軸承鋼盤條在不同條件保護(hù)下退火時(shí)的氧化脫碳行為

王宇飛，任鳳章，黃勝操

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 洛陽 471023；

2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所， 洛陽 471004)

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軸承鋼盤條在不同條件保護(hù)下退火時(shí)的氧化脫碳行為

王宇飛1，任鳳章1，黃勝操2

(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 洛陽 471023；

2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所， 洛陽 471004)

摘要：對(duì)GCr15軸承鋼盤條進(jìn)行了不同條件保護(hù)下的球化退火處理，對(duì)比分析了其表面氧化脫碳行為。結(jié)果表明：在木炭非接觸保護(hù)下退火能有效防止軸承鋼盤條表面氧化，但脫碳嚴(yán)重，氧化脫碳層總厚度明顯超過無木炭保護(hù)下的，木炭加入量較多時(shí)其脫碳層厚度也較大；無木炭保護(hù)時(shí)，無論軸承鋼盤條裝罐密封與否，其氧化脫碳層總厚度差別不大。

關(guān)鍵詞：木炭；軸承鋼盤條；氧化；脫碳

0引言

GCr15軸承鋼盤條主要用于制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體(滾子)，其出廠時(shí)多為熱軋正火態(tài)，因此還需進(jìn)行球化退火處理，為后續(xù)的機(jī)加工和淬火做好準(zhǔn)備[1]。盤條在退火過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生表面氧化脫碳現(xiàn)象，之后可用酸洗或磨削的辦法去除脫碳層[2]。目前，國(guó)內(nèi)中小型軸承廠在對(duì)軸承鋼盤條進(jìn)行球化退火時(shí)，為降低生產(chǎn)成本，很少使用帶保護(hù)氣氛的連續(xù)式輥底爐或強(qiáng)對(duì)流罩式爐，而多是將盤條裝罐密封后置于無保護(hù)氣氛的井式爐、臺(tái)車爐或普通罩式爐中加熱[3]，為防止盤條退火加熱時(shí)的氧化脫碳，常在罐內(nèi)用托盤盛放一些木炭(木炭與工件不接觸，稱為“木炭非接觸保護(hù)”)，以期加熱時(shí)燃燒并消耗罐內(nèi)空氣中的氧氣，進(jìn)而保護(hù)盤條[4]。

然而木炭非接觸保護(hù)的效果如何，能否真正減少軸承鋼盤條在球化退火時(shí)的氧化脫碳現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外對(duì)此報(bào)道并不多見。為此，作者模擬了某廠現(xiàn)有的軸承鋼盤條連續(xù)式球化退火工藝與實(shí)際的生產(chǎn)條件，采用原廠盤條及木炭，對(duì)盤條在裝罐并在木炭非接觸保護(hù)下進(jìn)行了球化退火，并與裝罐無木炭保護(hù)和無罐無木炭保護(hù)(大氣環(huán)境下)下的退火工藝進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)其氧化脫碳行為進(jìn)行了對(duì)比研究，以期指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1　試樣制備

試驗(yàn)材料選用武鋼生產(chǎn)的φ14 mm的熱軋正火態(tài)GCr15軸承鋼盤條，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為1.01C，0.14Si，0.39Mn，0.01S，0.01P，1.45Cr。

在盤條上截取12個(gè)長(zhǎng)約15 mm的試樣，為避免盤條本身外層氧化皮對(duì)后續(xù)工藝的影響，將每個(gè)試樣沿軸線磨出一個(gè)平面，磨削深度約3 mm。

試驗(yàn)用密封罐采用耐熱鋼焊接制成，罐內(nèi)尺寸約為φ60 mm×40 mm，為了更好地觀察木炭保護(hù)的效果，加入的木炭分少量(2 g)和大量(10 g)進(jìn)行對(duì)比。試樣的加熱保護(hù)方式見表1。

表1　試樣的加熱保護(hù)方式Tab.1　Heating protection method of specimens

試樣裝罐前首先利用恒溫干燥箱去除密封罐、木炭、石棉盤根中可能含有的水分；裝罐后在罐口凹槽處墊石棉盤根，用螺栓將罐蓋與罐體壓緊。采用SX2-4-10型中溫箱式電阻爐進(jìn)行連續(xù)式球化退火，退火溫度790 ℃，保溫時(shí)間8 h，試樣隨爐冷至650 ℃后出爐空冷。

