GCr15軸承鋼軟化退火工藝

徐尚呈, 周立新, 劉光輝,2

(1.大冶特殊鋼有限公司 研究院, 黃石 435001；2.大冶特殊鋼有限公司 高品質特殊鋼湖北省重點實驗室, 黃石 435001)

GCr15軸承鋼在熱軋(鍛)狀態時的硬度較高，其布氏硬度一般不小于302 HBW，在鋸切下料、切削加工、冷壓力加工前,一般需對其進行退火處理。GCr15軸承鋼的退火分為軟化退火和球化退火。軟化退火的目的主要是消除應力、降低硬度，為下料提供便利；而球化退火不但可以消除應力、降低硬度，而且可以為淬火提供準備，減少材料的淬火變形和開裂。

GB/T 18254—2002 《高碳鉻軸承鋼》標準規定，GCr15軸承鋼退火后的硬度為179～207 HBW，為了保證對其硬度的要求，無論軟化退火還是球化退火，一般均需采用球化退火的工藝溫度進行退火。退火溫度一般控制在780～800 ℃。GB/T 18254—2016 已將軟化退火和球化退火的硬度要求進行了區分，軟化退火的布氏硬度不大于245 HBW，球化退火的布氏硬度為179～207 HBW。

筆者采用不同的退火溫度對GCr15軸承鋼進行熱處理，探索出了比球化退火工藝更為有效的軟化退火工藝。

1 試驗方法

GCr15軸承鋼生產工藝為：70 t電爐→LF(鋼包精煉爐)+RH(真空循環脫氣精煉爐)精煉→連鑄方坯→機組成材。成材過程采用控軋控冷工藝，控制鋼材碳化物網狀分布。最終成材為圓柱狀，直徑為40 mm。

GCr15軸承鋼材料中C元素的質量分數為0.96%，Si元素的質量分數為0.25%，Cr元素的質量分數為1.45%，Mn元素的質量分數為0.34%，P元素的質量分數為0.01%，S元素的質量分數為0.002%。其原始顯微組織為片狀珠光體+碳化物，布氏硬度為343 HBW。

采用精密切割機將成材切割成15 mm厚的圓柱試樣。采用箱式爐進行熱處理試驗，主要熱處理工藝為：分別在550，600，650，700，730，740，750，760，770，780，800，850，900 ℃下保溫，保溫時間均為180 min，再進行退火，爐溫不大于300 ℃后取出試樣，空冷至室溫。

試驗結束后，制備試樣，采用Quanta400F型掃描電鏡(SEM)觀察其顯微組織形貌，采用全自動布氏硬度計對不同退火狀態試樣的硬度進行測試。

2 試驗結果

2.1 退火溫度對GCr15軸承鋼顯微組織形貌的影響

經過不同溫度退火后，GCr15軸承鋼試樣的顯微組織形貌如圖1所示。從圖1a)可以看出:其熱軋狀態的顯微組織呈典型的細片狀，該組織以細片狀珠光體為主，晶界含有少量的二次碳化物；圖1b)是550 ℃退火時的顯微組織，可以看到組織和熱軋態相比基本沒有差異，主要是細片狀珠光體；從圖1c)～1h)可以看出，隨著退火溫度的升高，片狀珠光體的片層間距逐漸增大，直至消失，700 ℃退火時，片狀珠光體開始球化，顯微組織為球化珠光體+片狀珠光體，750 ℃退火時，明顯的片狀珠光體已經消失，顯微組織主要為球化碳化物顆粒和長條狀碳化物顆粒，碳化物已經彌散在鐵素體基體上；從圖1i)～1l)可以看出，760，770 ℃退火后的顯微組織類似，主要為球化碳化物顆粒及極少量長條狀碳化物顆粒，780，800 ℃退火時組織已經完全球化；從圖1m)～1n)可以看出，850℃時退火組織以球化碳化物為主，同時出現了粗片狀珠光體，900 ℃退火時，出現了大量粗片狀珠光體，同時伴有少量球化碳化物顆粒。

