摘　要：探索了GCr15鋼Ac1f透燒球化退火工藝，通過在奧氏體化時適當(dāng)降低溫度、延長保溫時間，消除了試驗過程中出現(xiàn)的不均勻組織，獲得了均勻細(xì)小彌散分布的球化組織。文章認(rèn)為透燒時間應(yīng)當(dāng)根據(jù)生產(chǎn)的現(xiàn)場條件來決定，透燒加熱不利于等溫過程消除成分不均勻。

　　關(guān)鍵詞：GCr15鋼；球化；不均勻組織；奧氏體化

　　GCr15是一種傳統(tǒng)的鉻軸承鋼，主要用于制造各種軸承的滾珠、滾柱和套圈等，被廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)高負(fù)荷的機(jī)械零部件，因此要求其必須具有高的強(qiáng)度、高的彈性極限和高的耐磨性。經(jīng)過大量的試驗和生產(chǎn)實踐證明，只有當(dāng)軸承零件的原始組織為細(xì)球狀珠光體時，經(jīng)過淬火加低溫回火后，才能獲得隱晶回火馬氏體及在其上分布著細(xì)小碳化物顆粒的組織，這種金相組織才使得軸承零件具有高強(qiáng)度和韌性。傳統(tǒng)的球化方案工藝周期長、耗能多、效率低，球化質(zhì)量也不穩(wěn)定，直接影響到工件的淬火開裂傾向。筆者對Ac1f透燒球化退火工藝[1]研究發(fā)現(xiàn)，球化組織極其不均勻，存在黑色塊狀組織(圖1)。顯然，這種組織與我們希望獲得的均勻細(xì)小彌散分布的球狀珠光體相違背。

　　1　試驗用材和檢測設(shè)備

　　試驗用材為市售退火態(tài)GCr15鋼棒材(<75mm)。用線切割機(jī)截得尺寸為20mm×12mm×12mm的試樣，對其進(jìn)行等溫球化處理。加熱設(shè)備為SX2-15-13型箱式電阻爐，用可控硅控溫(型號KSL-250-W)。用JXA2840型電子顯微鏡觀察金相顯微組織，在洛氏硬度實驗機(jī)上測定HRB值。

　　2　快速球化的初始方案及結(jié)果

　　資料上給出的Ac1有的是一個溫度值，有的是一個溫度范圍，而且有一定的分散度，表1列出的只是具有代表性的數(shù)據(jù)(不是全部)。可見影響加熱臨界點諸因素中主要是原始組織和加熱速度。

　　由于沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)，筆者采取正交設(shè)計安排試驗方案，測定Z佳的球化溫度作為Ac1f點。取4個因素(奧氏體化溫度，雙相區(qū)冷速，等溫時間和Z終冷速)，每個因素取3個水平(如表2)，選用L9(34)來安排試驗方案。工藝設(shè)定奧氏體化的保溫時間均為5min，等溫球化的等溫溫度均為720℃。

　　通過組織觀察和硬度分析，發(fā)現(xiàn)除“A3B2C1D3”方案組織中出現(xiàn)片狀珠光體，硬度偏高(達(dá)94HRB)外；另外8個方案的組織均為球狀珠光體，并且均有黑塊組織(圖1a)存在，它們的硬度均為87HRB左右。從圖1(a)中的黑塊區(qū)和亮區(qū)的高倍組織(圖1b、c)中碳化物的數(shù)量和分布可以看出，黑區(qū)內(nèi)碳和合金含量偏低，而亮區(qū)的偏高。這種區(qū)域組織的嚴(yán)重不均勻，將在隨后淬火中出現(xiàn)微區(qū)淬火軟點，在工作時成為裂紋起源地，導(dǎo)致部件的早期失效。

　　3　快速球化工藝的改進(jìn)及結(jié)果

　　試驗中，采取適當(dāng)降低奧氏體化溫度、延長其保溫時間的方式來解決這個問題。為此，采用圖2所示的球化退火工藝。

　　球化退火后的組織(圖3所示)均勻細(xì)小，改善了組織的上述不均勻缺陷。按JB1255291級別圖進(jìn)行評定，其組織級別為2～3級。該退火組織的硬度為85.3HRB，適宜切削加工。