1.2　試驗(yàn)方法

利用Mitutoyo 102型螺旋測(cè)微器測(cè)量試樣表面氧化皮厚度；截取金相試樣，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后采用OLYMPUS PMG3型光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織；利用MH-3型顯微硬度計(jì)測(cè)定微區(qū)硬度，載荷為0.49 N，保載時(shí)間5 s，沿試樣軸線由表面向心部，間隔0.05 mm測(cè)定一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)試樣各測(cè)8個(gè)點(diǎn)；根據(jù)GB/T 224-2008采用金相法測(cè)脫碳層厚度。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　顯微組織

由圖1可知，盤條原始組織由大量黑色層片狀索氏體和少量沿晶界分布的白色碳化物組成，平均晶粒尺寸約50 μm。

圖1　原始正火態(tài)GCr15軸承鋼盤條的顯微組織Fig.1　Original normalized microstructure of GCr15 bearingsteel wire rod

由圖2可以看出，在不同保護(hù)條件下退火后試樣的氧化脫碳現(xiàn)象有明顯差別。使用木炭保護(hù)的3#和4#試樣在其邊緣有明顯的全脫碳層(白亮色鐵素體)，而未使用木炭保護(hù)的1#和2#試樣，無論裝罐與否，其邊緣均無明顯的全脫碳層，這說明采用木炭非接觸保護(hù)方式進(jìn)行熱處理時(shí)，試樣的脫碳現(xiàn)象反而更嚴(yán)重。

圖2　不同保護(hù)條件下退火后GCr15鋼盤條試樣的顯微組織Fig.2　Microstructures of GCr15 bearing steel wire rod specimens under different annealing conditions：(a) specimen 1#; (b) specimen 2#; (c) specimen 3# and (d) specimen 4#

2.2　顯微硬度

GCr15軸承鋼盤條經(jīng)連續(xù)式球化退火后其基體硬度在200 HBW左右[5]，而其表面由于存在不同程度的脫碳，會(huì)導(dǎo)致其硬度降低。由圖3可以看出，不同保護(hù)條件下退火后試樣的硬度都隨著測(cè)試位置的深入而增大，當(dāng)測(cè)試位置距試樣表面0.40 mm時(shí)硬度趨于一致，約為210 HV；3#和4#試樣的表層硬度不足120 HV，說明接近表層的顯微組織為鐵素體，脫碳較嚴(yán)重，對(duì)比兩者的硬度曲線還可發(fā)現(xiàn)，隨木炭量的增多，其脫碳層變厚；1#和2#試樣的表層硬度較高，說明未采用木炭保護(hù)的試樣在接近表層的區(qū)域沒有出現(xiàn)明顯的全脫碳層，有罐和無罐對(duì)硬度的影響較小。

圖3　不同保護(hù)條件下退火后GCr15軸承鋼盤條試樣的顯微硬度Fig.3　Microhardness of GCr15 bearing steel wire rodspecimens under different annealing conditions

2.3　氧化脫碳層的厚度

當(dāng)加熱溫度超過570 ℃時(shí)，鋼的表面會(huì)形成以FeO為主的氧化層，F(xiàn)eO組織疏松，輕微敲擊即可脫落[6-7]。采用螺旋測(cè)微器測(cè)脫落的氧化層厚度，結(jié)果見表2，由于與基體包裹較緊密的氧化層較薄，在統(tǒng)計(jì)氧化層厚度時(shí)忽略不計(jì)。鋼的脫碳層包括全脫碳層和部分脫碳層(過渡層)兩部分，全脫碳層即為圖2中的白亮色鐵素體，部分脫碳層是指在全脫碳層之后到含碳量正常的組織之間的部分[6-7]，根據(jù)金相法測(cè)得的脫碳層厚度見表2，在脫碳不嚴(yán)重的情況下，有時(shí)僅可看到部分脫碳層而沒有全脫碳層。