圖1 不同退火溫度下GCr15軸承鋼試樣的顯微組織形貌

2.2 退火溫度對GCr15軸承鋼硬度的影響

不同退火溫度與GCr15軸承鋼硬度的關系曲線如圖2所示。從圖2可以看出：在550 ℃退火時，硬度為340 HBW，與原始狀態GCr15軸承鋼的硬度相比，基本沒有變化；在600～760 ℃退火時，隨著退火溫度的升高，硬度逐漸降低；在760～850 ℃退火時，不同的退火溫度對應的硬度變化不大，硬度為185～200 HBW；當退火溫度提高到900 ℃時，硬度升高到242 HBW。

圖2 不同退火溫度與GCr15軸承鋼硬度的關系曲線

3 分析與討論

退火是將鋼加熱至臨界點AC1以上或以下的溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻，以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝[1]。由于臨界點受成分、升溫速率、冷卻速率等的影響，因此臨界點并不是固定值。一般GCr15軸承鋼臨界點AC1的溫度是725～760 ℃，臨界點ACCm的溫度是770～900 ℃[2]。

當溫度小于AC1溫度時，屬于低溫退火，硬度的降低主要取決于碳化物的形態及分布，即由片狀珠光體向球狀珠光體、由細球狀珠光體向粗球狀珠光體轉化。溫度越高，這種轉化越快也越完全，得到的硬度越低。因此，在760 ℃以下時，隨退火溫度的升高，GCr15軸承鋼的硬度逐漸降低。

當溫度略高于AC1溫度時，即在γ+Fe3C兩相區加熱，由于奧氏體化溫度比較低，因此奧氏體的碳含量是不均勻的，而且有未溶解的碳化物。在加熱過程中，未溶解的碳化物會由片狀珠光體逐漸轉變為球狀珠光體，而在隨后的緩冷及恒溫過程中，不均勻奧氏體的高碳處會成為碳化物的形核位置，從而使一部分碳化物直接長成球狀，另一部分仍以片狀成長的碳化物則在隨后的緩冷或恒溫過程中逐漸球化[3]。在760～850 ℃退火時，不同的退火溫度對應的硬度變化不大，硬度為185～200 HBW。

當溫度大于ACCm溫度時，開始完全退火轉變，此時碳化物溶解較充分，在隨后的緩冷過程中，由于部分區域缺少核心碳化物，因此比較均勻的奧氏體內不得不重新產生核心而出現片狀珠光體。一般加熱溫度越高，保溫時間越長，退火組織中也越會形成粗片狀珠光體[4]。在900 ℃退火時，硬度反而上升。

當溫度大于ACCm溫度時，緩冷退火，奧氏體有網狀二次滲碳體析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌度顯著降低[1]，因此即使退火溫度大于850 ℃，硬度滿足標準的要求，但生產實踐中仍不適用。

脫碳的過程分為兩個階段：碳化物的氧化與擴散。鋼表面的碳元素發生氧化，碳含量降低，引起表面和內部碳含量有差異，促使碳元素從內部向表面擴散。加熱溫度越高，原子熱運動就越劇烈，擴散速率就越大，脫碳的趨勢就越大[5]。在保證硬度滿足標準的前提下，退火溫度越低越好。

4 結論

(1) 在550 ℃退火時，GCr15軸承鋼的組織與熱軋狀態的組織相比基本沒有差異；在600～750 ℃退火時，隨著退火溫度的升高，細片狀珠光體的片層間距逐漸增大，到750 ℃時，片層狀珠光體基本消失，主要為球化碳化物顆粒和長條狀碳化物顆粒；在760～800 ℃退火時，隨著溫度的升高，組織逐漸趨向完全球化；在850～900 ℃退火時，隨著溫度的升高，粗片狀珠光體逐漸增加。

(2) 在550～900 ℃退火時，GCr15軸承鋼的硬度呈先下降后上升的趨勢；在760～850 ℃退火時，其硬度變化不大且較低，硬度為185～200 HBW。

(3) 在750～900 ℃退火時，硬度均小于245 HBW，滿足GB/T 18254—2016標準對軟化退火材料的要求；選擇750 ℃左右保溫的軟化退火工藝可使脫碳層最小。