基于離異共析的軸承鋼快速球化的熱力學(xué)模型解析

姜荃　尹志新

摘 要：離異共析是指鋼在共析反應(yīng)中碳化物依附在原有滲碳體顆粒上非均勻形核并長(zhǎng)大成球狀顆粒，而鐵素體則向奧氏體生長(zhǎng)得到等軸晶粒。文章探討了促發(fā)離異共析反應(yīng)的因素，依據(jù)固態(tài)相變理論，建立碳化物長(zhǎng)大的熱力學(xué)模型，并討論了過冷度對(duì)反應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：軸承鋼；離異共析；快速球化退火

球化退火是軸承鋼的一道重要的熱處理工序，良好的球化組織可使鋼的淬火效果均一，從而減少淬火變形，提高淬火硬度，改變工件切削性能，提高軸承的耐磨性。傳統(tǒng)的球化退火工藝往往需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間，這極大的使生產(chǎn)效率降低，消耗大量能源。由此可見，研發(fā)軸承鋼快速球化退火工藝就顯得十分必要。離異共析轉(zhuǎn)變?cè)硎菍?shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的理論依據(jù)。

1 離異共析轉(zhuǎn)變描述

離異共析轉(zhuǎn)變?cè)硎菍?shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的理論依據(jù)。一般情況下，過冷奧氏體分解遠(yuǎn)離平衡態(tài)，因此就會(huì)出現(xiàn)碳濃度的漲落，奧氏體中就會(huì)出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū)，在貧碳區(qū)中形成鐵素體，而在富碳區(qū)析出滲碳體或碳化物，這種共析共生，是其相互作用的結(jié)果。鐵素體和滲碳體兩相相互激發(fā)形核以及隨后的合作協(xié)調(diào)及匹配的長(zhǎng)大，最終得到片狀珠光體組織。而離異共析轉(zhuǎn)變是指在一定過冷度和冷卻速度下，得到彌散分布在鐵素體基體上的碳化物顆粒，而非片狀珠光體組織。

研究表明，要實(shí)現(xiàn)離異共析轉(zhuǎn)變需滿足兩個(gè)條件：一是適當(dāng)?shù)募訜釡囟纫员ＷC奧氏體的不均勻性，使奧氏體中存在大量未溶碳化物，這將是碳化物成球狀析出的形核核心；二是冷卻速度一定要緩慢，以便使得碳化物成球狀長(zhǎng)大，而非片狀析出。

以GCr15軸承鋼為例，當(dāng)有大量的不均勻奧氏體和殘余碳化物，在經(jīng)過一定過冷度后保溫，通過冷卻奧氏體分解成奧氏體和滲碳體的亞穩(wěn)定相，并且析出滲碳體相并附著在周圍的殘余碳化物上，從而使碳化物長(zhǎng)大，使得部分地區(qū)濃度得以平衡；而芯部的不均勻奧氏體的碳濃度很低，非常容易形核鐵素體相，這就增加了碳原子的有效擴(kuò)散距離，并使得鐵素體和滲碳體相相向長(zhǎng)大。

2 離異共析轉(zhuǎn)變熱力學(xué)模型和過冷度分析

2.1 熱力學(xué)模型。共析轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散性相變，畸變能非常小，因此忽略共析轉(zhuǎn)變的畸變能。相變過程中，相變驅(qū)動(dòng)力：

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd+ΔGm （1）

ΔG為相變過程中的兩相自由能差，在這里即珠光體與奧氏體的自由能差，ΔG∞/β為界面能增量，ΔGd為碳原子擴(kuò)散所需能量，ΔGm為界面遷徙所需要能量。

由于離異共析轉(zhuǎn)變所發(fā)生溫度在A1溫度稍下范圍，過冷度較低，相變的驅(qū)動(dòng)力主要消耗在θ/α界面的形成和碳原子擴(kuò)散上，而對(duì)界面遷徙所需要的能量，由于其很小，則忽略。