由表2可知，采用無木炭保護(hù)方式退火的1#和2#試樣表面均只存在部分脫碳層，氧化層和部分脫碳層厚度相近，裝罐與否對(duì)試樣的氧化脫碳影響不大；采用木炭保護(hù)方式退火的3#和4#試樣均出現(xiàn)了較厚的全脫碳層，木炭量多的其全脫碳層厚度也大，氧化層均較薄，部分脫碳層厚度與1#和2#試樣的相近，氧化脫碳層的總厚度明顯超過1#和2#試樣的。由此可見，采用木炭非接觸保護(hù)使得試樣表面脫碳更嚴(yán)重，且木炭加入量較多的試樣表面脫碳層厚度也較大。由于大部分氧化層較疏松，可通過振動(dòng)或敲擊的辦法去除，而脫碳層則與基體緊密相連，只能通過酸洗或磨削的辦法去除，因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)不具備使用可控氣氛設(shè)備等條件時(shí)，可將工件直接置于普通熱處理設(shè)備中(大氣環(huán)境下)退火。

表2不同保護(hù)條件下退火后GCr15軸承鋼盤條試樣的

氧化層和脫碳層厚度

Tab.2Thickness of oxidation layer and decarburization layer of GCr15 bearing steel wire rod specimens under different annealing conditions

試樣編號(hào)氧化層厚度/μm全脫碳層厚度/μm部分脫碳層厚度/μm氧化脫碳層總厚度/μm1#91-881792#86-791653#11113621864#923789335

2.4　分析與討論

平衡狀態(tài)下氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能ΔGΘ滿足下式：

(1)

式中：RTlnPO2為氧勢(shì)；PO2為平衡時(shí)的氧分壓。

鋼在加熱時(shí)其表層的碳會(huì)與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致鋼的脫碳；當(dāng)溫度超過570 ℃時(shí)，鋼中的鐵與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)生成FeO，從而導(dǎo)致鋼的氧化[8]；當(dāng)氧化速率大于脫碳速率時(shí)，鋼的外層主要形成氧化層，反之則主要形成脫碳層。

根據(jù)Ellingham等繪制的氧勢(shì)圖[9]可知，790 ℃加熱時(shí)，碳與O2反應(yīng)的氧勢(shì)線在鐵與O2反應(yīng)的氧勢(shì)線之下，所以鋼在高溫加熱過程中先脫碳后氧化，且碳在高溫下首先生成CO[10]。鋼不發(fā)生氧化的條件約為環(huán)境氧分壓小于9×10-19Pa，不發(fā)生脫碳的條件約為環(huán)境氧分壓小于4×10-19Pa。

無木炭保護(hù)時(shí)，整個(gè)退火過程中氧含量充足，試樣周圍的環(huán)境氧分壓遠(yuǎn)高于生成FeO及CO的平衡氧分壓，氧化和脫碳可同時(shí)進(jìn)行。試樣的最外層首先脫碳而后又被氧化，從而形成了氧化層(氧化皮)。生成的氧化皮雖較疏松，但也能阻隔空氣中的部分O2與工件內(nèi)部的碳接觸，從而使得次表層的脫碳速度減慢。最外層的氧化皮經(jīng)敲擊脫落后，露出的次表層為半脫碳層，而非明顯的全脫碳層，如1#和2#試樣所示。在整個(gè)保溫過程中，脫碳向試樣內(nèi)部推進(jìn)的速度比氧化推進(jìn)速度要快，否則試樣表面僅會(huì)存在氧化層。

有木炭保護(hù)時(shí)，在升溫階段罐內(nèi)爐氣均勻性較差，試樣周圍的環(huán)境氧分壓要高于木炭周圍的環(huán)境氧分壓，在試樣表面氧化和脫碳可同時(shí)進(jìn)行；到790 ℃保溫階段，罐中大部分氧氣與木炭反應(yīng)生成CO而被消耗掉，使木炭周圍的環(huán)境氧分壓達(dá)到4×10-19Pa，但由于罐內(nèi)爐氣仍不均勻(罐內(nèi)無風(fēng)扇等強(qiáng)對(duì)流措施對(duì)爐氣進(jìn)行攪拌，在保溫初期僅憑冷熱空氣自身

