關(guān)于GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳問(wèn)題研究

賈 奇 朱培榮

江陰市七星機(jī)械設(shè)備制造有限公司 江蘇 江陰 214400

1 引言

在滾動(dòng)軸承生產(chǎn)制造中，因生產(chǎn)工藝等原因造成鋼軸承套圈表層脫碳的現(xiàn)象，這是軸承早期失效的重要原因。GCr15鋼軸承套圈在球化退火工序中出現(xiàn)的表層脫碳有全部脫碳和部分脫碳兩種情況，無(wú)論哪種情況本質(zhì)上都是在退火的過(guò)程中生成了鐵素體或珠光體物質(zhì)，從而對(duì)退火后的鋼軸承套圈性能品質(zhì)造成不利影響，套圈表面硬度降低，產(chǎn)生退火軟點(diǎn)直接導(dǎo)致軸承套圈的抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性能降低，使鋼軸承套圈早期失效。

2 GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳現(xiàn)象

表層脫碳中的全部脫碳情況是在軸承套圈表層產(chǎn)生全鐵素體組織，而部分脫碳情況是在軸承套圈表層產(chǎn)生鐵素體+片狀珠光體[1]。

3 GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳機(jī)理

發(fā)生表層脫碳時(shí)本質(zhì)上對(duì)應(yīng)了理化反應(yīng)。一方面，軸承鋼材質(zhì)表面的碳元素與外界有氧環(huán)境中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成了氣態(tài)的一氧化碳脫離軸承鋼本體材質(zhì)[2]。這一化學(xué)反應(yīng)速度主要取決于爐氣中的含碳量。另一方面，一旦脫碳反應(yīng)進(jìn)行，軸承鋼材質(zhì)表面的碳元素?cái)?shù)量逐漸降低，并在材質(zhì)表層形成了碳元素含量梯度。形成碳元素含量梯度的快慢主要取決于鋼軸承表層中碳元素的擴(kuò)散速度。在球化退火工序中，鋼軸承材質(zhì)表層除了碳元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以外，鐵元素也發(fā)生反應(yīng)。鐵元素的化學(xué)反應(yīng)主要是在氧氣條件下被氧化成致密的氧化膜，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧化膜的存在反而會(huì)阻止鐵元素的進(jìn)一步氧化。而碳元素氧化反應(yīng)后產(chǎn)生了不穩(wěn)定的氣體，一氧化碳很容易逸出，因此造成了鋼軸承表層碳元素含量降低，外在表現(xiàn)出表層脫碳的現(xiàn)象。對(duì)于鋼軸承而言，碳元素是鋼材質(zhì)基礎(chǔ)強(qiáng)度的重要表征因素，通常情況下，碳含量越高，鋼材質(zhì)的基礎(chǔ)強(qiáng)度越強(qiáng)；反之，鋼材質(zhì)的基礎(chǔ)強(qiáng)度越弱。因此對(duì)鋼材表面脫碳現(xiàn)象用鋼材質(zhì)表層碳元素氧化來(lái)進(jìn)行表達(dá)。

鋼軸承套圈球化退火表層脫碳的過(guò)程同時(shí)伴隨著鋼材質(zhì)表層微組織結(jié)構(gòu)的變化。對(duì)GCr15鋼軸承球化退火表層脫碳的過(guò)程進(jìn)行分析，在共析轉(zhuǎn)變溫度760℃，碳在奧氏體中溶解溫度900℃，退火溫度795℃條件下，軸承套圈球化退火前后的滲碳體體積不變，體積恒定的情況下，鋼材質(zhì)表層片狀滲碳體發(fā)生球化使表面能最低，這一過(guò)程是熱力學(xué)自發(fā)過(guò)程。在室溫條件下，片狀滲碳體晶格中的原子能不夠，此時(shí)維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)外界溫度升高，直到達(dá)到片狀滲碳體球化溫度，之后片狀滲碳體晶格中的原子振動(dòng)頻率升高，原子能增大，很容易擺脫晶格束縛向外擴(kuò)散，晶格原子發(fā)生解構(gòu)和重組[3]。雖然這一個(gè)過(guò)程是一個(gè)熱力學(xué)自發(fā)的過(guò)程，但是如果沒(méi)有外力因素的驅(qū)動(dòng)，該過(guò)程耗時(shí)很長(zhǎng)。實(shí)際生產(chǎn)工藝中，通過(guò)加熱促進(jìn)片狀珠光體析出鐵素體，鐵素體融入并轉(zhuǎn)化為奧氏體。相對(duì)于鐵素體，奧氏體的溶碳能力更強(qiáng)，因此大大促進(jìn)了片狀珠光體中碳元素融入奧氏體的速度，這樣的條件無(wú)疑加速了碳原子的遷移，有利于球化退火進(jìn)程。

