GCr15轴承钢软化退火工艺

徐尚呈, 周立新, 刘光辉,2

(1.大冶特殊钢有限公司 研究院, 黄石 435001；2.大冶特殊钢有限公司 高品质特殊钢湖北省重点实验室, 黄石 435001)

GCr15轴承钢在热轧(锻)状态时的硬度较高，其布氏硬度一般不小于302 HBW，在锯切下料、切削加工、冷压力加工前,一般需对其进行退火处理。GCr15轴承钢的退火分为软化退火和球化退火。软化退火的目的主要是消除应力、降低硬度，为下料提供便利；而球化退火不但可以消除应力、降低硬度，而且可以为淬火提供准备，减少材料的淬火变形和开裂。

GB/T 18254—2002 《高碳铬轴承钢》标准规定，GCr15轴承钢退火后的硬度为179～207 HBW，为了保证对其硬度的要求，无论软化退火还是球化退火，一般均需采用球化退火的工艺温度进行退火。退火温度一般控制在780～800 ℃。GB/T 18254—2016 已将软化退火和球化退火的硬度要求进行了区分，软化退火的布氏硬度不大于245 HBW，球化退火的布氏硬度为179～207 HBW。

笔者采用不同的退火温度对GCr15轴承钢进行热处理，探索出了比球化退火工艺更为有效的软化退火工艺。

1 试验方法

GCr15轴承钢生产工艺为：70 t电炉→LF(钢包精炼炉)+RH(真空循环脱气精炼炉)精炼→连铸方坯→机组成材。成材过程采用控轧控冷工艺，控制钢材碳化物网状分布。最终成材为圆柱状，直径为40 mm。

GCr15轴承钢材料中C元素的质量分数为0.96%，Si元素的质量分数为0.25%，Cr元素的质量分数为1.45%，Mn元素的质量分数为0.34%，P元素的质量分数为0.01%，S元素的质量分数为0.002%。其原始显微组织为片状珠光体+碳化物，布氏硬度为343 HBW。

采用精密切割机将成材切割成15 mm厚的圆柱试样。采用箱式炉进行热处理试验，主要热处理工艺为：分别在550，600，650，700，730，740，750，760，770，780，800，850，900 ℃下保温，保温时间均为180 min，再进行退火，炉温不大于300 ℃后取出试样，空冷至室温。

试验结束后，制备试样，采用Quanta400F型扫描电镜(SEM)观察其显微组织形貌，采用全自动布氏硬度计对不同退火状态试样的硬度进行测试。

2 试验结果

2.1 退火温度对GCr15轴承钢显微组织形貌的影响

经过不同温度退火后，GCr15轴承钢试样的显微组织形貌如图1所示。从图1a)可以看出:其热轧状态的显微组织呈典型的细片状，该组织以细片状珠光体为主，晶界含有少量的二次碳化物；图1b)是550 ℃退火时的显微组织，可以看到组织和热轧态相比基本没有差异，主要是细片状珠光体；从图1c)～1h)可以看出，随着退火温度的升高，片状珠光体的片层间距逐渐增大，直至消失，700 ℃退火时，片状珠光体开始球化，显微组织为球化珠光体+片状珠光体，750 ℃退火时，明显的片状珠光体已经消失，显微组织主要为球化碳化物颗粒和长条状碳化物颗粒，碳化物已经弥散在铁素体基体上；从图1i)～1l)可以看出，760，770 ℃退火后的显微组织类似，主要为球化碳化物颗粒及极少量长条状碳化物颗粒，780，800 ℃退火时组织已经完全球化；从图1m)～1n)可以看出，850℃时退火组织以球化碳化物为主，同时出现了粗片状珠光体，900 ℃退火时，出现了大量粗片状珠光体，同时伴有少量球化碳化物颗粒。

