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(zhì)特殊鋼湖北省重點(diǎn)實驗室, 黃石 435001)

GCr15軸承鋼在熱軋(鍛)狀態(tài)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(jìn)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(yīng)力、降低硬度，為下料提供便利；而球化退火不但可以消除應(yīng)力、降低硬度，而且可以為淬火提供準(zhǔn)備，減少材料的淬火變形和開裂。

GB/T 18254—2002 《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jìn)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(jìn)行了區(qū)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(jìn)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(chǎn)工藝為：70 t電爐→LF(鋼包精煉爐)+RH(真空循環(huán)脫氣精煉爐)精煉→連鑄方坯→機(jī)組成材。成材過程采用控軋控冷工藝，控制鋼材碳化物網(wǎng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.96%，Si元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.45%，Mn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.34%，P元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)將成材切割成15 mm厚的圓柱試樣。采用箱式爐進(jìn)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(jìn)行退火，爐溫不大于300 ℃后取出試樣，空冷至室溫。

試驗結(jié)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(tài)試樣的硬度進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果

2.1 退火溫度對GCr15軸承鋼顯微組織形貌的影響

經(jīng)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(tài)的顯微組織呈典型的細(xì)片狀，該組織以細(xì)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(tài)相比基本沒有差異，主要是細(xì)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(xiàn)了粗片狀珠光體，900 ℃退火時，出現(xiàn)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(guān)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(tài)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(yīng)的硬度變化不大，硬度為185～200 HBW；當(dāng)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(guān)系曲線

3 分析與討論

退火是將鋼加熱至臨界點(diǎn)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(tài)組織的熱處理工藝[1]。由于臨界點(diǎn)受成分、升溫速率、冷卻速率等的影響，因此臨界點(diǎn)并不是固定值。一般GCr15軸承鋼臨界點(diǎn)AC1的溫度是725～760 ℃，臨界點(diǎn)ACCm的溫度是770～900 ℃[2]。

當(dāng)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(tài)及分布，即由片狀珠光體向球狀珠光體、由細(xì)球狀珠光體向粗球狀珠光體轉(zhuǎn)化。溫度越高，這種轉(zhuǎn)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(dāng)溫度略高于AC1溫度時，即在γ+Fe3C兩相區(qū)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(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w，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(yīng)的硬度變化不大，硬度為185～200 HBW。

當(dāng)溫度大于ACCm溫度時，開始完全退火轉(zhuǎn)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(qū)域缺少核心碳化物，因此比較均勻的奧氏體內(nèi)不得不重新產(chǎn)生核心而出現(xiàn)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(dāng)溫度大于ACCm溫度時，緩冷退火，奧氏體有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，使鋼的強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的要求，但生產(chǎn)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(kuò)散。鋼表面的碳元素發(fā)生氧化，碳含量降低，引起表面和內(nèi)部碳含量有差異，促使碳元素從內(nèi)部向表面擴(kuò)散。加熱溫度越高，原子熱運(yùn)動就越劇烈，擴(kuò)散速率就越大，脫碳的趨勢就越大[5]。在保證硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下，退火溫度越低越好。

4 結(jié)論

(1) 在550 ℃退火時，GCr15軸承鋼的組織與熱軋狀態(tài)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)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。