第一種情況：爐氣中含碳量較高的情況下。在退火過(guò)程中，片狀滲碳體首先從亞晶界裸露的部位發(fā)生溶解，隨著晶格溶解，片狀滲碳體逐漸斷裂，碳元素融入到奧氏體中并隨著奧氏體遷移到曲率較小的位置，逐漸沉積，實(shí)現(xiàn)球化。保溫狀態(tài)下，斷裂殘留的滲碳體和奧氏體處于共存狀態(tài)。溫度冷卻后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，超過(guò)飽和度的碳元素被排出，在曲率較小的位置沉積越來(lái)越多的碳元素，最終表現(xiàn)為以參與滲碳體質(zhì)點(diǎn)為核心的球狀顆粒碳化物。

第二種情況：爐氣中含碳量較低的情況下，片狀滲碳體的溶解與上述情況有差異。在保溫狀態(tài)下，斷裂殘留的滲碳體完全溶解在奧氏體中，鋼軸承材料表層形成一個(gè)相區(qū)，即單相的奧氏體。由于GCr15鋼材質(zhì)中含有較多的鉻，因此單相奧氏體更容易形成單一穩(wěn)定體，而不是滲碳體和奧氏體共析的狀態(tài)。奧氏體冷卻的過(guò)程中，部分形成片狀珠光體，表現(xiàn)為鋼軸承退火表層局部脫碳的特征。如果保溫狀態(tài)下，滲碳體部分溶解在奧氏體中，材料表層形成兩個(gè)相區(qū)，一個(gè)是奧氏體單相區(qū)，另一個(gè)是滲碳體和奧氏體兩相區(qū)。溫度冷卻后，單相區(qū)奧氏體生成片狀珠光體，而滲碳體和奧氏體兩相區(qū)實(shí)現(xiàn)滲碳體球化，形成材料表層局部脫碳現(xiàn)象。如果爐氣中含碳量很低，保溫狀態(tài)下形成滲碳體和奧氏體的兩相區(qū)較多，此時(shí)脫碳情況更加嚴(yán)重，再加上保溫時(shí)間過(guò)程較長(zhǎng)，鋼軸承材料極容易出現(xiàn)表層完全脫碳。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)GCr15鋼軸承套圈球化退火表層脫碳的機(jī)理進(jìn)行分析，得到在一般情況下，爐氣碳含量越低，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，鋼軸承材質(zhì)表層脫碳越嚴(yán)重，脫碳層越深。因此在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)工藝條件或參數(shù)的改善優(yōu)化，盡可能避免引起鋼軸承表層脫碳的條件。鋼軸承套圈球化退火時(shí)，爐氣碳含量控不當(dāng)，或者存在漏氣的情況造成爐內(nèi)碳含量分布不均，更容易引起表層嚴(yán)重脫碳，這是導(dǎo)致軸承套圈球化退火表層脫碳的主要原因。因此建議在GCr15鋼軸承套圈球化退火工藝中，對(duì)爐氣含碳量和碳含量分布均勻度進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證爐氣含碳量充足并確保爐內(nèi)氣氛保持均勻。

5 結(jié)語(yǔ)

在滾動(dòng)軸承生產(chǎn)制造中，因生產(chǎn)工藝等原因造成鋼軸承套圈表層脫碳的現(xiàn)象，這是軸承早期失效的重要原因。在GCr15軸承套圈球化退火過(guò)程中，由于爐氣含碳量偏低造成軸承套圈退火表層形成單相的奧氏體。在溫度冷卻時(shí)，存在片狀滲碳體和奧氏體的單相或兩相。單相奧氏體在冷卻過(guò)程中生成片狀珠光體，導(dǎo)致鋼軸承材料表層局部脫碳。爐氣碳含量越低，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，鋼軸承材質(zhì)表層脫碳越嚴(yán)重，脫碳層越深。本文圍繞GCr15軸承套圈球化退火的問(wèn)題進(jìn)行了分析探討，為生產(chǎn)工藝條件優(yōu)化提供參考。