高碳鉻軸承鋼制軸承零件球化退火組織缺陷分析

■ 孫欽賀

高碳鉻軸承鋼是制造滾動軸承零件（套圈和滾動體）的主要鋼種，其中以GCr15鋼用量最大。軸承套圈絕大部分是由軸承鋼棒料鍛成軸承套圈鍛件毛坯。其鍛造始鍛溫度1100℃左右，終鍛溫度850℃左右，鍛后的硬度較高，一般為255～340HBW，組織為片狀珠光體組織（見圖1），不容易切削。

為了給最終淬回火處理準備良好的原始組織，同時能得到優(yōu)越的加工性能，必須經(jīng)過球化退火，獲得均勻分布的細粒狀珠光體組織。把硬度控制在170~220HBW最有利于切削加工。

高碳鉻軸承鋼零件球化退火后的顯微組織為細小、均勻分布的球化組織（見圖2），應符合《JB/T1255—2014 滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》標準第一級別圖中第2～4級，允許有點狀的球化組織存在，不允許有第1級和第5級的組織存在。

通常在實際生產(chǎn)過程中，由于受工件大小、裝爐方法、裝爐數(shù)量、球化加熱溫度高低以及退火前原始組織不均勻性等因素的影響，會使球化退火后組織產(chǎn)生過熱（粗片狀珠光體）、欠熱（細片狀珠光體）、不均勻粗粒狀珠光體等不合格組織出現(xiàn)，嚴重影響后工序加工質(zhì)量，甚至會產(chǎn)生廢品，導致產(chǎn)品批量報廢。因此，對退火缺陷組織進行原因分析，并采取有效糾正預防措施是很有必要的。

圖1 鍛造毛坯未球化退火片狀組織（500×）

圖2 正常球化退火后的球化組織（1000×）

圖3 片狀珠光體組織（1000×）

圖4 細片狀珠光體（1000×）

1. 粗片狀珠光體（退火過熱金相顯微組織）

圖3所示球化組織為退火過熱金相顯微組織，其特征是金相顯微組織中出現(xiàn)大小分布不均的粒狀珠光體和部分粗片狀珠光體。

產(chǎn)生上述金相顯微組織的原因：由于球化退火加熱溫度過高或在偏高溫度下長時間保溫；裝爐量過多，爐內(nèi)均溫性差；原材料碳化物不均勻性嚴重（如碳化物帶狀嚴重），在碳化物數(shù)量少的區(qū)域?qū)^熱更為敏感。在正常工藝下仍有部分工件或工件局部加熱溫度過高或保溫時間長，容易引起局部過熱，形成粗片狀珠光體組織。使碳化物溶解較充分，在隨后的冷卻過程中，部分區(qū)域缺少作為珠光體轉(zhuǎn)變的核心碳化物，以至不得不從比較均勻的奧氏體內(nèi)重新產(chǎn)生核心而出現(xiàn)片狀。一般加熱溫度越高或在偏高溫度下保溫時間越長，退火組織中也越會形成粗片狀珠光體。這類組織硬度不高，粗片狀珠光體硬度更低。

如果退火過熱的工件流入下工序進行淬火，容易發(fā)生過熱，從而使工件的變形增大且開裂的傾向也大。

出現(xiàn)這類過熱組織后，必須先經(jīng)正火后得到細珠光體組織，再調(diào)整工藝重新退火。此種組織返修時因需要正火和二次退火，故應注意防止嚴重的氧化脫碳。

采取的措施：根據(jù)球化退火爐合理制訂球化退火工藝。改善球化退火爐的爐溫均勻度。裝爐量要合理，放置均勻。嚴格控制原材料質(zhì)量，特別是發(fā)現(xiàn)帶狀碳化物超標時，必須做退貨處理，不得投入生產(chǎn)使用。

