摘 要:根據相圖熱學平衡原理和不同氣氛碳勢的影響,提出了 GCr15鋼軸承套圈表面脫碳層 的形成過程和形成機理。結果表明:爐內氣氛碳勢等于或大于GCr15鋼二相區平衡奧氏體碳含量 時,獲得正常顯微組織;隨碳勢降低,套圈表面先出現半脫碳層,顯微組織變化表現為滲碳體數量減 少、鐵素體(疊加原始鐵素體)增加及團塊片狀珠光體生成;碳勢繼續降低后,套圈由外到里生成全 脫碳層+半脫碳層。
關鍵詞:GCr15鋼;相圖;軸承套圈;球化退火;脫碳;碳勢
中圖分類號:TG156.26 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)10-0006-06
球化退火是使珠光體中片狀滲碳體球化而進行 的一種熱處理,球化退火后的顯微組織是鐵素體基 體上均勻分布球狀滲碳體顆粒,滲碳體形態細小、均 勻且完全球化。工模具鋼等采用球化退火工藝來改 善其加工性能,目的是降低硬度改善切削加工性能。 球化退火處理還可以作為淬火處理前的預處理,以 減少加熱冷卻時的材料變形,降低開裂傾向及過熱 敏感性等。球化退火后鋼中常見的缺陷有脫碳、球 化不完全(如局部會出現片狀珠光體)、碳化物顆粒 粒徑不均勻、存在圓度差等。
軸承套圈在球化退火后最常見的缺陷是脫碳, 脫碳層深一旦超出公差許可范圍,會影響零件的服 役性能。脫碳使得材料表層與心部的顯微組織和線 膨脹系數不同,淬火時發生的相變體積變化更大而 增大內應力,伴隨其表層強度下降使淬火零件變形 甚至淬裂;表層不能轉變成淬火馬氏體或馬氏體轉 變不完全,使其硬度降低或生成淬火軟點,使用時降 低軸承零件耐磨性,易發生早期接觸疲勞損壞。
軸承套圈發生脫碳時表面含碳量低于規定值 甚至為零。軸承套圈在脫碳氣氛中加熱或在高溫 下停留時間過長,碳元素逸出表面發生氧化,發生 全脫碳或部分脫碳。全脫碳時有較厚的表層鐵素 體,部分脫碳時除了生成較薄鐵素體層外還伴有 碳化物含量減少、局部生成團塊片狀珠光體,即球 化不完全。
國 內 高 碳 鉻 軸 承 鋼 系 列 包 括 GCr15、 GCr15SiMn、GCr9、GCr9SiMn、GCr6等牌號鋼種, 其中使用最廣泛的是GCr15鋼,產量達軸承鋼總產 量的80%左右。GCr15鋼也是筆者公司生產軸承 套圈的主要鋼種。軸承套圈的脫碳缺陷一直是筆者 公司質量控制的核心問題[1]。
筆者針對高碳鉻軸承鋼(以 GCr15鋼為代表) 球化退火后脫碳組織的生成和形貌問題探討了脫碳 的產生機理。為了敘述方便,以含碳量1.0%(質量 分數,下同)的鐵碳合金(碳含量與T10A鋼相似)為 例討論球化退火的脫碳現象,然后擴展推廣說明 GCr15鋼的脫碳。
1 高溫熱成形形成的脫碳現象
在討論球化退火脫碳前,必須對原始材料表面 的脫碳現象作一說明。商用高碳鉻軸承鋼屬于優質 工模具鋼,根據棒材交貨狀態,對其脫碳層深有嚴格 技術要求,一般為0.01×直徑(mm),大直徑棒材則 協議確定。筆者公司進貨棒材的熱處理狀態為大氣 環境高溫軋制+退火,表面存在脫碳缺陷,除了特殊 交貨狀態(如外表面車削),表面脫碳缺陷總是存在 的。但是原材料棒材表面往往不是軸承工作條件最 惡劣的的滾道部位[2]。
筆者公司所生產的軸承套圈毛坯產品采用高速 鍛進行鐓鍛成形,即棒料在1050~1100℃下中頻 加熱后熱剪鐓鍛成形,毛坯在大氣環境中經歷高溫 加熱、停留和冷卻過程而產生表面脫碳缺陷。圖1 為筆者公司軸承套圈的原材料及鍛坯的表面脫碳層 微觀形貌。
