，當時間增至6 h時，碳化物的粒徑改變不大，甚至部分顆粒開始回熔長大。

4.3 GCr15鋼的最佳等溫退火工藝為加熱溫度780℃，加熱時間5h，等溫溫度700℃，等溫時間3h。

[1] 孫明義，杜振民，鄭秀仿，等.GCr15軸承鋼球化退火工藝[J].金屬制品，2013，39（4）：22-24.

[2] Yun-bo ZHONG,LI Qiang,Yi-peng FANG,et al.Effect of Transverse Static Magnetic Field on Microstructure and Properties of GCr15 Bearing Steel in Electroslag Continuous Casting process[J].Materials Science&Engineering A，2016，24（2）：23-30.

[3] Xiaohua Sha,Wen Yue,Yihui Zhao,et al.Effect of slidingmatingmaterials on vacuum tribological behaviors of sintered polycrystalline diamond[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2016，54（7）：5-8.

[4] Dan Zheng,Zhen-bing Cai,Ming-xue Shen,et al.Investigation of the tribology behaviour of the graphene nanosheets as oil additives on textured alloy cast iron surface[J].Applied Surface Science，2016，27（30）：49-50.

[5] 王志蒙，王玉輝，曹文全，等.GCr15軸承鋼熱變形行為及加工圖[J].材料熱處理學報，2017（1）：191-197.

[6] 周小蓉，黃立東，張華.新型機床軸承鋼的熱處理工藝優化[J].熱加工工藝，2016（24）：202-205.

[7] 王桂.回火溫度對GCr15軸承鋼組織和性能的影響[J].失效分析與預防，2016（6）：361-363.

[8] 李輝，房洪杰，代永娟，等.GCr15軸承鋼相變規律及合金元素的影響[J].熱加工工藝，2016（20）：72-74.

[9] 孔永華，李思貝，周江龍，等.等溫淬火工藝對GCr15鋼領組織和耐磨性的影響[J].金屬熱處理，2016（7）：95-99.

數值范圍用浪紋線

GB/T 15834—2011規定：浪紋線“～”用于連接數字范圍，如a～b，這里的a、b為不同的實數，因此，在科技書刊中，凡實數的數值范圍應當用“～”連接，不應采用一字線“—”。例如：0.25～0.75，750～780 ℃，190～220mm，0.9～1.2m/min。只有標示相關項目（如時間、地域等）的起止用一字線，例如：2011年2月3日—10日，北京—上海特別旅客快車。

（燕明宇）

Effect of Isothermal Annealing on Spheroidization of Carbides in GCr15 Steel

YANG Xiaocai1,XU Haiqiang2,WANG Yang2,LIU Yanxia1,CHEN Ming1
（1 Department of Materials Engineering,Hebei College of Industry and Technology,Shijiazhuang 050000 China;2 School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050091,China）

The spheroidizing effect of GCr15 steel was studied and themicrostructure was analyzed by SEM under different isothermal annealing.The results show that the carbide particles become smaller and smaller which is easy to form and grow into lamellar carbide with the increasing of the temperature.When the heating temperature is increased to 800℃,the carbide particles can grow into spherical shape independently,and even some of the particles begin to grow up with the increasing of the heating time.The optimum process of GCr15 steel is heating temperature of 780℃,keep heating time for 5 h,isothermal temperature of 700℃,isothermal time for 3 h.

GCr15 steel;isothermal annealing;microstructure;carbonization;spheroidization

TG156.2

A

1004-4620（2017）04-0041-03

*河北省科技廳重點研發計劃項目（16211032），河北省高等學校科學青年基金項目（QN2017138），河北工業職業學院項目（ZY2016006）。

2017-04-18

楊曉彩，女，1982年生，2009年畢業于河北理工大學金屬材料工程專業，碩士。現為河北工業職業技術學院材料工程系講師，研究方向為新鋼種的開發應用。