球化退火工艺对轴承钢线材碳化物的相关影响分析

江阴市七星机械设备制造有限公司 江苏 江阴 214400

引言

GCr15钢轴承是高碳铬轴承钢的主要代表种类，在机械制造行业应用十分广泛。在制备滚动轴承的生产过程中，球化退火工艺在很大程度上影响着轴承产品性能和质量。为此，本文对GCr15钢轴承球化退火工艺进行了实验，分析不同工艺条件下轴承钢线材碳化物的影响。

1 试验方法

试验材料为GCr15轴承钢，材料组分质量分数如下：

C：1.04%；Cr：1.55%；Si：0.25%；Mn：0.28%

采用热膨胀仪对轴承钢的相变点进行测量。对钢材料样品以5℃/min进行升温，加热到1000℃，然后保温5min，之后再以5℃/min的速度降温，得到轴承钢的相变点为750℃。

球化退火试验的主要设备为箱式电阻炉。将轴承钢制成圆柱形样品，截面直径25mm，高度10mm。将样品升温到900℃，然后保温2h，之后空气冷却至600℃，之后再放入到600℃的炉中，保温1h，然后冷却至室温，得到片状珠光体[1]。然后对片状珠光体采取两种退火工艺，一种为等温退火工艺，另一种为循环退火工艺。

等温退火工艺：第一组样品，将试样升温到700℃，然后保温10h后冷却至室温。

循环退火工艺：第二组样品，将试样升温到770℃，保温15min后冷却到700℃；再升温到770℃，保温15min后冷却到700℃；再升温到770℃，保温15min后冷却到700℃；再升温到770℃，保温15min后冷却至室温。（总共四个升温-保温循环）。第三组样品，将试样升温到790℃，保温15min后冷却到700℃；再升温到770℃，保温15min后冷却到700℃；再升温到770℃，保温15min后冷却到700℃；再升温到770℃，保温15min后冷却至室温。第三组和第二组试验的区别在于，第三组试样首次升温到790℃，而第二组试样首次升温到770℃。通过对首次升温设置不同的温度，观察和分析样品退火工艺后表层碳化物是否有变化。

采用X射线扫描仪试验中对退火工艺后试样材料表面微观组织结构进行检测分析。将退火后的试样进行研磨抛光，然后用X射线扫描仪测量试样中的碳化物体积分数。用4%的硝酸酒精容易对试样进行侵蚀，去除试样表面杂质，然后用扫描电子显微镜对其进行微观组织结构观察，并利用软件计算试样表面碳化物颗粒直径[2]。

2 结果

等温退火工艺下的第一组样品在经过扫描电子显微镜观察后发现，样品退火后材料表层碳化物主要为片状珠光体。软件计算后得到样品材料表层片状珠光体之间的平均间距为片状珠光体之间最小间距的1.65倍。

循环退火工艺下的第二组样品在经过扫描电子显微镜观察后发现，样品退火后材料表层碳化物主要为片状珠光体，但片状珠光体数量比第一组样品的片状珠光体数量更多。从碳化物球化完全程度看，第二组样品碳化物球化成不规则球状，碳化物颗粒整体分布均匀。

对第二组和第一组样品表层碳化物颗粒的圆整度进行表征，即计算每个碳化物颗粒中心不同方向的直径，然后取平均值得到碳化物的直径，将碳化物颗粒的最大直径和最小直径之比作为碳化物颗粒圆整度表征参数（F）。当F值越小时，碳化物颗粒的最大直径和最小直径越接近，此时代表碳化物颗粒的圆整度越好；反之，则代表碳化物颗粒的圆整度越差。试验中，将F值超过3的颗粒去除，仅统计F值小于3的情况。计算结果表明，第二组样品的F值比第一组样品的F值更小，说明第二组样品表层碳化物颗粒圆整度比第一组样品表层碳化物颗粒圆整度更好，第二组样品比第一组样品的碳化物球化程度更好。

循环退火工艺下的第三组样品在经过扫描电子显微镜观察后发现，样品退火后材料表层碳化物的球化程度更高，颗粒分布更加均匀。对碳化物颗粒圆整度表征参数进行计算，得到的F值比第二组样品的F值更小，说明第三组样品比第二组样品的碳化物球化程度更好。试验结果表明，在首次升温时适当提高温度有利于轴承钢材料球化。

3 讨论与建议

本试验中轴承钢的相变点为750℃，第二组样品首次升温至770℃，第三组样品首次升温至790℃，在相变点温度以上，适当升高温度能够促进渗碳体与奥氏体的共溶，有利于轴承钢基材组织中碳化物的溶解，这样就使基材组织中未溶解的碳化物颗粒更细更均匀，在退火工艺后表现出更好的碳化物球化效果。

本试验中对等温退火和循环退火两种工艺进行了对比，从试样退火后碳化物球化状态看得到明显的差异。根据试验结果，在GCr15轴承钢退火工艺中，可以采用间隔循环的退火方式来提升轴承钢碳化物球化效果。同时在循环退火工艺中，适当提升首次升温温度，也有利于碳化物球化。