2 Fe-Cr-C三元相圖中1.6%Cr垂直截面和 Fe-C二元相圖比較
Fe-Cr-C三元相圖中1.6% Cr垂直截面描述了 GCr15高碳鉻軸承鋼在標準大氣壓狀態下成分、溫度 與平衡相間的關系[3]。因為三元相圖垂直截面不適 用杠桿定律,而GCr15鋼基本化學成分與T10A鋼類似,因此筆者采用Fe-C二元相圖類比描述 GCr15鋼 球化相變及脫碳缺陷形成機理。
比較圖2和圖3,Fe-Cr-C三元相圖中1.6%Cr 垂直截面與Fe-C二元相圖最大差異為727℃共析 轉變水平線展開為三相α+γ+(Fe,Cr)3C共存溫 度區,其余各區域相組成基本不變。再考察其 ES 線(碳在奧氏體中的固溶線)(E 點:wC =1.50%, 1140℃;S點:wC=0.65%,730℃),對照Fe-C相 圖ES線(E點:wC=2.11%,1143 ℃;S點:wC= 0.77%,727℃),可見前者向左略有移動,奧氏體區 縮小。所以,Fe-C-1.6Cr垂直變溫截面圖和鐵碳相 圖很相似,用Fe-C二元相圖說明 GCr15鋼軸承套 圈表面球化退火處理脫碳機理,具有適用性[4]。
除了前述三元相圖變溫截面不能使用杠桿定律進 行分析的困難外,還存在以下可行性理由:除鉻元素 外,二者其他主要元素含量相同,如表1所示;GCr15鋼 和T10A鋼臨界溫度基本接近,如表2所示。
3 T10A鋼正常球化退火
圖4a)為鐵碳相圖,圖4b)是考察工件表層深度 為λ時碳元素的分布狀態。正常球化退火時,把 T10A鋼加熱到 KP 直線表示的溫度(~790℃) (wC=1.0%,記作O),進入奧氏體+滲碳體二相區保 溫適當時間緩冷至650℃出爐。奧氏體與滲碳體相 鄰界面平衡濃度根據相圖可知為L 點。
正常球化處理時爐內氣氛碳勢θ保持與L 點 含碳量相同或略高,工件和爐氣之間不發生碳元素 擴散,工件中奧氏體平均含碳量始終維持與L 點相 同。滲碳體球化碳元素擴散驅動力僅僅為片狀滲碳 體各部位曲率不同而產生的表面張力差,滲碳體曲 率大的部位表面發生收縮,曲率小的部位表面擴張, 使得片狀滲碳體發生斷裂、滲碳體尖端部位和小顆 粒滲碳體溶入奧氏體中,沿表面張力場的方向擴散, 沉積到 滲 碳 體 小 曲 率 表 面,最 終 實 現 滲 碳 體 球 化[4-5]。GCr15鋼正常球化退火后的顯微組織如圖5所示,可見表層下脫碳層深度與高溫成形操作時 的殘留脫碳層相當,通常可經后續車削切除,其余截 面部分的顯微組織中滲碳體顆粒大小均一、分布均 勻,為正常的球化退火組織。
4 氣氛碳勢處于單相奧氏體時 T10A鋼的 球化退火
圖6為氣氛碳勢處于單相奧氏體區球化退火時 T10鋼的碳元素分布狀態。當爐內氣氛碳勢θ處于 LM 之間的單相奧氏體區,低于正常碳勢時,由圖6 可見,工件表面含碳量很快由L 值降低到θ值。但 是按熱力學平衡要求奧氏體與滲碳體相鄰界面層的 碳元素含量須維持在L 值,表層中形成碳元素含量 梯度,驅使碳元素擴散,其驅動力遠大于因滲碳體表 面曲率不同產生的張力,表層中碳元素擴散和逸出 過程成為主導。為了維持該球化退火溫度下表面含 碳量θ、L 點含碳量和滲碳體含碳量K 點的熱力學 平衡狀態,最終結果是使表層λ 厚度的體積內滲碳 體因持續提供碳原子而逐步收縮以至消失,隨后奧 氏體含碳量繼續下降趨向θ值,最終使λ 厚度體積 總含碳量下降到θ值。
