球化退火工藝對軸承鋼線材碳化物的相關影響分析

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引言

GCr15鋼軸承是高碳鉻軸承鋼的主要代表種類，在機械制造行業應用十分廣泛。在制備滾動軸承的生產過程中，球化退火工藝在很大程度上影響著軸承產品性能和質量。為此，本文對GCr15鋼軸承球化退火工藝進行了實驗，分析不同工藝條件下軸承鋼線材碳化物的影響。

1 試驗方法

試驗材料為GCr15軸承鋼，材料組分質量分數如下：

C：1.04%；Cr：1.55%；Si：0.25%；Mn：0.28%

采用熱膨脹儀對軸承鋼的相變點進行測量。對鋼材料樣品以5℃/min進行升溫，加熱到1000℃，然后保溫5min，之后再以5℃/min的速度降溫，得到軸承鋼的相變點為750℃。

球化退火試驗的主要設備為箱式電阻爐。將軸承鋼制成圓柱形樣品，截面直徑25mm，高度10mm。將樣品升溫到900℃，然后保溫2h，之后空氣冷卻至600℃，之后再放入到600℃的爐中，保溫1h，然后冷卻至室溫，得到片狀珠光體[1]。然后對片狀珠光體采取兩種退火工藝，一種為等溫退火工藝，另一種為循環退火工藝。

等溫退火工藝：第一組樣品，將試樣升溫到700℃，然后保溫10h后冷卻至室溫。

循環退火工藝：第二組樣品，將試樣升溫到770℃，保溫15min后冷卻到700℃；再升溫到770℃，保溫15min后冷卻到700℃；再升溫到770℃，保溫15min后冷卻到700℃；再升溫到770℃，保溫15min后冷卻至室溫。（總共四個升溫-保溫循環）。第三組樣品，將試樣升溫到790℃，保溫15min后冷卻到700℃；再升溫到770℃，保溫15min后冷卻到700℃；再升溫到770℃，保溫15min后冷卻到700℃；再升溫到770℃，保溫15min后冷卻至室溫。第三組和第二組試驗的區別在于，第三組試樣首次升溫到790℃，而第二組試樣首次升溫到770℃。通過對首次升溫設置不同的溫度，觀察和分析樣品退火工藝后表層碳化物是否有變化。

采用X射線掃描儀試驗中對退火工藝后試樣材料表面微觀組織結構進行檢測分析。將退火后的試樣進行研磨拋光，然后用X射線掃描儀測量試樣中的碳化物體積分數。用4%的硝酸酒精容易對試樣進行侵蝕，去除試樣表面雜質，然后用掃描電子顯微鏡對其進行微觀組織結構觀察，并利用軟件計算試樣表面碳化物顆粒直徑[2]。

2 結果

等溫退火工藝下的第一組樣品在經過掃描電子顯微鏡觀察后發現，樣品退火后材料表層碳化物主要為片狀珠光體。軟件計算后得到樣品材料表層片狀珠光體之間的平均間距為片狀珠光體之間最小間距的1.65倍。

循環退火工藝下的第二組樣品在經過掃描電子顯微鏡觀察后發現，樣品退火后材料表層碳化物主要為片狀珠光體，但片狀珠光體數量比第一組樣品的片狀珠光體數量更多。從碳化物球化完全程度看，第二組樣品碳化物球化成不規則球狀，碳化物顆粒整體分布均勻。

對第二組和第一組樣品表層碳化物顆粒的圓整度進行表征，即計算每個碳化物顆粒中心不同方向的直徑，然后取平均值得到碳化物的直徑，將碳化物顆粒的最大直徑和最小直徑之比作為碳化物顆粒圓整度表征參數（F）。當F值越小時，碳化物顆粒的最大直徑和最小直徑越接近，此時代表碳化物顆粒的圓整度越好；反之，則代表碳化物顆粒的圓整度越差。試驗中，將F值超過3的顆粒去除，僅統計F值小于3的情況。計算結果表明，第二組樣品的F值比第一組樣品的F值更小，說明第二組樣品表層碳化物顆粒圓整度比第一組樣品表層碳化物顆粒圓整度更好，第二組樣品比第一組樣品的碳化物球化程度更好。

循環退火工藝下的第三組樣品在經過掃描電子顯微鏡觀察后發現，樣品退火后材料表層碳化物的球化程度更高，顆粒分布更加均勻。對碳化物顆粒圓整度表征參數進行計算，得到的F值比第二組樣品的F值更小，說明第三組樣品比第二組樣品的碳化物球化程度更好。試驗結果表明，在首次升溫時適當提高溫度有利于軸承鋼材料球化。

3 討論與建議

本試驗中軸承鋼的相變點為750℃，第二組樣品首次升溫至770℃，第三組樣品首次升溫至790℃，在相變點溫度以上，適當升高溫度能夠促進滲碳體與奧氏體的共溶，有利于軸承鋼基材組織中碳化物的溶解，這樣就使基材組織中未溶解的碳化物顆粒更細更均勻，在退火工藝后表現出更好的碳化物球化效果。

本試驗中對等溫退火和循環退火兩種工藝進行了對比，從試樣退火后碳化物球化狀態看得到明顯的差異。根據試驗結果，在GCr15軸承鋼退火工藝中，可以采用間隔循環的退火方式來提升軸承鋼碳化物球化效果。同時在循環退火工藝中，適當提升首次升溫溫度，也有利于碳化物球化。