GCr15.doc

轴承钢GCr15的快速碳化物球化处理工艺及机理研究 康连芳关键字：GCr15钢；碳化物球化工艺；碳化物形成机理及作1. 引言GCr15 钢是一种高碳低合金钢 ，根据其化学成分和实际工程应用，此种刚具有良好的综合力学性能。应用广泛的高碳络轴承钢被广泛应用与机械制造、汽车制造等领域，主要用来制造大型机械轴承的滚子和套筒，还可以制造耐磨、高接触疲劳强度、较大负荷的机械零件，如牙轮钻头的转动轴。目前在汽车行业中的低压汽车转向泵定子的材料采用GCr15钢。轴承在服役过程中承受极高的交变载荷, 要求其具有较高的抗接触疲劳性能和耐磨性能,而这种钢经过热处理淬火、回火及机械加工后的强韧性尚且不足，疲劳性能差，经常出现断裂现象。因此轴承钢需具有隐晶回火马氏体+细小渗碳体颗粒组织, 即具有良好球化的珠光体组织，为获得此种组织,则要求对该种钢进行球化处理。附表一：GCr15钢的化学成分（质量分数，%） CGrMnSiSP0.951.951.301.150.200.400.150.350.020.0272. GCr15的快速碳化物球化的工艺方案球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。2.1普通（缓冷）球化退火普通球化退火是将钢加热到Ac1以上2030，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500左右出炉空冷。2.2等温球化退火球化退火加热温度为Ac1+(2040)或Acm-(2030)，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。等温球化退火是将钢加热到Ac1以上2030，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500左右出炉空冷，使珠光体以钢中的未溶碳化物为形核中心形成球状碳化物的过程。等温球化退火与普通球化退火相比不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。其中主要以低于钢奥氏体化临界点温度的共析碳化物的等温球化和在稍高于钢奥氏体化临界点温度下的等温球化为主。2.2.1低于钢奥氏体化临界点温度的共析碳化物的等温球化将钢加热到临界点温度以下10-30,然后长时间保温，由于GCr15 是高碳钢，在此种情况下富碳区的片状碳化物不会完全溶于奥氏体，保留一部分未完全溶于奥氏体的碳化物，即高碳钢不能完全奥氏体化，由于球状的渗碳体比片状渗碳体更稳定，所以奥氏体中的片状渗碳体会自发的向球状渗碳体转变，随着时间的增加碳化物（包括渗碳体）呈球状小颗粒均匀分布在铁素体基体上，这样6_ T$S#E3lx形成的珠光体就变成了球状珠光体。2.2.2 稍高于钢奥氏体化临界点温度（）下的等温球化将钢加热到临界点温度以上10-30,然后短时间保温，由于保温时间较短，碳化物来不及完全溶于奥氏体，形成不均匀的奥氏体及部分未溶碳化物，此时过冷奥氏体稳定性显著降低，未溶碳化物球化，为冷却形成珠光体提供了形核中心，最终形成所需要的球状珠光体。2.3形变球化退火将钢件在室温下施行一定的形变加工后，再在一定的温度下进行退火处理，这种工艺被称为形变球化退火。形变球化退火也包括两种方案，一种是在室温下进行一定的形变，然后在低于的温度下进行退火，被称为低温形变球化退火；另一种是在高温（+30-50）形变后立即进行缓冷或等温退火，被称为高温形变球化退火。针对GCr15球化方案是将GCr15轴承钢经750-780短时加热6分钟进行80%的压缩变形后，在以30-50/h冷速冷到650再空冷，或于720等温30分钟后再空冷，均可获得均匀的球化组织。采用该工艺可使球化退火时间明显缩短，降低能耗，同时得到满足机加工性能要求的具有圆整、均匀、细小碳化物的碳化物组织，也为最终热处理做好了组织上的准备。由于形变产生的大量晶体缺陷（位错、晶界、亚晶界等）可能与溶质原子发生交互作用，形成内吸附，造成奥氏体内的成分不均匀，促使碳化物以粒状质点析出。同时溶质原子沿晶界、亚晶，界发生择优扩散，加速了碳和铬的扩散，从而促进了碳化物的球化。另一方面，由于产生大量位错，是晶体内贮能很大，同时由于快速加热，原始奥氏体晶粒细小的因素促使再结晶形核率增大，而G的增大率小于N的增大率，从而得到细小的晶粒。