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd （2）

對(duì)于片層珠光體組織，單位滲碳體形成表面所增加的表面能

ΔGα/β Lam= （3）

σ1為片層珠光體中鐵素體與滲碳體的界面能。K為過冷奧氏體生成的珠光體中碳化物所占的體積分?jǐn)?shù)。So=×10-4（cm/K），為珠光體的片層間距。

奧氏體過冷，碳化物析出，由于碳化物與奧氏體間是非共格界面，設(shè)A為界面面積，σ為球狀碳化物與鐵素體之間的界面能，并忽略畸變能的影響。在球化長(zhǎng)大過程中，碳化物顆粒半徑從r1長(zhǎng)大到r2，其顆粒體積增加π（r22-r21），表面積增加4π（r22-r21）。因此，粒狀碳化物（用ΔGα/β Deg表示）析出單位摩爾碳化物所增加的a/β界面能為：

ΔGα/β Deg= （4）

本模型認(rèn)為在離異共析轉(zhuǎn)變過程中，不會(huì)有新核心生成。其中r1與r2的顆粒半徑關(guān)系為：

（5）

其中，V0為不均勻奧氏體化后剩余碳化物的體積分?jǐn)?shù)，Vt為軸承鋼中碳化物完全析出時(shí)的體積分?jǐn)?shù)，σ為求狀碳化物與鐵素體之間的界面能。

有5式可得：

r2= （6）

2.2 過冷度分析。球化過程過冷度也是一個(gè)必須要討論的影響因素，過冷度較大，球化效果不明顯，過冷度較小則球化時(shí)間很長(zhǎng)，因此探討基于離異共析反應(yīng)的最優(yōu)過冷度就顯得很必要。過冷度的確定取決于奧氏體化的程度，即一定的奧氏體化條件，要實(shí)現(xiàn)完全球化，就必須要有一個(gè)最優(yōu)過冷度ΔTL，當(dāng)實(shí)際過冷度大于最優(yōu)過冷度時(shí)，按照正常共析分解成片狀珠光體；如果小于臨界過冷度，則按照離異共析分解。

由2式有：

ΔG-ΔG∞/β=ΔGd （7）

將3式、4式帶入7式，得：

ΔTL= （8）

參考式6，得：

ΔTL= （9）

式中，ΔTL-臨界過冷度，K-過冷奧氏體生成珠光體中碳化物所占體積分?jǐn)?shù)，σ-求狀碳化物與鐵素體見的界面能，σ1-片狀珠光體鐵素體滲碳體的界面能，Vt-軸承鋼中碳化物的體積分?jǐn)?shù)，V0-未溶碳化物的體積分?jǐn)?shù)，r2-奧氏體化后剩余碳化物的顆粒半徑。

通過上述公式可以看出，球化退火過程中，最優(yōu)過冷度的確定主要是根據(jù)奧氏體化的未溶碳化物體積分?jǐn)?shù)以及奧氏體化后剩余碳化物的顆粒半徑而確定的，這與加熱溫度是相輔相成的。

3 結(jié)論

3.1 依據(jù)固態(tài)相變理論，討論了共析反應(yīng)和離異共析反應(yīng)機(jī)理的相變機(jī)制。

3.2 根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，探討了離異共析反應(yīng)的熱力學(xué)模型和最優(yōu)過冷度，表明奧氏體化時(shí)剩余碳化物的體積分?jǐn)?shù)與顆粒半徑是決定最優(yōu)過冷度的主要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel[J].Metall Mater Trans A，2000（10）： 2431-438.

[2] 馬寶國(guó)，楊洪波，朱伏先等.GCr15軸承鋼中滲碳體的奧氏體化行為研究[J].熱加工工藝，2009（20）：5-8.

[3] 徐耀祖.相變?cè)韀M].科學(xué)出版社，1988.

[4] 陳其偉，關(guān)建輝，朱國(guó)輝等.GCr15鋼快速球化中離異共析轉(zhuǎn)變臨界過冷度的物理模型[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，3..

