加熱溫度對(duì)軸承鋼球化組織的影響

尚繼民，王洪剛

(北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

利用熱處理的方法，獲得碳化物的球化組織有多種方法。其中利用等溫轉(zhuǎn)變的球化退火和連續(xù)冷卻球化退火方法，在冶金企業(yè)中對(duì)高碳鉻軸承鋼的球化退火使用最為廣泛。軸承鋼的球化退火是為了得到良好的切削性能及淬硬性，回火后具有耐疲勞性能，因而是極其重要的工序之一，并且要求有嚴(yán)格的均勻化球狀組織，因此在檢驗(yàn)球化組織中觀察是否有片狀珠光體或索氏體組織以及殘留碳化物網(wǎng)狀，球狀化碳化物顆粒度的大小，均勻程度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求等。

為獲得均勻球化組織，結(jié)合企業(yè)退火生產(chǎn)工藝實(shí)際，本文研究和分析了在連續(xù)冷卻球化退火過(guò)程中，加熱溫度和原始組織對(duì)碳化物行為的影響，簡(jiǎn)述了在連續(xù)冷卻退火過(guò)程中碳化物的行為及加熱溫度和分解溫度的關(guān)系，加熱溫度和組織轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用料選用熱軋狀態(tài)的軸承鋼，規(guī)格為φ11、φ15、φ21棒材試樣，隨退火爐正常退火并在相應(yīng)規(guī)格和固定的棒料上，取下部分試料在箱式電爐中進(jìn)行高低溫退火。這樣由退火爐和箱式電爐進(jìn)行實(shí)際大生產(chǎn)和模擬相結(jié)合的試驗(yàn)分析，在退火過(guò)程中每個(gè)階段降溫前抽取試樣進(jìn)行水淬，觀察其組織的變化過(guò)程。在試驗(yàn)中應(yīng)用了金相顯微鏡觀察和透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察和分析。

2 試驗(yàn)工藝

按照表1的生產(chǎn)工藝，退火后的組織很不均勻，為了找出相應(yīng)的退火組織形態(tài)，表2試驗(yàn)工藝中加熱溫度選擇為860℃和760℃，通過(guò)模擬退火試驗(yàn)找出相似的組織形態(tài)和對(duì)應(yīng)的熱處理工藝。

表1 每段溫度℃

表2 試驗(yàn)工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

選擇合適的加熱溫度對(duì)強(qiáng)化組織的均勻性起主導(dǎo)作用。無(wú)論哪種球化退火工藝，加熱溫度高低直接影響殘余碳化物的數(shù)量、分布和顆粒大小及最后球化組織的均勻性。從試驗(yàn)中看到加熱溫度為860℃時(shí)，奧氏體分解溫度為740℃到710℃分解完畢。在分解前高溫為860℃已超過(guò)軸承鋼840℃的理論加熱溫度。此時(shí)碳化物溶解的過(guò)多，殘余碳顆粒保留下來(lái)，在一些局部地方形成碳化物質(zhì)點(diǎn)極少的均勻和非均勻碳濃度的小區(qū)，同時(shí)使整個(gè)奧氏體基體碳濃度增高。當(dāng)連續(xù)冷卻時(shí)，隨溫度降低奧氏體中的碳以殘余碳化物為核心析聚長(zhǎng)大。這一過(guò)程由860℃開(kāi)始到740℃分解前有120℃緩慢冷卻的溫度區(qū)間，使殘余碳化物有充分時(shí)間進(jìn)行析聚長(zhǎng)大。因此到760℃時(shí)碳化物明顯變粗，由此造成的碳化物顆粒粗大，組織不均勻的現(xiàn)象，這正是加熱溫度過(guò)高的特征之一。

當(dāng)溫度降至740℃時(shí)，在部分小區(qū)域開(kāi)始發(fā)生共析分析，在高倍透射電鏡下進(jìn)行觀察，首先看到在大顆粒碳化物聚集處和沿奧氏體晶界處被熔斷的碳化物網(wǎng)狀顆粒的地方優(yōu)先開(kāi)始分解。因?yàn)樵跉堄嗵蓟镂鼍坶L(zhǎng)大過(guò)程中，使這些大顆粒碳化物周圍的奧氏體碳濃度比其他地方低，相應(yīng)提高了共析分解溫度。因此在有大顆粒碳化物的地方首先開(kāi)始分解，使這部分的球化組織的碳化物顆粒粗大，造成組織不均勻。

