不同加熱溫度下軸承鋼脫碳的實驗研究

(1.寶鋼特鋼韶關有限公司特軋廠，廣東 韶關 512123;2.北京科技大學 能源與環境工程學院熱科學與能源工程系,北京 100083)

軸承鋼在工業建設中扮演了重要的角色，但在生產過程中其脫碳現象嚴重影響了使用性能。軸承鋼在加熱及熱處理過程中的脫碳現象主要由鋼坯內部的碳化物分解及碳原子向外的擴散造成的，當碳原子擴散到鋼坯表面后會和爐內的氣體分子(H2O、O2、CO2等)發生化學反應，然后離開鋼坯進入氣體，造成鋼坯內碳元素的減少[1-3]。在整個過程中碳化物的分解及碳原子的擴散過程是脫碳的主要控制因素，這兩者與鋼坯的溫度有著重要的聯系，鋼坯溫度的高低影響了碳原子的擴散速度，最終決定了脫碳層的厚度[4-5]。在軸承鋼的爐內加熱過程中，提高軸承鋼的加熱溫度會增加碳原子的擴散速度，造成大量碳原子擴散的表層后通過與氣體的化學反應擴散到外部，增加脫碳層的厚度[6]。脫碳過程除了溫度的影響外，爐內氣氛的影響也很重要，在某些爐內氣氛下，鋼坯表面鐵原子與氧原子很快結合，此時當爐內溫度提升時，氧原子會由鋼坯表面向鋼坯內部擴散，此時鋼坯已經脫碳的部分會被氧化，如果氧化的速度大于脫碳的速度，在鋼坯進行氧化鐵皮去除后將午飯觀察到脫碳層，只有當脫碳的速度大于氧化的速度，才能觀察到脫碳層的存在[7]。很多學者已經對不同種類的鋼坯脫碳行為進行了研究，肖金福等[8]研究了彈簧鋼55SiCrA在不同溫度和不同保溫時間的脫碳行為，研究發現其脫碳層厚度隨著溫度升高而加大，隨著保溫時間增加而加大，因此在生產過程中應當降低加熱過程的溫度和在高溫的停留時間。Liu Y等[9]研究了55SiCr鋼種在空氣中加熱時的脫碳狀況，在研究過程中重點關注了金相組織結構和脫碳層的形貌，同時在研究中考慮了碳在鋼的不同相中的擴散速度，取得了較好的研究效果。

1 實驗安排

1.1 實驗裝置

本次實驗裝置的示意圖如圖1所示。實驗過程的主要設備包括緊密多組分配氣系統、恒溫水浴槽、溫度測量系統、管式電阻爐、電子天平、金相顯微鏡等。實驗過程中爐內氣氛通過配氣系統調配后通入管式爐內，同時通過可通過恒溫水槽調節爐氣水分含量。

1.2 實驗材料

本文實驗研究所用的試樣樣品是高碳鉻GCr15軸承鋼軸承，試樣尺寸為10 mm×10 mm×15 mm，試樣化學成分如表1所示。

圖1 軸承鋼脫碳實驗裝置簡圖

表1 軸承鋼化學成分 %

1.3 實驗方案

本文主要研究GCr15軸承鋼在加熱及熱處理過程中加熱溫度對脫碳過程的影響。實驗過程中軸承鋼的溫度為700～1 200 ℃，保溫時間設定為40 min，加熱氣氛中水分含量為0.3%，其余氣氛為氮氣。本文的實驗方案如表2所示。

表2 加熱溫度對GCr15軸承鋼脫碳影響的實驗方案

2 實驗結果分析

按照本文設計的實驗方案，軸承鋼在不同的溫度下保溫40 min，保溫過程爐溫氣氛含水量為0.3%，升溫及冷卻過程為純氮氣。軸承鋼試樣冷卻后進行鑲樣、打磨、拋光和腐蝕處理，處理后的試樣進行編號并在金相顯微鏡下觀測脫碳情況，通過觀測得到的試樣脫碳層狀況如圖2所示。

圖2 不同溫度軸承鋼保溫40 min的脫碳情況

利用金相顯微鏡所拍攝的脫碳層狀況，按照國家標準(GB/T224—2008《鋼的脫碳層厚度測定法》)在最深的均勻脫碳區隨機進行5次測量并取其平均值作為試樣的脫碳層厚度，各試樣的測量值如表3所示，表3中編號a表示第一個溫度工況(試樣實際溫度)下的脫碳實驗，編號a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k分別表示11種溫度工況，軸承鋼試樣在實驗過程中的溫度分別為700、750、800、850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200 ℃。試樣脫碳深度為5次測量值的算術平均值。

表3 保溫40 min、0.3%H2O脫碳層厚度測量值 μm

由圖2和表3可看出，當軸承鋼試樣溫度為700 ℃時，最終經過處理后的試樣中沒有脫碳；當軸承鋼試樣溫度為750 ℃時，在最終處理后的試樣邊緣處已經可以看到脫碳，且均為全脫碳層，此時脫碳層金相組織為鐵素體組織，其晶粒呈柱狀，垂直于脫碳表面生長；當軸承鋼試樣溫度為850 ℃時，最終處理后的試樣開始存在部分脫碳層；當軸承鋼溫度到了900 ℃以后，最終經處理的試樣主要以部分脫碳層為主，部分脫碳層金相組織主要為奧氏體(鐵素體和珠光體的混合物)。加軸承鋼溫度到1 050 ℃后，試樣表面開始出現氧化，這是由于氣氛中的水分造成的。將11次實驗后得到的試樣總脫碳層平均深度繪制成曲線如圖3所示。由圖3可以看出，軸承鋼溫度在1 000 ℃以下時總脫碳層厚度增加較為緩慢，在1 050 ℃以后迅速增加，呈指數性增長。

圖3 總脫碳層厚度隨加熱溫度的變化

3 結 論

本文采用實驗手段通過自行搭建的實驗平臺對軸承鋼在不同溫度下的脫碳過程進行了研究，實驗過程中軸承鋼溫度為700～1 200 ℃，通過對實驗后軸承鋼的脫碳層厚度數據進行分析，得到了如下的主要結論：

(1) 軸承鋼發生完全脫碳時，其脫碳層金相組織為鐵素體，其晶粒呈柱狀，垂直于脫碳表面生長。在碳原子濃度分布上，完全脫碳層與鋼基體存在明顯的濃度跳躍，部分脫碳層的金相組織是奧氏體組織(鐵素體和珠光體的混合物)，其碳原子濃度梯度在脫碳層與鋼基體之間不存在跳躍。

(2) 隨著實驗過程中軸承鋼溫度的不斷升高，軸承鋼也出現了不同的脫碳類型。軸承鋼在750 ℃以下時基本不發生脫碳，在750～810 ℃時只發生完全脫碳，在810 ℃以上再由同時發生完全脫碳和部分脫碳過渡到最后只發生部分脫碳，脫碳層厚度隨溫度升高而增大。