加热温度对轴承钢球化组织的影响

利用热处理获得碳化物的球化组织有多种方法。其中利用等温转变的球化退火的连续冷却球化退火方法，在冶金企业中对高碳铬轴承钢的球化退火使用最为广泛。轴承钢球化退火是为了得到良好的切削性能及淬硬性，回火后具有耐疲劳性能，因而是极其重要的工序之一，并且要求有严格的均匀化球状组织，因此在检验球化组织中观察是否有片状珠光体或索氏体组织以及残留碳化物网状，球状碳化物颗粒度的大小，均匀程度是否符合标准要求等。

为获得均匀球化组织，结合企业退火生产工艺实际，本文研究和分析了在连续冷却球化退火过程中，加热温度和原始组织对碳化物行为的影响，简述了在连续冷却退火过程中碳化物的行为及加热温度和分解温度的关系，加热温度和组织转变之间的关系。

1 试验方法

实验用料选用热轧状态的轴承钢，规格为Փ11、Փ15、Փ21棒材试样，随退火炉正常退火并在相应规格和固定的棒料上，取下部分试料在箱式电炉中进行高低温退火。这样由退火炉和箱式电炉进行实际大生产和模拟相结合的试验分析，在退火过程中每个阶段降温前抽取试样进行水淬，观察其组织的变化过程。在试验中应用了金相显微镜观察和透射电子显微镜进行观察和分析。

2 试验工艺

按照表1的生产工艺，退火后的组织很不均匀，为了找出相应的退火组织形态，表2试验工艺中加热温度选择为860℃和760℃，通过模拟退火试验找出相似的组织形态和对应的热处理工艺。

表1 每段温度℃

冷却方式    辊速 mm    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    11    12    

连续冷却    2.52    820    820    810    780    760    740    730    720    710    700    690    650    

连续冷却    2.5    810    810    810    780    760    740    730    720    710    700    690    650    

mm

表2 试验工艺

一组    加热温度/℃    860    840    820    810    780    760    740    730    720    710    700    690    650    

保温时间/分    90    60    60    60    90    60    60    60    60    60    60    60    60    

二组    加热温度/℃    760    750    740    730    720    710    700    690    650    

保温时间/分    240    90    90    60    60    90    90    60    60    

3 试验结果与讨论

选择合适的加热温度对强化组织的均匀性起主导作用。无论哪种球化退火工艺，加热温度高低直接影响残余碳化物的数量、分布和颗粒大小及最后球化组织的均匀性。从试验中看到加热温度为860℃时，奥氏体分解温度为740℃到710℃分解完毕。在分解前高温为860℃已超过轴承钢840℃的理论加热温度。此时碳化物溶解的过多，残余碳颗粒保留下来，在一些局部地方形成碳化物质点极少的均匀和非均匀碳浓度的小区，同时使整个奥氏体基体浓度增高。当连续冷却时，随温度降低奥氏体中的碳以残余碳化物有充分时间进行析聚长大。这一过程由860℃开始到760℃分解前有120℃缓慢冷却的温度区间，使残余碳化物有充分时间进行析聚长大。因此到760℃时碳化物明显变粗，由此造成的碳化物颗粒粗大，组织不均匀的现象，这正是加热温度过高的特征之一。

当温度降至740℃时，在部分小区域开始发生共析分析，在高倍透射电镜下进行观察，首先看到在大颗粒碳化物聚集处和沿奥氏体晶界处被熔断的碳化物网状颗粒的地方优先开始分解。因为在残余碳化物析聚长大过程中，使这些大颗粒碳化物周围的奥氏体碳浓度比其他地方低，相应提高了共析分解温度。因此在有大颗粒碳化物的地方首先开始分解，使这部分的球化组织的碳化物颗粒粗大，造成组织不均匀。

在后面分解的部分，由于860℃加热温度高，形成了碳化物极少的均匀和非均匀碳浓度的小区，这些小区碳含量高，奥氏体更稳定。在720℃共析分解温度内非均匀碳浓度的小区，浓度起伏核心过多，紧接着前面已分解的区域分解，形成黑团状索氏体。碳浓度均匀的小区，最后在710℃分解完形成片状珠光体。所以，在连续冷却过程中，球化组织里大颗粒碳化物和片状珠光体形成，提高了开始分解和降低了分解完了的温度，这样也缩短了分解后的聚集长大。均匀成球的保温时间，对黑团索氏体组织没能得到充分的集聚长大和改善，使710℃分解完了的组织和连续冷却后650℃的最终组织没有明显区别。最后得到的球化组织是很不均匀的，大碳化物颗粒+黑团状索氏体如片状珠光体，这种组织形态与退火炉中出现的球化组织完全相同，表明这是一种较典型的过热组织。

观察中看到加热温度为760℃时与860℃的组织形态有明显差异。从760℃降至750℃开始分解，到730℃时分解终了，都比860℃分解和分解终了的温度偏高。这是因为加热温度低，奥氏体中溶解碳化物少，碳含量低且不均匀，细腻碳化物质点很多，在连续冷却条件下没有加热温度860℃的稳定，而于较高的750℃温度下开始共析分解。又因为分解前析集时间短，碳化物网熔断后的残余碳化物没有时间进行充分长大，同时均匀化和非均匀化碳浓度的小区不存在，共析分解时靠原始组织中大量细小碳化物质点进行转变。此时在相变过程中所需激活功能较低，共析分解容易进行，使开始和终了共析分解温度分别提高10℃和20℃。

在共析分解后的组织中，黑团状索氏体是由细小球状碳化物组成的。860℃形成的黑团状索氏体是以碳浓度起伏为核心形成的密集质点所组成。因此860℃和760℃加热温度不同，在球化转变过程中和形态上有明显差异。前者组织中大碳化物颗粒和片状珠光体严重影响了球化组织的均匀性。后者由于加热温度低，球化组织中无明显大碳化物颗粒和片状珠光体，使球化组织稍均匀些。两者中的黑团状索氏体，在球化过程中处于胶平状态，而很难达到均匀的球化组织。

4 结论

(1) 加热温度为860℃的连续冷却球化退火工艺试验所得到的组织是大碳化物颗粒+片状珠光体+密集碳化物质点组成的黑团状索氏体。球化组织极不均匀，是典型的过热组织。

(2) 加热温度为760℃的连续冷却球化退火工艺，所得到的组织是球状珠光体+细小球状碳化物组成的黑团索氏体，加热温度较低但还没有明显欠热的原始片状珠光体。

(3) 加热温度增高，降低共析分解温度；加热温度降低，提高共析分解温度。