　　4　工藝分析

　　4.1　初始工藝的分析

　　文獻(xiàn)[5]指出：“加快高碳鋼球化退火應(yīng)同時考慮兩個方面，既要在加熱奧氏體化時在晶內(nèi)保留更多的剩余碳化物顆粒，還要獲得碳濃度不均勻性Z大的奧氏體，使α在遠(yuǎn)離碳化物的γ深處單獨形核，并各自獨立呈球狀長大”，“Ac1f溫度的透燒加熱奧氏體化既可保留更多的剩余碳化物顆粒，同時又獲得具有Z大不均勻性的奧氏體”。由于事先不清楚材料的Ac1f具體是多少，在初始方案中假定它是800℃、820℃以及840℃，并在這個溫度透燒。另外，根據(jù)文獻(xiàn)[6]對工件透燒時間的解釋，對于本試驗中的試樣，完全可以采用到溫即透燒。然而文獻(xiàn)[2]同時指出：“加熱到2點(Ac1f線上)時鐵素體(α)消失”，也就是說在這個溫度下馬上淬火得到馬氏體和碳化物的混合物，組織的硬度應(yīng)該在60HRC左右。實際情況是即使加熱到860℃，到溫后馬上淬火的硬度也僅僅42.3HRC。顯然，這里的到溫加熱沒能夠使工件透燒，透燒并不僅僅是受理論意義上的厚件、薄件以及傳熱系數(shù)的影響，更與實際的生產(chǎn)狀況有關(guān)。因此，本實驗中選擇奧氏體化保溫時間為5min。

　　文獻(xiàn)[7]對保溫溫度進(jìn)行了討論，認(rèn)為冷卻速度會影響奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度范圍，冷速越慢，轉(zhuǎn)變溫度越高，而在周期球化退火工藝中，工件從770℃進(jìn)入到720℃后，冷速不會很快，因此在720℃等溫是合理的。本實驗沒有采用強(qiáng)制冷卻措施，也選擇720℃等溫。同時，為了考察冷卻速度對球化效果的影響，分別在雙相區(qū)和球化終了控制冷卻速度。

　　4.2　改進(jìn)工藝的分析

　　針對上述試驗方案，可以看出它們涉及到的幾個因素中僅僅奧氏體化保溫時間以及等溫溫度是一個常量，其他因素均是變量。從圖1(b)、(c)可以清楚地看出，不論是黑塊區(qū)還是亮區(qū)，其碳化物均球化良好，形態(tài)比較圓整。區(qū)別僅僅在于黑區(qū)碳化物數(shù)目較少，體積分?jǐn)?shù)較小。從而，可以得出720℃保溫并不是黑塊產(chǎn)生的關(guān)鍵，奧氏體化保溫時間才是導(dǎo)致黑塊產(chǎn)生的根本因素。從硬度來分析，800℃保溫5min直接淬油可以得到55HRC的硬度，也就是說可以稱得上透燒。

　　同時從組織來看，黑塊區(qū)是貧碳區(qū)這是一個不爭的事實。即使是等溫3h也沒能夠消除這種組織上的不均勻，這種不均勻的加劇正是產(chǎn)生在奧氏體化這個階段。

　　 一方面，原材料本身存在微區(qū)成分的不均勻；而Ac1f透燒加熱直接導(dǎo)致“碳濃度不均勻性Z大的奧氏體”，造成貧碳區(qū)更貧碳，富碳區(qū)碳含量更高。這是因為，材料本身存在微區(qū)不均勻，Ac1f透燒加熱使得剩余的碳化物出現(xiàn)富碳區(qū)數(shù)量多貧碳區(qū)少，碳化物的溶解量卻是富碳區(qū)少貧碳區(qū)多，在隨后的冷卻和等溫球化過程中，奧氏體中的碳優(yōu)先在剩余點狀碳化物上析出并長大，從而導(dǎo)致析出碳的分配是富碳區(qū)多貧碳區(qū)少，并Z終形成一種局部平衡。這種局部平衡一旦形成，就很難在隨后的等溫過程消除。這就造成了碳化物已經(jīng)球化，而材料局部成分卻存在不均勻，導(dǎo)致黑塊的產(chǎn)生。

　　由前期試驗結(jié)果分析，該鋼材在試驗中的Ac1f點以800℃為宜。在新工藝中為了緩解奧氏體內(nèi)碳濃度的不均勻，適當(dāng)延長奧氏體化保溫時間到10min。這在一定程度上必然使得剩余碳化物減少。而適當(dāng)降低奧氏體化溫度到790℃不僅僅是出于節(jié)能的考慮，還是為了緩解剩余碳化物的減少。兩個階段的冷卻均采用爐冷，可以縮短球化周期，但球化終了的冷卻以不至于給工件產(chǎn)生熱應(yīng)力為宜。

　　從試樣組織和硬度分析來看，新工藝能夠?qū)崿F(xiàn)GCr15鋼的快速球化退火。與傳統(tǒng)工藝17h的球化周期相比，新工藝整個球化周期僅僅需要110min～150min，大大縮短了傳統(tǒng)等溫球化工藝的生產(chǎn)周期，節(jié)省了能源的消耗。

　　5　結(jié)論

　　 (1)根據(jù)實際生產(chǎn)條件確定透燒時間是Ac1f溫度快速球化退火成功實施的關(guān)鍵因素之一。

　　(2)Ac1f透燒加熱有助于球化的快速完成，同時其獲得的具有Z大不均勻性的奧氏體增加了隨后等溫過程組織均勻化的難度。

　　(3)適當(dāng)?shù)亟档蛫W氏體化溫度、延長保溫時間，有助于緩解透燒加熱產(chǎn)生的成分不均勻，同時又保留足夠多的剩余碳化物顆粒。