由圖6還可知,如果碳勢θ值大于共析成分, 球化處理后會顯示表層λ厚度體積內,脫碳層呈 現稀球化滲碳體形貌,如圖7a)所示;如果θ值小 于共析成分,冷卻后表層λ厚度的體積內會析出 散布塊狀鐵素體加稀碳化物球化區,過渡到內部 正常狀態的球化組織。前者是因為球化冷卻時, 基體奧氏體含碳量沿Arcm 線下降及共析轉變的同 時,析出的碳元素以殘存滲碳體為核心使滲碳體 長大,但是滲碳體數量減少。后者是因為冷卻時, 基體奧氏體含碳量沿Ar3 線下降時析出鐵素體,達 到共析成分后碳元素依附球化滲碳體析出生成稀 碳化物球化區,若局部殘存滲碳體數量不足以構成長大核心,則發生共析轉變生成片狀珠光體團 塊,如圖7b)所示。
5 氣氛碳勢處于奧氏體/鐵素體二相區時 T10A鋼的球化退火
圖8為氣氛碳勢處于奧氏體/鐵素體二相區球 化退火時 T10A 鋼碳元素分布狀態。由圖8可知, 當爐氣碳勢θ處于MN 之間時,表層λ厚度體積內 的奧氏體、鐵素體和殘余滲碳體按系統熱力學平衡 要求(在球化溫度790℃的碳含量分別由 M、N、K 表征),與爐氣碳勢θ之間形成擴散競生,因碳元素 擴散逸出,經歷滲碳體溶解、奧氏體含量逐步降低至 消失、最后生成鐵素體全脫碳層。表層的碳元素擴 散途徑:①奧氏體/滲碳體界面的含量L 值向工件 表面擴散,使滲碳體逐步溶解;②奧氏體中碳元素向 工件表面擴散逸出,最終降低到M 點后轉變為含碳 量N 的鐵素體;③雖然表面含量θ大于鐵素體平衡 碳含量N,但是在球化溫度下表面碳原子進入鐵晶 格的勢壘遠遠大于其逸出勢壘,不可能發生滲碳效 果。生成的顯微組織與上節比較,因為在高溫下即 有鐵素體析出,表層λ厚度的體積內脫碳層體積更 深,由表及里分別為鐵素體、稀滲碳體和(或)局部片 狀珠光體團塊,如圖9所示。
6 無保護氣氛下T10A鋼的球化退火
圖10為無保護氣氛下 T10A 鋼球化退火時的 碳元素分布狀態。當爐氣碳勢θ=0時,即在 KP溫度下工件敞開在大氣環境里球化,表層λ 厚度體積 的碳元素擴散過程為:①奧氏體/滲碳體界面的含量 L 值高,碳元素向工件表面擴散,使滲碳體逐步溶解收縮以至消失;②奧氏體中碳元素向工件表面擴散逸 出,最終降低到 M 點后轉變為含碳量N 的鐵素體, 奧氏體消失;③含碳量N 的鐵素體中碳元素向工件 表面擴散逸出,含碳量降低到0(P 點),整個工件表 層λ厚度的體積內全轉變為純鐵,如圖11所示。實 踐中當爐子嚴重漏氣時才會出現類似情況,工件有嚴 重的全脫碳層,層深超標,通常是報廢產品。
7 結論
(1)軸承套圈鍛坯表面脫碳層有3個來源:① 原材料表面脫碳層;②精鍛成形時高溫大氣環境具 有強脫碳性,鍛坯在脫碳活性溫度(650℃)以上停 留時間過長,生成表面脫碳層;③鍛坯球化退火時保 護氣氛碳勢偏低,球化時表面發生脫碳。
(2)球化退火鍛坯脫碳缺陷的工藝因素是氣氛 碳勢,爐內氣氛碳勢等于或大于 GCr15鋼二相區平 衡奧氏體碳含量時,獲得正常顯微組織;隨碳勢降 低,軸承表層先出現半脫碳層,顯微組織表現為滲碳 體數量減少、鐵素體(疊加原始鐵素體)增加及團塊 片狀珠光體生成;碳勢繼續降低后,由外到里生成全 脫碳層+半脫碳層。
(3)球化退火時應嚴格控制爐內氣氛避免發生 脫碳,冷卻時應該保溫到脫碳敏感溫度以下再出爐。
參考文獻:
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