GCr15球化退火材料表層片狀珠光體的成因及危害

袁士春，張艷，王天斌，梁華, 諸美娟

(1.無錫凱明金屬制品有限公司，江蘇 無錫 214000；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；3.無錫鑫皇機械有限公司,江蘇 無錫 214000)

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性能。近年來隨著科學技術的發展及研究工作的持續進行，GCr15鋼產品質量不斷提高，熱處理工藝及其檢驗標準也隨之不斷進步并逐漸完善[1]。

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珠光體，通過球化退火可使組織變為均勻分布的細粒狀珠光體，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255～340 HBW，尤其不適用于車削加工)；3)提高塑性，便于冷拉和沖壓[2]。

在金相檢驗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，對后續加工工藝及產品質量的影響也不同，嚴重者可造成大量廢品。因此，需要針對珠光體的形態和分布分析其產生的原因，認清危害并制定應對措施。

1 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、細片狀珠光體或兩者的混合體，亦允許有較細的碳化物網(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變狀況。GCr15鋼球化退火溫度在790 ℃左右的奧氏體+滲碳體兩相區中，經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狀滲碳體逐漸溶斷轉變成球狀滲碳體，從而得到球狀珠光體組織[3]。

圖1 GCr15鋼熱軋(鍛)材典型的顯微組織Fig.1 Typical microstructure of GCr15 steel hot-rolled(forged)material

圖2 Cr質量分數為1.6%時Fe-Cr-C合金狀態圖的垂直截面(局部)[4]Fig.2 Vertical section of Fe-Cr-C alloy when Cr=1.6% (partial)[4]

2 球化退火后的表層缺陷組織及其危害

GCr15鋼經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，會直接影響后續的冷加工、淬回火熱處理質量乃至最終的產品質量。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或出現片狀珠光體區確定為部分脫碳區”，但實際工作中有可能看到表層片狀珠光體即判為脫碳，但根據熱處理相關理論[3]和工作實踐，認為軸承鋼球化退火后表層片狀珠光體不全是由于脫碳產生的，需根據實際情況進行判定。

2.1 熱軋(鍛)材脫碳遺傳產生的粗片狀珠光體

2.1.1 產生原因

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使球化退火相變溫度降低，若表層脫碳較嚴重，則球化退火后會轉變為粗片狀珠光體，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。

圖3 材料表層局部脫碳層中粗片狀珠光體形貌Fig.3 Morphology of coarse lamellar pearlite in partial decarburization layer of material surface

2.1.2 危害

當材料表層粗片狀珠光體較深時易殘留在零件表面。在后續淬火加熱過程中，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，導致脫碳層的奧氏體晶粒長得較大，當冷卻條件較好能發生馬氏體轉變時，馬氏體有機會長得較粗大，也會出現粗大的低碳板條馬氏體，造成表層相對過熱的假像(圖4)[3]。脫碳層硬度偏低，硬磨時精度較低，一旦遺留在產品表面則會降低其耐磨性，縮短接觸疲勞壽命。另外，嚴重的脫碳層還會造成產品淬火開裂，形成廢品[4](圖5)。

圖4 成品鋼球表面殘留的脫碳層形貌Fig.4 Morphology of decarburized layer remaining on surface of finished steel ball

圖5 鋼球因存在嚴重脫碳而導致的淬火開裂Fig.5 Cracking of steel balls due to severe decarburization in quenching process

2.2 降溫冷卻速度過快產生的細片狀珠光體

2.2.1 產生原因

如果球化退火保溫后冷卻速度過快，將會干擾或終止表層已溶斷滲碳體的球化過程，并使表層出現細小、密集分布的粒狀碳化物(俗稱密團)，甚至出現共析細片狀珠光體(圖6)。這一區域只有碳化物形態的異常，無碳化物明顯減少的現象，由于該區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+再結晶退火使次表層得到正常組織，但應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(細片狀珠光體)區分開，絕不能混為一體。

