不同加熱溫度下軸承鋼脫碳的實(shí)驗(yàn)研究

(1.寶鋼特鋼韶關(guān)有限公司特軋廠，廣東 韶關(guān) 512123;2.北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院熱科學(xué)與能源工程系,北京 100083)

軸承鋼在工業(yè)建設(shè)中扮演了重要的角色，但在生產(chǎn)過程中其脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重影響了使用性能。軸承鋼在加熱及熱處理過程中的脫碳現(xiàn)象主要由鋼坯內(nèi)部的碳化物分解及碳原子向外的擴(kuò)散造成的，當(dāng)碳原子擴(kuò)散到鋼坯表面后會和爐內(nèi)的氣體分子(H2O、O2、CO2等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后離開鋼坯進(jìn)入氣體，造成鋼坯內(nèi)碳元素的減少[1-3]。在整個(gè)過程中碳化物的分解及碳原子的擴(kuò)散過程是脫碳的主要控制因素，這兩者與鋼坯的溫度有著重要的聯(lián)系，鋼坯溫度的高低影響了碳原子的擴(kuò)散速度，最終決定了脫碳層的厚度[4-5]。在軸承鋼的爐內(nèi)加熱過程中，提高軸承鋼的加熱溫度會增加碳原子的擴(kuò)散速度，造成大量碳原子擴(kuò)散的表層后通過與氣體的化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散到外部，增加脫碳層的厚度[6]。脫碳過程除了溫度的影響外，爐內(nèi)氣氛的影響也很重要，在某些爐內(nèi)氣氛下，鋼坯表面鐵原子與氧原子很快結(jié)合，此時(shí)當(dāng)爐內(nèi)溫度提升時(shí)，氧原子會由鋼坯表面向鋼坯內(nèi)部擴(kuò)散，此時(shí)鋼坯已經(jīng)脫碳的部分會被氧化，如果氧化的速度大于脫碳的速度，在鋼坯進(jìn)行氧化鐵皮去除后將午飯觀察到脫碳層，只有當(dāng)脫碳的速度大于氧化的速度，才能觀察到脫碳層的存在[7]。很多學(xué)者已經(jīng)對不同種類的鋼坯脫碳行為進(jìn)行了研究，肖金福等[8]研究了彈簧鋼55SiCrA在不同溫度和不同保溫時(shí)間的脫碳行為，研究發(fā)現(xiàn)其脫碳層厚度隨著溫度升高而加大，隨著保溫時(shí)間增加而加大，因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)當(dāng)降低加熱過程的溫度和在高溫的停留時(shí)間。Liu Y等[9]研究了55SiCr鋼種在空氣中加熱時(shí)的脫碳狀況，在研究過程中重點(diǎn)關(guān)注了金相組織結(jié)構(gòu)和脫碳層的形貌，同時(shí)在研究中考慮了碳在鋼的不同相中的擴(kuò)散速度，取得了較好的研究效果。

1 實(shí)驗(yàn)安排

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程的主要設(shè)備包括緊密多組分配氣系統(tǒng)、恒溫水浴槽、溫度測量系統(tǒng)、管式電阻爐、電子天平、金相顯微鏡等。實(shí)驗(yàn)過程中爐內(nèi)氣氛通過配氣系統(tǒng)調(diào)配后通入管式爐內(nèi)，同時(shí)通過可通過恒溫水槽調(diào)節(jié)爐氣水分含量。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)研究所用的試樣樣品是高碳鉻GCr15軸承鋼軸承，試樣尺寸為10 mm×10 mm×15 mm，試樣化學(xué)成分如表1所示。

