關于GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳問題研究

賈 奇 朱培榮

江陰市七星機械設備制造有限公司 江蘇 江陰 214400

1 引言

在滾動軸承生產制造中，因生產工藝等原因造成鋼軸承套圈表層脫碳的現象，這是軸承早期失效的重要原因。GCr15鋼軸承套圈在球化退火工序中出現的表層脫碳有全部脫碳和部分脫碳兩種情況，無論哪種情況本質上都是在退火的過程中生成了鐵素體或珠光體物質，從而對退火后的鋼軸承套圈性能品質造成不利影響，套圈表面硬度降低，產生退火軟點直接導致軸承套圈的抗疲勞強度和耐磨性能降低，使鋼軸承套圈早期失效。

2 GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳現象

表層脫碳中的全部脫碳情況是在軸承套圈表層產生全鐵素體組織，而部分脫碳情況是在軸承套圈表層產生鐵素體+片狀珠光體[1]。

3 GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳機理

發生表層脫碳時本質上對應了理化反應。一方面，軸承鋼材質表面的碳元素與外界有氧環境中的氧氣發生反應，生成了氣態的一氧化碳脫離軸承鋼本體材質[2]。這一化學反應速度主要取決于爐氣中的含碳量。另一方面，一旦脫碳反應進行，軸承鋼材質表面的碳元素數量逐漸降低，并在材質表層形成了碳元素含量梯度。形成碳元素含量梯度的快慢主要取決于鋼軸承表層中碳元素的擴散速度。在球化退火工序中，鋼軸承材質表層除了碳元素發生化學反應以外，鐵元素也發生反應。鐵元素的化學反應主要是在氧氣條件下被氧化成致密的氧化膜，隨著反應的進行，氧化膜的存在反而會阻止鐵元素的進一步氧化。而碳元素氧化反應后產生了不穩定的氣體，一氧化碳很容易逸出，因此造成了鋼軸承表層碳元素含量降低，外在表現出表層脫碳的現象。對于鋼軸承而言，碳元素是鋼材質基礎強度的重要表征因素，通常情況下，碳含量越高，鋼材質的基礎強度越強；反之，鋼材質的基礎強度越弱。因此對鋼材表面脫碳現象用鋼材質表層碳元素氧化來進行表達。

鋼軸承套圈球化退火表層脫碳的過程同時伴隨著鋼材質表層微組織結構的變化。對GCr15鋼軸承球化退火表層脫碳的過程進行分析，在共析轉變溫度760℃，碳在奧氏體中溶解溫度900℃，退火溫度795℃條件下，軸承套圈球化退火前后的滲碳體體積不變，體積恒定的情況下，鋼材質表層片狀滲碳體發生球化使表面能最低，這一過程是熱力學自發過程。在室溫條件下，片狀滲碳體晶格中的原子能不夠，此時維持在相對穩定的狀態。當外界溫度升高，直到達到片狀滲碳體球化溫度，之后片狀滲碳體晶格中的原子振動頻率升高，原子能增大，很容易擺脫晶格束縛向外擴散，晶格原子發生解構和重組[3]。雖然這一個過程是一個熱力學自發的過程，但是如果沒有外力因素的驅動，該過程耗時很長。實際生產工藝中，通過加熱促進片狀珠光體析出鐵素體，鐵素體融入并轉化為奧氏體。相對于鐵素體，奧氏體的溶碳能力更強，因此大大促進了片狀珠光體中碳元素融入奧氏體的速度，這樣的條件無疑加速了碳原子的遷移，有利于球化退火進程。

第一種情況：爐氣中含碳量較高的情況下。在退火過程中，片狀滲碳體首先從亞晶界裸露的部位發生溶解，隨著晶格溶解，片狀滲碳體逐漸斷裂，碳元素融入到奧氏體中并隨著奧氏體遷移到曲率較小的位置，逐漸沉積，實現球化。保溫狀態下，斷裂殘留的滲碳體和奧氏體處于共存狀態。溫度冷卻后，奧氏體轉變為鐵素體，超過飽和度的碳元素被排出，在曲率較小的位置沉積越來越多的碳元素，最終表現為以參與滲碳體質點為核心的球狀顆粒碳化物。

第二種情況：爐氣中含碳量較低的情況下，片狀滲碳體的溶解與上述情況有差異。在保溫狀態下，斷裂殘留的滲碳體完全溶解在奧氏體中，鋼軸承材料表層形成一個相區，即單相的奧氏體。由于GCr15鋼材質中含有較多的鉻，因此單相奧氏體更容易形成單一穩定體，而不是滲碳體和奧氏體共析的狀態。奧氏體冷卻的過程中，部分形成片狀珠光體，表現為鋼軸承退火表層局部脫碳的特征。如果保溫狀態下，滲碳體部分溶解在奧氏體中，材料表層形成兩個相區，一個是奧氏體單相區，另一個是滲碳體和奧氏體兩相區。溫度冷卻后，單相區奧氏體生成片狀珠光體，而滲碳體和奧氏體兩相區實現滲碳體球化，形成材料表層局部脫碳現象。如果爐氣中含碳量很低，保溫狀態下形成滲碳體和奧氏體的兩相區較多，此時脫碳情況更加嚴重，再加上保溫時間過程較長，鋼軸承材料極容易出現表層完全脫碳。

4 結論及建議

通過對GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳的機理進行分析，得到在一般情況下，爐氣碳含量越低，保溫時間越長，鋼軸承材質表層脫碳越嚴重，脫碳層越深。因此在實際的生產過程中可以通過工藝條件或參數的改善優化，盡可能避免引起鋼軸承表層脫碳的條件。鋼軸承套圈球化退火時，爐氣碳含量控不當，或者存在漏氣的情況造成爐內碳含量分布不均，更容易引起表層嚴重脫碳，這是導致軸承套圈球化退火表層脫碳的主要原因。因此建議在GCr15鋼軸承套圈球化退火工藝中，對爐氣含碳量和碳含量分布均勻度進行嚴格控制，保證爐氣含碳量充足并確保爐內氣氛保持均勻。

5 結語

在滾動軸承生產制造中，因生產工藝等原因造成鋼軸承套圈表層脫碳的現象，這是軸承早期失效的重要原因。在GCr15軸承套圈球化退火過程中，由于爐氣含碳量偏低造成軸承套圈退火表層形成單相的奧氏體。在溫度冷卻時，存在片狀滲碳體和奧氏體的單相或兩相。單相奧氏體在冷卻過程中生成片狀珠光體，導致鋼軸承材料表層局部脫碳。爐氣碳含量越低，保溫時間越長，鋼軸承材質表層脫碳越嚴重，脫碳層越深。本文圍繞GCr15軸承套圈球化退火的問題進行了分析探討，為生產工藝條件優化提供參考。