2. 點狀細片狀珠光體（退火欠熱金相顯微組織）

圖4所示球化組織為退火欠熱金相顯微組織，組織特征為點狀加部分細片狀珠光體組織。

產(chǎn)生上述金相顯微組織的原因：由于整爐或部分工件退火溫度偏低（局部低于765℃）或保溫時間太短造成的。爐子大、裝爐量多、爐內(nèi)均溫性差，原材料組織不均勻（帶狀網(wǎng)狀碳化物超標），在正常工藝下還有部分工件或工件局部位置加熱溫度高，保溫時間長。

由于欠熱，碳化物溶解不充分，保留大量未溶解的細小碳化物，奧氏體成分也不均勻，在隨后的冷卻時就存在大量的珠光體轉(zhuǎn)變核心，所以形成的粒狀珠光體比較細小彌散。同時因為局部區(qū)域在加熱時未完成珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，保留了退火前的細片狀珠光體。但有時保留下來的片狀珠光體也可能是比較粗的，所以判定欠熱組織的特征是細粒（點）狀珠光體加細片狀珠光體。

由于退火溫度偏低，致使大部分片狀滲碳體未發(fā)生溶解，退火冷卻后，除僅得到少量的細粒狀珠光體外，大部分片狀珠光體被保留下來，從而使其硬度高于正常的退火硬度的合格范圍，硬度一般在95～98HRB，比較難以切削。 因為這種組織細而彌散，在返修時可以不經(jīng)正火，調(diào)整工藝后直接進行二次退火即可。原則上不允許第三次返修。

采取的措施：根據(jù)球化退火爐合理制訂球化退火工藝；控制退火冷卻速度不宜太快；改善球化退火爐的爐溫均勻度；裝爐量要合理，放置均勻；嚴格控制原材料質(zhì)量，特別是發(fā)現(xiàn)帶狀碳化物超標時，必須做退貨處理，不得投入生產(chǎn)使用。

圖5 基體球狀珠光體（1000×）

圖6 網(wǎng)狀碳化物超標嚴重（100×）

3. 不均勻粗粒狀珠光體

圖5所示為不均勻粗粒狀珠光體組織。產(chǎn)生的原因是由于稍高的加熱溫度隨之非常緩慢的冷卻。特別是鍛造組織中有較大的殘余網(wǎng)狀碳化物或較粗的片狀珠光體時，將導致退火后珠光體非常明顯的不均勻性；冷卻后得到大小不均的球狀組織?；蚋哂贏c1進行多次往復退火時也容易得到不均勻的粗大粒狀珠光體組織。

在正常加熱溫度下淬火，將使基體的合金化程度偏低，必須采用更高的加熱溫度，此時除容易得到過熱粗大的淬火組織外，工件的變形和開裂傾向也將隨之增大。

這種組織硬度不高，在調(diào)整工藝返修退火前必須先經(jīng)過正火。

4. 網(wǎng)狀碳化物超標

圖6為網(wǎng)狀碳化物超標，退火溫度過高（高于880℃）加之隨后的過慢冷卻形成的網(wǎng)狀碳化物或鍛件組織有嚴重的網(wǎng)狀碳化物，退火未能消除。

要消除網(wǎng)狀碳化物必須正火處理，之后再返修退火，返修處理過程中要采取防止氧化脫碳措施。

為了避免嚴重的網(wǎng)狀碳化物的產(chǎn)生，必須正確執(zhí)行鍛造工藝，嚴格檢驗原材料，正確控制退火工藝。

5. 結語

以上對高碳鉻軸承鋼零件球化退火后產(chǎn)生的顯微組織主要缺陷原因進行了深入的分析，并有針對性地提出預防糾正措施，對提高高碳鉻軸承鋼零件球化退火質(zhì)量期望能起到拋磚引玉的作用。但是在生產(chǎn)實踐中情況是十分復雜的，還必須對不同的情況做具體的分析，只有這樣才能保證高碳鉻軸承鋼零件球化退火的質(zhì)量，為確保后工序淬回火質(zhì)量提供可靠保證。