摘 要：離異共析是指鋼在共析反應(yīng)中碳化物依附在原有滲碳體顆粒上非均勻形核并長(zhǎng)大成球狀顆粒，而鐵素體則向奧氏體生長(zhǎng)得到等軸晶粒。文章探討了促發(fā)離異共析反應(yīng)的因素，依據(jù)固態(tài)相變理論，建立碳化物長(zhǎng)大的熱力學(xué)模型，并討論了過冷度對(duì)反應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：軸承鋼；離異共析；快速球化退火

球化退火是軸承鋼的一道重要的熱處理工序，良好的球化組織可使鋼的淬火效果均一，從而減少淬火變形，提高淬火硬度，改變工件切削性能，提高軸承的耐磨性。傳統(tǒng)的球化退火工藝往往需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間，這極大的使生產(chǎn)效率降低，消耗大量能源。由此可見，研發(fā)軸承鋼快速球化退火工藝就顯得十分必要。離異共析轉(zhuǎn)變?cè)硎菍?shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的理論依據(jù)。

1 離異共析轉(zhuǎn)變描述

離異共析轉(zhuǎn)變?cè)硎菍?shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的理論依據(jù)。一般情況下，過冷奧氏體分解遠(yuǎn)離平衡態(tài)，因此就會(huì)出現(xiàn)碳濃度的漲落，奧氏體中就會(huì)出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū)，在貧碳區(qū)中形成鐵素體，而在富碳區(qū)析出滲碳體或碳化物，這種共析共生，是其相互作用的結(jié)果。鐵素體和滲碳體兩相相互激發(fā)形核以及隨后的合作協(xié)調(diào)及匹配的長(zhǎng)大，最終得到片狀珠光體組織。而離異共析轉(zhuǎn)變是指在一定過冷度和冷卻速度下，得到彌散分布在鐵素體基體上的碳化物顆粒，而非片狀珠光體組織。

研究表明，要實(shí)現(xiàn)離異共析轉(zhuǎn)變需滿足兩個(gè)條件：一是適當(dāng)?shù)募訜釡囟纫员ＷC奧氏體的不均勻性，使奧氏體中存在大量未溶碳化物，這將是碳化物成球狀析出的形核核心；二是冷卻速度一定要緩慢，以便使得碳化物成球狀長(zhǎng)大，而非片狀析出。

以GCr15軸承鋼為例，當(dāng)有大量的不均勻奧氏體和殘余碳化物，在經(jīng)過一定過冷度后保溫，通過冷卻奧氏體分解成奧氏體和滲碳體的亞穩(wěn)定相，并且析出滲碳體相并附著在周圍的殘余碳化物上，從而使碳化物長(zhǎng)大，使得部分地區(qū)濃度得以平衡；而芯部的不均勻奧氏體的碳濃度很低，非常容易形核鐵素體相，這就增加了碳原子的有效擴(kuò)散距離，并使得鐵素體和滲碳體相相向長(zhǎng)大。

2 離異共析轉(zhuǎn)變熱力學(xué)模型和過冷度分析

2.1 熱力學(xué)模型。共析轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散性相變，畸變能非常小，因此忽略共析轉(zhuǎn)變的畸變能。相變過程中，相變驅(qū)動(dòng)力：

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd+ΔGm （1）

ΔG為相變過程中的兩相自由能差，在這里即珠光體與奧氏體的自由能差，ΔG∞/β為界面能增量，ΔGd為碳原子擴(kuò)散所需能量，ΔGm為界面遷徙所需要能量。

由于離異共析轉(zhuǎn)變所發(fā)生溫度在A1溫度稍下范圍，過冷度較低，相變的驅(qū)動(dòng)力主要消耗在θ/α界面的形成和碳原子擴(kuò)散上，而對(duì)界面遷徙所需要的能量，由于其很小，則忽略。