圖1 軸承鋼脫碳實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

表1 軸承鋼化學(xué)成分 %

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本文主要研究GCr15軸承鋼在加熱及熱處理過程中加熱溫度對脫碳過程的影響。實(shí)驗(yàn)過程中軸承鋼的溫度為700～1 200 ℃，保溫時(shí)間設(shè)定為40 min，加熱氣氛中水分含量為0.3%，其余氣氛為氮?dú)?。本文的?shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 加熱溫度對GCr15軸承鋼脫碳影響的實(shí)驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，軸承鋼在不同的溫度下保溫40 min，保溫過程爐溫氣氛含水量為0.3%，升溫及冷卻過程為純氮?dú)?。軸承鋼試樣冷卻后進(jìn)行鑲樣、打磨、拋光和腐蝕處理，處理后的試樣進(jìn)行編號并在金相顯微鏡下觀測脫碳情況，通過觀測得到的試樣脫碳層狀況如圖2所示。

圖2 不同溫度軸承鋼保溫40 min的脫碳情況

利用金相顯微鏡所拍攝的脫碳層狀況，按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T224—2008《鋼的脫碳層厚度測定法》)在最深的均勻脫碳區(qū)隨機(jī)進(jìn)行5次測量并取其平均值作為試樣的脫碳層厚度，各試樣的測量值如表3所示，表3中編號a表示第一個(gè)溫度工況(試樣實(shí)際溫度)下的脫碳實(shí)驗(yàn)，編號a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k分別表示11種溫度工況，軸承鋼試樣在實(shí)驗(yàn)過程中的溫度分別為700、750、800、850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200 ℃。試樣脫碳深度為5次測量值的算術(shù)平均值。

表3 保溫40 min、0.3%H2O脫碳層厚度測量值 μm

由圖2和表3可看出，當(dāng)軸承鋼試樣溫度為700 ℃時(shí)，最終經(jīng)過處理后的試樣中沒有脫碳；當(dāng)軸承鋼試樣溫度為750 ℃時(shí)，在最終處理后的試樣邊緣處已經(jīng)可以看到脫碳，且均為全脫碳層，此時(shí)脫碳層金相組織為鐵素體組織，其晶粒呈柱狀，垂直于脫碳表面生長；當(dāng)軸承鋼試樣溫度為850 ℃時(shí)，最終處理后的試樣開始存在部分脫碳層；當(dāng)軸承鋼溫度到了900 ℃以后，最終經(jīng)處理的試樣主要以部分脫碳層為主，部分脫碳層金相組織主要為奧氏體(鐵素體和珠光體的混合物)。加軸承鋼溫度到1 050 ℃后，試樣表面開始出現(xiàn)氧化，這是由于氣氛中的水分造成的。將11次實(shí)驗(yàn)后得到的試樣總脫碳層平均深度繪制成曲線如圖3所示。由圖3可以看出，軸承鋼溫度在1 000 ℃以下時(shí)總脫碳層厚度增加較為緩慢，在1 050 ℃以后迅速增加，呈指數(shù)性增長。

圖3 總脫碳層厚度隨加熱溫度的變化

3 結(jié) 論

本文采用實(shí)驗(yàn)手段通過自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺對軸承鋼在不同溫度下的脫碳過程進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)過程中軸承鋼溫度為700～1 200 ℃，通過對實(shí)驗(yàn)后軸承鋼的脫碳層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了如下的主要結(jié)論：

(1) 軸承鋼發(fā)生完全脫碳時(shí)，其脫碳層金相組織為鐵素體，其晶粒呈柱狀，垂直于脫碳表面生長。在碳原子濃度分布上，完全脫碳層與鋼基體存在明顯的濃度跳躍，部分脫碳層的金相組織是奧氏體組織(鐵素體和珠光體的混合物)，其碳原子濃度梯度在脫碳層與鋼基體之間不存在跳躍。

(2) 隨著實(shí)驗(yàn)過程中軸承鋼溫度的不斷升高，軸承鋼也出現(xiàn)了不同的脫碳類型。軸承鋼在750 ℃以下時(shí)基本不發(fā)生脫碳，在750～810 ℃時(shí)只發(fā)生完全脫碳，在810 ℃以上再由同時(shí)發(fā)生完全脫碳和部分脫碳過渡到最后只發(fā)生部分脫碳，脫碳層厚度隨溫度升高而增大。