2.4周期球化退火工艺周期球化退火也叫循环球化退火，它是在Ac1点附近的温度反复进行加热和冷却，一般进行34个周期，使片状珠光体在几次溶解一析出的反复过程中，碳化物得以球化。其工艺参数: 将材料加热到 790保温1h , 然后以 2/min的速度冷却到 710 保温 1h,再加热到 790保温1h , 然后以 2/min的速度冷却到 710 保温 1 h，以此类推，最后再以 0.5/min的速度冷却到 650后空冷。其特点是: 钢材的奥氏体化保温时间较短。 奥氏体向珠光体转变的冷却速度较快。反复处理的作用。反复加热除了进一步溶断先共析渗碳体网外, 同时也加速球化过程。球化退火处理的周期数与试验钢的显微组织及力学性能间存在着一定的依存关系:当球化处理为 1 3周期时,随着周期数的增加, 试验钢的综合性能逐渐变好;当为 4个周期时,试验钢的综合性能反而下降。GC r 15轴承钢在 3个周期球化退火工艺下, 抗拉强度、硬度值升高的原因是由于渗碳体颗粒细化,位错密度增加,位错阻碍变形能力增强;而伸长率显著增大的原因是由于渗碳体颗粒细化,晶界面积增大,阻碍裂纹扩展的能力增强。2.5脉冲电场作用下的球化退火脉冲电场作用下的球化退火就是在GCr15钢冷却保温阶段将其施加一个一定的脉冲电场，从而影响其球化过程的方案。 将GCr 15 试样加热到760保温40min,冷至 700进入保温阶段, 5min 后施加800V、 15Hz 的脉冲电流 2min, 计时1h50min 后出炉。GCr 15 轴承钢在球化退火过程中施加脉冲电场,可以明显改善球化退火效果, 在保证得到良好球化组织的前提下,球化退火的加热温度可以从 780810降低到 760, 保温温度可以从720降低到700,保温时间从4h 减少到2h。大大提高了球化退火的效率,缩短了周期,降低了成本,是一种值得深入研究且具有应用价值和广阔前景的轴承钢球化退火新工艺。2.6 高温固溶预处理，快速球化退火此工艺先将共析钢、过共析钢或合金钢加热到高于或温度，获得均匀奥氏体再进行马氏体或贝氏体淬火，与小于温度进行高温回火使碳化物析出并球化。将钢中加热至1050保温30分钟可全部溶解所有的碳化物,使奥氏体呈高碳状态, 在其后的淬火时随冷却介质的不同, 可能得到马氏体、贝氏体、屈氏体及残余奥氏体等组织，再进行高温回火得到回火索氏体，回火索氏体的组织比较均匀细小，常呈球棒状，因此达到了球化的目的。在此工艺下碳化物基本溶解, 奥氏体趋向均匀化，淬火后形成的组织也较为均匀，再进行回火得到的珠光体也就变得很均匀，这也是一个较好的方案。3.碳化物的形成机理及作用3.1 碳化物的形成机理对于等温球化退火和周期球化退火都是对钢进行不均匀的奥氏体化，形成不均匀的奥氏体组织，此时的奥氏体中含有一些未溶的碳化物，这些碳化物在保温的过程中缓慢球化，最终变成球状的碳化物，并以该碳化物为形核中心生成球状的珠光体。对于高温固溶预处理的快速球化方案，该工艺现将钢高温完全奥氏体化，形成均匀组织，然后淬火形成马氏体或者是贝氏体组织，同时有一定的残余奥氏体，最后进行高温回火，形成回火索氏体，在回火索氏体中产生球状的碳化物。对于形变球化退火，是将处干两相区温度的奥氏体进行较大的形变作用, 形变使奥氏体的微观结构发生变化，而微观结构的变化引起了的碳化物诱发析出。对于脉冲电场作用下的碳化物的形成也是先进行不完全退火，然后未溶碳化物球化形成球状碳化物，脉冲电场只是影响了C的扩散，从而加速了碳化物的形成。3.2 碳化物的作用钢的硬度取决于钢中碳的含量及合金元素的含量，随着钢中含碳量的增加，碳化物数量增加，退火后硬度也相应的升高，然而，硬度的过分提高又影响了钢的韧性，为了改变钢的韧性同时又不能过分降低钢的硬度，这就需要在热处理过程中尽量获得球状的碳化物，让分布在最终组织上的碳化物成球状，使得钢的硬度增加的同时也改善了钢的韧性。因此，我们可以得出钢中碳化物的作用是改变钢的硬度、韧性和塑性、影响钢的切削加工性能。具体来说就是片状碳化物使得钢的硬度大大上升、塑性和韧性大大下降、钢的耐磨性大大提高、钢的接触疲劳强度大大增加等；而球状碳化物较好的增加了钢的硬度、耐磨性、接触疲劳强度的同时也大大改善了钢的塑韧性。参考文献 方琴、张崇才、陈庚、曾波，热处理工艺对GCr15钢碳化物球化效果的影响。 杨洪波、马保国、朱伏先、刘相华，周期球化退火对GCr15轴承钢组织及力学性能的影响。 杨仁山，40Cr钢的快速循环球化退火的研究。 赵宇、陈莉、艾亮，