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd （2）

對(duì)于片層珠光體組織，單位滲碳體形成表面所增加的表面能

ΔGα/β Lam= （3）

σ1為片層珠光體中鐵素體與滲碳體的界面能。K為過冷奧氏體生成的珠光體中碳化物所占的體積分?jǐn)?shù)。So=×10-4（cm/K），為珠光體的片層間距。

奧氏體過冷，碳化物析出，由于碳化物與奧氏體間是非共格界面，設(shè)A為界面面積，σ為球狀碳化物與鐵素體之間的界面能，并忽略畸變能的影響。在球化長(zhǎng)大過程中，碳化物顆粒半徑從r1長(zhǎng)大到r2，其顆粒體積增加π（r22-r21），表面積增加4π（r22-r21）。因此，粒狀碳化物（用ΔGα/β Deg表示）析出單位摩爾碳化物所增加的a/β界面能為：

ΔGα/β Deg= （4）

本模型認(rèn)為在離異共析轉(zhuǎn)變過程中，不會(huì)有新核心生成。其中r1與r2的顆粒半徑關(guān)系為：

（5）

其中，V0為不均勻奧氏體化后剩余碳化物的體積分?jǐn)?shù)，Vt為軸承鋼中碳化物完全析出時(shí)的體積分?jǐn)?shù)，σ為求狀碳化物與鐵素體之間的界面能。

有5式可得：

r2= （6）

2.2 過冷度分析。球化過程過冷度也是一個(gè)必須要討論的影響因素，過冷度較大，球化效果不明顯，過冷度較小則球化時(shí)間很長(zhǎng)，因此探討基于離異共析反應(yīng)的最優(yōu)過冷度就顯得很必要。過冷度的確定取決于奧氏體化的程度，即一定的奧氏體化條件，要實(shí)現(xiàn)完全球化，就必須要有一個(gè)最優(yōu)過冷度ΔTL，當(dāng)實(shí)際過冷度大于最優(yōu)過冷度時(shí)，按照正常共析分解成片狀珠光體；如果小于臨界過冷度，則按照離異共析分解。

由2式有：

ΔG-ΔG∞/β=ΔGd （7）

將3式、4式帶入7式，得：

ΔTL= （8）

參考式6，得：

ΔTL= （9）

式中，ΔTL-臨界過冷度，K-過冷奧氏體生成珠光體中碳化物所占體積分?jǐn)?shù)，σ-求狀碳化物與鐵素體見的界面能，σ1-片狀珠光體鐵素體滲碳體的界面能，Vt-軸承鋼中碳化物的體積分?jǐn)?shù)，V0-未溶碳化物的體積分?jǐn)?shù)，r2-奧氏體化后剩余碳化物的顆粒半徑。

通過上述公式可以看出，球化退火過程中，最優(yōu)過冷度的確定主要是根據(jù)奧氏體化的未溶碳化物體積分?jǐn)?shù)以及奧氏體化后剩余碳化物的顆粒半徑而確定的，這與加熱溫度是相輔相成的。

3 結(jié)論

3.1 依據(jù)固態(tài)相變理論，討論了共析反應(yīng)和離異共析反應(yīng)機(jī)理的相變機(jī)制。

3.2 根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，探討了離異共析反應(yīng)的熱力學(xué)模型和最優(yōu)過冷度，表明奧氏體化時(shí)剩余碳化物的體積分?jǐn)?shù)與顆粒半徑是決定最優(yōu)過冷度的主要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel[J].Metall Mater Trans A，2000（10）： 2431-438.

[2] 馬寶國(guó)，楊洪波，朱伏先等.GCr15軸承鋼中滲碳體的奧氏體化行為研究[J].熱加工工藝，2009（20）：5-8.

[3] 徐耀祖.相變?cè)韀M].科學(xué)出版社，1988.

[4] 陳其偉，關(guān)建輝，朱國(guó)輝等.GCr15鋼快速球化中離異共析轉(zhuǎn)變臨界過冷度的物理模型[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，3..

