軸承鋼球化退火過程不同保溫時間對脫碳層厚度的影響規(guī)律

蔣國強， 莫杰輝， 孫應軍， 蘇福永

(1.寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關(guān) 512123； 2.北京科技大學 能源與環(huán)境工程學院，北京 100083)

軸承鋼在工業(yè)生產(chǎn)中主要用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈等，因其具有高硬度和耐磨性以及高的彈性極限使其在工業(yè)生產(chǎn)中扮演著十分重要的角色。軸承鋼在進行球化退火處理時由于鋼材表面會帶入一定量的水分，使得其在保護氣氛中處理時仍然會發(fā)生脫碳現(xiàn)象，發(fā)生脫碳后軸承鋼在強度、耐磨性等方面都會受到很大影響，其使用性能大幅下降。軸承鋼的脫碳過程可分為以下四個部分：碳化物的分解、碳的擴散、發(fā)生反應生成氣體、離開金屬表面。從本質(zhì)上看，脫碳實際上是碳原子在鋼材內(nèi)部擴散的結(jié)果，加熱溫度影響了碳原子的擴散速度，從而對脫碳層的厚度產(chǎn)量了影響。實際生產(chǎn)工藝和實驗研究結(jié)果表明，在溫度有一定的情況下，加熱時間越長，鋼材的脫碳就越嚴重。這是由于在溫度一定的情況下，碳原子的擴散系數(shù)基本不變，隨著保溫時間越長，碳原子向外擴散與爐氣反應就越多，脫碳就更加嚴重。國內(nèi)外學者大都通過實驗研究軸承鋼的脫碳狀況，通過對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到了鋼材的脫碳層厚度與影響因素之間的關(guān)系。本文針對軸承鋼球化退火過程的脫碳狀況開展研究，通過對不同保溫時間下軸承鋼的脫碳狀況進行分析，得到了保溫時間對脫碳層厚度的影響規(guī)律，為軸承鋼球化退火的工藝優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 實驗裝置及實驗方案

本文搭建了GCr15軸承鋼脫碳過程實驗平臺，實驗平臺將純氮氣進行不同溫度的水浴來控制水分含量，將設(shè)定流量的混合氣體通入到管式加熱爐中，提供實驗所需的氣氛條件；用電腦設(shè)置管式加熱爐的升溫速度、加熱溫度和保溫時間等；為保證試樣的加熱溫度，用K型熱電偶和34972A LXI型號的數(shù)據(jù)采集/記錄儀來采集和記錄試樣的加熱溫度。實驗平臺示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗材料的選取和試樣加工

本文所用的材料為某廠生產(chǎn)規(guī)格為Φ28mm的熱軋后GCr15軸承鋼棒材，然后對材料進行加工。首先將原棒材用電火花切割為差不多大小的試樣，然后車削成大小為10 mm×10 mm×15 mm的小長方體，并在距上表面2.5 mm處開直徑為3 mm的通孔，在距下表面5 mm處開直徑為3 mm，深度為5 mm的圓孔；試樣加工完后，將試樣放置在超聲波清洗機中，利用無水乙醇進行清洗；清洗后的試樣在常溫下自然風干，之后隔絕空氣保存，最后用于脫碳實驗，試樣加工后的試樣如圖2所示。

圖2 試樣加工后實物圖

3 脫碳實驗方案

在固體中，擴散是原子要發(fā)生遷移的唯一方式，而鋼坯的脫碳現(xiàn)象實際上是鋼坯內(nèi)部的碳原子向外擴散過程。所以，軸承鋼脫碳現(xiàn)象的核心問題就是碳原子在不同鋼材成分、不同加熱溫度、不同保溫時間以及不同加熱氣氛情況下的傳質(zhì)過程。本文主要通過實驗研究GCr15軸承鋼加熱及熱處理過程中保溫時間對其脫碳的影響規(guī)律。實驗中保溫時間設(shè)定為20～70 min，加熱氣氛為含有0.3%水分的氮氣，軸承鋼溫度為810 ℃(軸承鋼球化退火溫度)，具體的實驗方案如表1所示。

表1 保溫時間對GCr15軸承鋼脫碳影響的實驗方案

4 脫碳實驗結(jié)果及分析

對試樣在810 ℃、氣氛中含0.3%H2O情況下保溫不同的時間，待試樣冷卻后進行鑲樣、打磨、拋光和腐蝕處理，然后在金相顯微鏡下觀測試樣的脫碳情況，具體情況如圖3所示。

圖3 在810 ℃、含0.3%H2O的氮氣下保溫不同時間的脫碳情況

對試樣脫碳層厚度進行測量，測量值如表2所示，保溫時間分別為20、30、40、50、60、70 min，每種保溫時間下脫碳層厚度測量5次。將各保溫溫度下的總脫碳層平均深度整理如圖4所示。

表2 脫碳層厚度測量值

圖4 總脫碳層厚度隨保溫時間的變化

由圖4可知，隨著保溫時間的增加，脫碳層厚度也明顯增加且脫碳層厚度隨保溫時間大致呈拋物線變化，隨后處理數(shù)據(jù)得到總脫碳層厚度隨保溫時間平方根的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，總脫碳層厚度基本隨保溫時間的平方根線性增加。

圖5 總脫碳層厚度隨保溫時間平方根的變化

當軸承鋼在810 ℃進行球化退火時，總脫碳層厚度與保溫時間的關(guān)系為

(1)

5 結(jié) 論

本文針對軸承鋼球化退火過程中保溫時間對脫碳層厚度的影響規(guī)律進行研究，設(shè)計了脫碳過程實驗平臺，制定了不同保溫時間下的實驗方案。實驗結(jié)果顯示，在球化退火溫度為810 ℃，保護氣氛(氮氣)中含有0.3%水分的情況下，保溫時間從20～70 min時軸承鋼均會出現(xiàn)明顯的脫碳，脫碳層厚度為55～116 μm。脫碳層厚度隨保溫時間的增加而加大，總脫碳層厚度與保溫時間的平方根成正比。