在后面分解的部分，由于860℃加熱溫度高，形成了碳化物極少的均勻和非均勻碳濃度的小區(qū)，這些小區(qū)碳含量高，奧氏體更穩(wěn)定。在720℃共析分解溫度內(nèi)非均勻碳濃度的小區(qū)，濃度起伏核心過(guò)多，緊接著前面已分解的區(qū)域分解，形成黑團(tuán)狀索氏體。碳濃度均勻的小區(qū)，最后在710℃分解完形成片狀珠光體。所以，在連續(xù)冷卻過(guò)程中，球化組織里大顆粒碳化物和片狀珠光體形成，提高了開(kāi)始分解和降低了分解完了的溫度，這樣也縮短了分解后的聚集長(zhǎng)大。均勻成球的保溫時(shí)間，對(duì)黑團(tuán)索氏體組織沒(méi)能得到充分的集聚長(zhǎng)大和改善，使710℃分解完了的組織和連冷后650℃最終組織沒(méi)有明顯區(qū)別。最后得到的球化組織是很不均勻的，大碳化物顆粒+黑團(tuán)狀索氏體如片狀珠光體，這種組織形態(tài)與退火爐中的出現(xiàn)的球化組織完全相同，表明這是一種較典型的過(guò)熱組織。

觀察中看到加熱溫度為760℃時(shí)與860℃的組織形態(tài)有明顯差異。從760℃降至750℃開(kāi)始分解，到730℃時(shí)分解終了，都比860℃分解和分解終了的溫度偏高。這是因?yàn)榧訜釡囟鹊?，奧氏體中溶解碳化物少，碳含量低且不均勻，細(xì)膩碳化物質(zhì)點(diǎn)很多，在連續(xù)冷卻條件下沒(méi)有加熱溫度860℃的穩(wěn)定，而于較高的750℃溫度下開(kāi)始共析分解。又因?yàn)榉纸馇拔黾瘯r(shí)間短，碳化物網(wǎng)溶斷后的殘余碳化物沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行充分長(zhǎng)大，同時(shí)均勻化和非均勻化碳濃度的小區(qū)不存在，共析分解時(shí)靠原始組織中大量細(xì)小碳化物質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。此時(shí)在相變過(guò)程中所需激活能較低，共析分解容易進(jìn)行，使開(kāi)始和終了共析分解溫度分別提高10℃和20℃。

在共析分解后的組織中，黑團(tuán)狀索氏體是由細(xì)小球狀碳化物組成的。860℃形成的黑團(tuán)狀索氏體是以碳濃度起伏為核心形成的密集質(zhì)點(diǎn)所組成。因此860℃和760℃加熱溫度不同，在球化轉(zhuǎn)變過(guò)程中和形態(tài)上有明顯差異。前者組織中大碳化物顆粒和片狀珠光體嚴(yán)重影響了球化組織的均勻性。后者由于加熱溫度低，球化組織中無(wú)明顯大碳化物顆粒和片狀珠光體，使球化組織稍均勻些。兩者中的黑團(tuán)狀索氏體，在球化過(guò)程中處于膠平狀態(tài)，而很難達(dá)到均勻的球化組織。

4 結(jié)論

(1)加熱溫度為860℃的連續(xù)冷卻球化退火工藝試驗(yàn)所得到的組織是大碳化物顆粒+片狀珠光體+密集碳化物質(zhì)點(diǎn)組成的黑團(tuán)狀索氏體。球化組織極不均勻，是典型的過(guò)熱組織。

(2)加熱溫度為760℃的連續(xù)冷卻球化退火工藝，所得到的組織是球狀珠光體+細(xì)小球狀碳化物組成的黑團(tuán)索氏體，加熱溫度較低但還沒(méi)有明顯欠熱的原始片狀珠光體。

(3)加熱溫度增高，降低共析分解溫度;加熱溫度降低，提高共析分解溫度。

［1］盧先熙《金屬學(xué)教程》

［2］劉云旭《金屬學(xué)與熱處理原理》