摘 要：離異共析是指鋼在共析反應(yīng)中碳化物依附在原有滲碳體顆粒上非均勻形核并長(zhǎng)大成球狀顆粒，而鐵素體則向奧氏體生長(zhǎng)得到等軸晶粒。文章探討了促發(fā)離異共析反應(yīng)的因素，依據(jù)固態(tài)相變理論，建立碳化物長(zhǎng)大的熱力學(xué)模型，并討論了過冷度對(duì)反應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：軸承鋼；離異共析；快速球化退火

球化退火是軸承鋼的一道重要的熱處理工序，良好的球化組織可使鋼的淬火效果均一，從而減少淬火變形，提高淬火硬度，改變工件切削性能，提高軸承的耐磨性。傳統(tǒng)的球化退火工藝往往需要很長(zhǎng)的保溫時(shí)間，這極大的使生產(chǎn)效率降低，消耗大量能源。由此可見，研發(fā)軸承鋼快速球化退火工藝就顯得十分必要。離異共析轉(zhuǎn)變?cè)硎菍?shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的理論依據(jù)。

1 離異共析轉(zhuǎn)變描述

離異共析轉(zhuǎn)變?cè)硎菍?shí)現(xiàn)軸承鋼快速球化的理論依據(jù)。一般情況下，過冷奧氏體分解遠(yuǎn)離平衡態(tài)，因此就會(huì)出現(xiàn)碳濃度的漲落，奧氏體中就會(huì)出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū)，在貧碳區(qū)中形成鐵素體，而在富碳區(qū)析出滲碳體或碳化物，這種共析共生，是其相互作用的結(jié)果。鐵素體和滲碳體兩相相互激發(fā)形核以及隨后的合作協(xié)調(diào)及匹配的長(zhǎng)大，最終得到片狀珠光體組織。而離異共析轉(zhuǎn)變是指在一定過冷度和冷卻速度下，得到彌散分布在鐵素體基體上的碳化物顆粒，而非片狀珠光體組織。

研究表明，要實(shí)現(xiàn)離異共析轉(zhuǎn)變需滿足兩個(gè)條件：一是適當(dāng)?shù)募訜釡囟纫员ＷC奧氏體的不均勻性，使奧氏體中存在大量未溶碳化物，這將是碳化物成球狀析出的形核核心；二是冷卻速度一定要緩慢，以便使得碳化物成球狀長(zhǎng)大，而非片狀析出。

以GCr15軸承鋼為例，當(dāng)有大量的不均勻奧氏體和殘余碳化物，在經(jīng)過一定過冷度后保溫，通過冷卻奧氏體分解成奧氏體和滲碳體的亞穩(wěn)定相，并且析出滲碳體相并附著在周圍的殘余碳化物上，從而使碳化物長(zhǎng)大，使得部分地區(qū)濃度得以平衡；而芯部的不均勻奧氏體的碳濃度很低，非常容易形核鐵素體相，這就增加了碳原子的有效擴(kuò)散距離，并使得鐵素體和滲碳體相相向長(zhǎng)大。

2 離異共析轉(zhuǎn)變熱力學(xué)模型和過冷度分析

2.1 熱力學(xué)模型。共析轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散性相變，畸變能非常小，因此忽略共析轉(zhuǎn)變的畸變能。相變過程中，相變驅(qū)動(dòng)力：

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd+ΔGm （1）

ΔG為相變過程中的兩相自由能差，在這里即珠光體與奧氏體的自由能差，ΔG∞/β為界面能增量，ΔGd為碳原子擴(kuò)散所需能量，ΔGm為界面遷徙所需要能量。

由于離異共析轉(zhuǎn)變所發(fā)生溫度在A1溫度稍下范圍，過冷度較低，相變的驅(qū)動(dòng)力主要消耗在θ/α界面的形成和碳原子擴(kuò)散上，而對(duì)界面遷徙所需要的能量，由于其很小，則忽略。