图1 不同退火温度下GCr15轴承钢试样的显微组织形貌

2.2 退火温度对GCr15轴承钢硬度的影响

不同退火温度与GCr15轴承钢硬度的关系曲线如图2所示。从图2可以看出：在550 ℃退火时，硬度为340 HBW，与原始状态GCr15轴承钢的硬度相比，基本没有变化；在600～760 ℃退火时，随着退火温度的升高，硬度逐渐降低；在760～850 ℃退火时，不同的退火温度对应的硬度变化不大，硬度为185～200 HBW；当退火温度提高到900 ℃时，硬度升高到242 HBW。

图2 不同退火温度与GCr15轴承钢硬度的关系曲线

3 分析与讨论

退火是将钢加热至临界点AC1以上或以下的温度，保温以后随炉缓慢冷却，以获得近于平衡状态组织的热处理工艺[1]。由于临界点受成分、升温速率、冷却速率等的影响，因此临界点并不是固定值。一般GCr15轴承钢临界点AC1的温度是725～760 ℃，临界点ACCm的温度是770～900 ℃[2]。

当温度小于AC1温度时，属于低温退火，硬度的降低主要取决于碳化物的形态及分布，即由片状珠光体向球状珠光体、由细球状珠光体向粗球状珠光体转化。温度越高，这种转化越快也越完全，得到的硬度越低。因此，在760 ℃以下时，随退火温度的升高，GCr15轴承钢的硬度逐渐降低。

当温度略高于AC1温度时，即在γ+Fe3C两相区加热，由于奥氏体化温度比较低，因此奥氏体的碳含量是不均匀的，而且有未溶解的碳化物。在加热过程中，未溶解的碳化物会由片状珠光体逐渐转变为球状珠光体，而在随后的缓冷及恒温过程中，不均匀奥氏体的高碳处会成为碳化物的形核位置，从而使一部分碳化物直接长成球状，另一部分仍以片状成长的碳化物则在随后的缓冷或恒温过程中逐渐球化[3]。在760～850 ℃退火时，不同的退火温度对应的硬度变化不大，硬度为185～200 HBW。

当温度大于ACCm温度时，开始完全退火转变，此时碳化物溶解较充分，在随后的缓冷过程中，由于部分区域缺少核心碳化物，因此比较均匀的奥氏体内不得不重新产生核心而出现片状珠光体。一般加热温度越高，保温时间越长，退火组织中也越会形成粗片状珠光体[4]。在900 ℃退火时，硬度反而上升。

当温度大于ACCm温度时，缓冷退火，奥氏体有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧度显著降低[1]，因此即使退火温度大于850 ℃，硬度满足标准的要求，但生产实践中仍不适用。

脱碳的过程分为两个阶段：碳化物的氧化与扩散。钢表面的碳元素发生氧化，碳含量降低，引起表面和内部碳含量有差异，促使碳元素从内部向表面扩散。加热温度越高，原子热运动就越剧烈，扩散速率就越大，脱碳的趋势就越大[5]。在保证硬度满足标准的前提下，退火温度越低越好。

4 结论

(1) 在550 ℃退火时，GCr15轴承钢的组织与热轧状态的组织相比基本没有差异；在600～750 ℃退火时，随着退火温度的升高，细片状珠光体的片层间距逐渐增大，到750 ℃时，片层状珠光体基本消失，主要为球化碳化物颗粒和长条状碳化物颗粒；在760～800 ℃退火时，随着温度的升高，组织逐渐趋向完全球化；在850～900 ℃退火时，随着温度的升高，粗片状珠光体逐渐增加。

(2) 在550～900 ℃退火时，GCr15轴承钢的硬度呈先下降后上升的趋势；在760～850 ℃退火时，其硬度变化不大且较低，硬度为185～200 HBW。

(3) 在750～900 ℃退火时，硬度均小于245 HBW，满足GB/T 18254—2016标准对软化退火材料的要求；选择750 ℃左右保温的软化退火工艺可使脱碳层最小。