圖6 表層點狀和細片狀珠光體形貌Fig.6 Surface morphology of dotlike and fine lamellar pearlite

2.2.2 危害

將表層的脫碳層和細片狀珠光體一起算作總脫碳層測量深度，會對退火爐的爐況評價及工藝調整產生誤導，也會造成供需雙方的質量爭議，易引起不必要的糾紛。若細片狀珠光體層較深，還會引起冷拉橫裂甚至斷裂,從而導致產品報廢。

2.3 加熱速度過快沖溫產生的粗片狀珠光體

2.3.1 產生原因

對球化退火材料進行金相檢驗時，有時會發現經腐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，嚴重的甚至可觀察到粗晶現象，典型形貌如圖7所示，這是熱軋材退火時因加熱速度過快沖溫而產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，經分析黑色區組織即為粗片狀珠光體，其形貌如圖8所示。

圖7 φ16 mm鋼絲金相試樣宏觀形貌(浸蝕后)Fig.7 Macromorphology of φ16 mm steel wire metallographic sample (after erosion)

圖8 軟磨鋼球冷酸洗后形貌Fig.8 Morphology of soft grinding steel ball after cold pickling

球化退火在接近保溫溫度時，因加熱速度過快會產生一定的升溫慣性，并出現沖溫現象。如果沖溫使溫度升至奧氏體區，致使表層奧氏體成分均勻化，即使隨后溫度回落至設定的奧氏體+滲碳體兩相區，但表層奧氏體仍會保持成分均勻化這一狀態，此時冷卻后該層就會形成相當于完全退火的共析轉變組織——粗片狀珠光體[5]。

在沖溫時段，表層處于圖1所示SE線附近的高溫狀態，在沒有保護氣氛的球化爐中，即使不存在脫碳氣氛，也會發生碳原子向外擴散，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狀滲碳體或片間距無明顯差異，則表明脫碳輕微。這種現象(圖9和圖10)大都出現在有碳勢保護氣氛的球化爐中。

圖9 鋼絲表層粗片狀珠光體形貌(臺車爐退火)Fig.9 Morphology coarse lamellar pearlite on surface layer of steel wire (trolley furnace annealing)

圖10 鋼管橫裂紋表層組織(連續爐退火)Fig.10 Surface structure of steel pipe transverse crack(continuous furnace annealing)

若沖溫不嚴重，僅表層出現過熱組織，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+再結晶退火，使其減薄變淺而成為合格品。

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

使用無保護氣氛和對流風的井式爐和臺車爐生產的球化退火盤條，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，所以沖溫力度遠大于其他部位。

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

圖11 退火爐加熱曲線示意圖Fig.11 Diagram of heating curve of annealing furnace

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，在拉拔時表面易出現橫裂甚至斷裂；即使拉拔時不開裂，也易導致后道冷鐓加工工序發生開裂(圖12和圖13)，危害極大[6]。

圖12 冷拔鋼管表面橫裂形貌Fig.12 Surface transverse crack morphology of cold-drawn steel tube

圖13 退火鋼絲經鐓粗后發生剪切開裂Fig.13 Shear-cracking of annealed steel wire after upsetting

2.3.3 討論

實踐證明，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。前者不會產生開裂，后者有可能產生開裂，但當按照GB/T 224—2019判定為脫碳層時，兩者都符合相關產品標準要求，應為合格品。這種情況就易造成供需雙方的質量爭議，對這種因表面沖溫過熱產生的粗片狀珠光體層的缺陷性質，有必要進行確切的定性。

3 結束語

GCr15熱軋鋼材經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，應根據片狀珠光體的形貌，如分布狀態(周邊或局部)、深度、片間距有無明顯變化(明顯的過渡區)進行判定，有明顯變化者應判為脫碳。正常情況下，脫碳層片間距相對較大，其形貌呈現為粗片。

一般而言，表層局部存在粗片狀珠光體，應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狀碳化物，不作為脫碳，是加熱沖溫和退火爐保護氣氛碳勢過高而產生的表層異常組織。

對于表層存在細片狀珠光體或細片狀珠光體+密團，不作為脫碳，需調整冷卻工藝。

GCr15鋼球化退火材料的金相檢驗結果對球化退火操作具有指導性，如果球化退火的工藝制定者、操作工及檢驗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)的產生原因，就可避免此類缺陷組織的再次產生。