ΔG=ΔG∞/β+ΔGd （2）

對(duì)于片層珠光體組織，單位滲碳體形成表面所增加的表面能

ΔGα/β Lam= （3）

σ1為片層珠光體中鐵素體與滲碳體的界面能。K為過冷奧氏體生成的珠光體中碳化物所占的體積分?jǐn)?shù)。So=×10-4（cm/K），為珠光體的片層間距。

奧氏體過冷，碳化物析出，由于碳化物與奧氏體間是非共格界面，設(shè)A為界面面積，σ為球狀碳化物與鐵素體之間的界面能，并忽略畸變能的影響。在球化長(zhǎng)大過程中，碳化物顆粒半徑從r1長(zhǎng)大到r2，其顆粒體積增加π（r22-r21），表面積增加4π（r22-r21）。因此，粒狀碳化物（用ΔGα/β Deg表示）析出單位摩爾碳化物所增加的a/β界面能為：

ΔGα/β Deg= （4）

本模型認(rèn)為在離異共析轉(zhuǎn)變過程中，不會(huì)有新核心生成。其中r1與r2的顆粒半徑關(guān)系為：

（5）

其中，V0為不均勻奧氏體化后剩余碳化物的體積分?jǐn)?shù)，Vt為軸承鋼中碳化物完全析出時(shí)的體積分?jǐn)?shù)，σ為求狀碳化物與鐵素體之間的界面能。

有5式可得：

r2= （6）

2.2 過冷度分析。球化過程過冷度也是一個(gè)必須要討論的影響因素，過冷度較大，球化效果不明顯，過冷度較小則球化時(shí)間很長(zhǎng)，因此探討基于離異共析反應(yīng)的最優(yōu)過冷度就顯得很必要。過冷度的確定取決于奧氏體化的程度，即一定的奧氏體化條件，要實(shí)現(xiàn)完全球化，就必須要有一個(gè)最優(yōu)過冷度ΔTL，當(dāng)實(shí)際過冷度大于最優(yōu)過冷度時(shí)，按照正常共析分解成片狀珠光體；如果小于臨界過冷度，則按照離異共析分解。

由2式有：

ΔG-ΔG∞/β=ΔGd （7）

將3式、4式帶入7式，得：

ΔTL= （8）

參考式6，得：

ΔTL= （9）

式中，ΔTL-臨界過冷度，K-過冷奧氏體生成珠光體中碳化物所占體積分?jǐn)?shù)，σ-求狀碳化物與鐵素體見的界面能，σ1-片狀珠光體鐵素體滲碳體的界面能，Vt-軸承鋼中碳化物的體積分?jǐn)?shù)，V0-未溶碳化物的體積分?jǐn)?shù)，r2-奧氏體化后剩余碳化物的顆粒半徑。

通過上述公式可以看出，球化退火過程中，最優(yōu)過冷度的確定主要是根據(jù)奧氏體化的未溶碳化物體積分?jǐn)?shù)以及奧氏體化后剩余碳化物的顆粒半徑而確定的，這與加熱溫度是相輔相成的。

3 結(jié)論

3.1 依據(jù)固態(tài)相變理論，討論了共析反應(yīng)和離異共析反應(yīng)機(jī)理的相變機(jī)制。

3.2 根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，探討了離異共析反應(yīng)的熱力學(xué)模型和最優(yōu)過冷度，表明奧氏體化時(shí)剩余碳化物的體積分?jǐn)?shù)與顆粒半徑是決定最優(yōu)過冷度的主要因素。

參考文獻(xiàn)

[1] Verhoeven J D.The role of the divorced eutectoid transformation in the spheroidization of 52100 steel[J].Metall Mater Trans A，2000（10）： 2431-438.

[2] 馬寶國(guó)，楊洪波，朱伏先等.GCr15軸承鋼中滲碳體的奧氏體化行為研究[J].熱加工工藝，2009（20）：5-8.

[3] 徐耀祖.相變?cè)韀M].科學(xué)出版社，1988.

[4] 陳其偉，關(guān)建輝，朱國(guó)輝等.GCr15鋼快速球化中離異共析轉(zhuǎn)變臨界過冷度的物理模型[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2013，3..