不同加热温度下轴承钢脱碳的实验研究

(1.宝钢特钢韶关有限公司特轧厂，广东 韶关 512123;2.北京科技大学 能源与环境工程学院热科学与能源工程系,北京 100083)

轴承钢在工业建设中扮演了重要的角色，但在生产过程中其脱碳现象严重影响了使用性能。轴承钢在加热及热处理过程中的脱碳现象主要由钢坯内部的碳化物分解及碳原子向外的扩散造成的，当碳原子扩散到钢坯表面后会和炉内的气体分子(H2O、O2、CO2等)发生化学反应，然后离开钢坯进入气体，造成钢坯内碳元素的减少[1-3]。在整个过程中碳化物的分解及碳原子的扩散过程是脱碳的主要控制因素，这两者与钢坯的温度有着重要的联系，钢坯温度的高低影响了碳原子的扩散速度，最终决定了脱碳层的厚度[4-5]。在轴承钢的炉内加热过程中，提高轴承钢的加热温度会增加碳原子的扩散速度，造成大量碳原子扩散的表层后通过与气体的化学反应扩散到外部，增加脱碳层的厚度[6]。脱碳过程除了温度的影响外，炉内气氛的影响也很重要，在某些炉内气氛下，钢坯表面铁原子与氧原子很快结合，此时当炉内温度提升时，氧原子会由钢坯表面向钢坯内部扩散，此时钢坯已经脱碳的部分会被氧化，如果氧化的速度大于脱碳的速度，在钢坯进行氧化铁皮去除后将午饭观察到脱碳层，只有当脱碳的速度大于氧化的速度，才能观察到脱碳层的存在[7]。很多学者已经对不同种类的钢坯脱碳行为进行了研究，肖金福等[8]研究了弹簧钢55SiCrA在不同温度和不同保温时间的脱碳行为，研究发现其脱碳层厚度随着温度升高而加大，随着保温时间增加而加大，因此在生产过程中应当降低加热过程的温度和在高温的停留时间。Liu Y等[9]研究了55SiCr钢种在空气中加热时的脱碳状况，在研究过程中重点关注了金相组织结构和脱碳层的形貌，同时在研究中考虑了碳在钢的不同相中的扩散速度，取得了较好的研究效果。

1 实验安排

1.1 实验装置

本次实验装置的示意图如图1所示。实验过程的主要设备包括紧密多组分配气系统、恒温水浴槽、温度测量系统、管式电阻炉、电子天平、金相显微镜等。实验过程中炉内气氛通过配气系统调配后通入管式炉内，同时通过可通过恒温水槽调节炉气水分含量。

1.2 实验材料

本文实验研究所用的试样样品是高碳铬GCr15轴承钢轴承，试样尺寸为10 mm×10 mm×15 mm，试样化学成分如表1所示。

图1 轴承钢脱碳实验装置简图

表1 轴承钢化学成分 %

1.3 实验方案

本文主要研究GCr15轴承钢在加热及热处理过程中加热温度对脱碳过程的影响。实验过程中轴承钢的温度为700～1 200 ℃，保温时间设定为40 min，加热气氛中水分含量为0.3%，其余气氛为氮气。本文的实验方案如表2所示。

表2 加热温度对GCr15轴承钢脱碳影响的实验方案

2 实验结果分析

按照本文设计的实验方案，轴承钢在不同的温度下保温40 min，保温过程炉温气氛含水量为0.3%，升温及冷却过程为纯氮气。轴承钢试样冷却后进行镶样、打磨、抛光和腐蚀处理，处理后的试样进行编号并在金相显微镜下观测脱碳情况，通过观测得到的试样脱碳层状况如图2所示。

图2 不同温度轴承钢保温40 min的脱碳情况

利用金相显微镜所拍摄的脱碳层状况，按照国家标准(GB/T224—2008《钢的脱碳层厚度测定法》)在最深的均匀脱碳区随机进行5次测量并取其平均值作为试样的脱碳层厚度，各试样的测量值如表3所示，表3中编号a表示第一个温度工况(试样实际温度)下的脱碳实验，编号a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k分别表示11种温度工况，轴承钢试样在实验过程中的温度分别为700、750、800、850、900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200 ℃。试样脱碳深度为5次测量值的算术平均值。

表3 保温40 min、0.3%H2O脱碳层厚度测量值 μm

由图2和表3可看出，当轴承钢试样温度为700 ℃时，最终经过处理后的试样中没有脱碳；当轴承钢试样温度为750 ℃时，在最终处理后的试样边缘处已经可以看到脱碳，且均为全脱碳层，此时脱碳层金相组织为铁素体组织，其晶粒呈柱状，垂直于脱碳表面生长；当轴承钢试样温度为850 ℃时，最终处理后的试样开始存在部分脱碳层；当轴承钢温度到了900 ℃以后，最终经处理的试样主要以部分脱碳层为主，部分脱碳层金相组织主要为奥氏体(铁素体和珠光体的混合物)。加轴承钢温度到1 050 ℃后，试样表面开始出现氧化，这是由于气氛中的水分造成的。将11次实验后得到的试样总脱碳层平均深度绘制成曲线如图3所示。由图3可以看出，轴承钢温度在1 000 ℃以下时总脱碳层厚度增加较为缓慢，在1 050 ℃以后迅速增加，呈指数性增长。

图3 总脱碳层厚度随加热温度的变化

3 结 论

本文采用实验手段通过自行搭建的实验平台对轴承钢在不同温度下的脱碳过程进行了研究，实验过程中轴承钢温度为700～1 200 ℃，通过对实验后轴承钢的脱碳层厚度数据进行分析，得到了如下的主要结论：

(1) 轴承钢发生完全脱碳时，其脱碳层金相组织为铁素体，其晶粒呈柱状，垂直于脱碳表面生长。在碳原子浓度分布上，完全脱碳层与钢基体存在明显的浓度跳跃，部分脱碳层的金相组织是奥氏体组织(铁素体和珠光体的混合物)，其碳原子浓度梯度在脱碳层与钢基体之间不存在跳跃。

(2) 随着实验过程中轴承钢温度的不断升高，轴承钢也出现了不同的脱碳类型。轴承钢在750 ℃以下时基本不发生脱碳，在750～810 ℃时只发生完全脱碳，在810 ℃以上再由同时发生完全脱碳和部分脱碳过渡到最后只发生部分脱碳，脱碳层厚度随温度升高而增大。