產(chǎn)生擴(kuò)散的效果并不明顯)，試樣周圍的環(huán)境氧分壓高于4×10-19Pa而低于9×10-19Pa時(shí)，試樣不再發(fā)生氧化，而脫碳仍繼續(xù)進(jìn)行。因此，3#和4#試樣表面氧化層較薄，但脫碳嚴(yán)重。而且隨罐中木炭量增加，所消耗的氧氣也增加，使得罐內(nèi)環(huán)境氧分壓快速降至低于9×10-19Pa，使脫碳層顯著變厚，而氧化層變化不大。

3結(jié)論

(1) 軸承鋼盤條退火時(shí)，采用木炭非接觸保護(hù)能有效地防止氧化，但同時(shí)也增加了表面脫碳；木炭加入量增多，脫碳層厚度增大，氧化層無明顯變化。

(2) 無木炭保護(hù)時(shí)，無論裝罐密封與否，都對(duì)軸承鋼盤條表面氧化脫碳影響較小，其氧化脫碳層總厚度差別不大。

(3) 在木炭非接觸保護(hù)下，軸承鋼盤條的氧化脫碳層總厚度明顯超過無木炭保護(hù)下的氧化脫碳層總厚度。

參考文獻(xiàn):

[1]許磊,陳瑜,韓彥光,等.GCr15軸承鋼球化退火研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝, 2013,42(14):11-14.

[2]李慎松,金維松,于斌.影響GCr15軸承鋼盤條磷化質(zhì)量的因素[J].特殊鋼, 2009,30(1): 41-43.

[3]江運(yùn)宏,周靖.GCr15軸承鋼棒線材的球化退火[J].熱處理, 2009,24(3):11-16.

[4]谷曉梅.罐裝軸承鋼GCr15線材球化退火的質(zhì)量控制[J].江蘇冶金, 2008,36(5): 56-57.

[5]王瑩瑩,楊鵬遠(yuǎn).罩式爐GCr15鋼球化退火工藝研究[J].金屬制品, 2015,41(2):33-36.

[6]程向龍.加熱氣氛對(duì)重軌連鑄坯氧化脫碳的影響[D]. 武漢：武漢科技大學(xué), 2009.

[7]曹安然,李玉芳.彈簧鋼用防氧化脫碳涂料的制備與性能[J].機(jī)械工程材料, 2010,34(7):66-69.

[8]任鳳章,柴芳芳,沈洪濤,等.GCr15在木炭非接觸保護(hù)下退火的氧化脫碳研究[J].軸承, 2011(2):33-36.

[9]李釩,李文超.冶金與材料熱力學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2012:86-93.

[10]潘一凡,孫松平.保護(hù)氣氛熱處理中的氧化脫碳[J].木材加工機(jī)械, 2007(1):4-6.

導(dǎo)師：李新梅教授

Oxidation and Decarbonization Behaviour of Bearing Steel Wire Rod

Annealing under Different Protective Conditions

WANG Yu-fei1, REN Feng-zhang1, HUANG Sheng-cao2

(1.School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China；

2.Institute of Processing & Materials, China Yituo Group Limited Corporation, Luoyang 471004, China)

Abstract:The GCr15 bearing steel wire rod was spheroidizing annealed under different protective conditions and the oxidation and decarbonization behaviour was analyzed and compared. The results show that under the charcoal non-contact protection, the surface oxidation of the bearing steel wire rod was significantly reduced, but the decarbonization was increased. The total thickness of oxidation and decarbonization layer under the protection of charcoal was larger than that of non-charcoal, and the decarbonization layer was relatively thick with more charcoal. Under non-charcoal protection, the difference of total thickness of oxidation and decarbonization layer between with and without sealed cans was little.

Key words:charcoal; bearing steel wire rod; oxidation; decarbonization

作者簡(jiǎn)介：王榮(1966-)，男，陜西洛南人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士。 董旭旭(1991-)，男，新疆烏魯木齊人，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：上海市科委資助項(xiàng)目(14DZ2291000) 新疆自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013211A007)

收稿日期:2015-04-06； 2014-09-20；

修訂日期:2015-09-25 2015-08-25

DOI:10.11973/jxgccl201512025 10.11973/jxgccl201512007

中圖分類號(hào)：TG162.71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)12-0022-03