GCr15碳化物球化工艺方案、碳化物形成机理及作用
发布时间：2014-03-04张志强
摘 要：该文给了GCr15轴承钢碳化物球化的五种方案，阐述了碳化物的形成机理以及作用。关键字：GCr15钢；碳化物球化；碳化物形成机理及作用
1 引言
GCr15钢是主要用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和套圈等的传统高碳铬轴承钢。轴承在服役过程中承受极高的交变载荷，要求其具有较高的抗接触疲劳性能和耐磨性能，因此轴承钢需具有隐晶回火马氏体+细小渗碳体颗粒组织【注1】。为获得此种组织，则要求轴承钢具有良好球化的珠光体组织；本文基于以上的要求参阅了相关的文件，阐述了五种常用的球化工艺方案，同时也给出了碳化物的形成机理以及作用。
2 GCr15碳化物球化的工艺方案
2.1 GCr15的等温球化退火
球化退火主要是适用于含C量大于0.60%的各种高碳钢或者轴承钢，GCr15属于含C量较高的合金钢，为了获得较好的力学性能，就要对GCr15进行球化退火的预备热处理。根据我们所学的钢的热处理知识可知，Z基本Z普通的球化退火就是等温球化退火。
等温球化退火就是将合金钢加热到某个合适的温度后，然后使合金钢在这个合适的温度下等温保温合适的时间，然后再在合适的冷却速度下冷却，珠光体以钢中的未溶碳化物为形核中心形成球状碳化物的过程。常用是的等温球化退火主要有两种，这两种分别是低于钢奥氏体化临界点温度Ac1的共析碳化物的等温球化和在稍高于钢奥氏体化临界点温度Ac1（＜Acm）下的等温球化。
2.1.1 低于钢奥氏体化临界点温度Ac1的共析碳化物的等温球化
这种热处理方法是将钢加热到临界点温度Ac1以下10℃-30℃，然后长时间保温，由于GCr15是高碳钢，在这种情况下，高碳钢不能完全奥氏体化，由于球状的渗碳体比片状渗碳体更稳定，所以奥氏体中的片状渗碳体会自发的向球状渗碳体转变，随着时间的增加形成的珠光体就变成了球状珠光体。
将钢加热到稍高于钢奥氏体化临界点温度Ac1并经过短时间保温形成不均匀的奥氏体及部分未溶碳化物，然后通过缓慢冷却等温分解，或在A1点上下循环加热冷却数次以使碳化物球化的过程【注2】。此工艺是由于高温短时间高速加热使奥氏体极不均匀，因而过冷奥氏体稳定性显著降低，未溶碳化物球化，为冷却形成珠光体提供了形核中心，Z终形成所需要的球状珠光体。
2.2 GCr15周期球化退火工艺
周期球化退火是指对GCr15轴承钢进行多周期的循环球化退火，就是通过多次的球化退火使得珠光体中的片状渗碳体不断减少，球状珠光体不断增加的工艺。对于周期球化退火也包括两种不同的方案，即多周期等温球化退火和多周期波动加热、冷却退火。
2.2.1 周期等温球化退火
将轴承钢加热到某一个合适的温度等温一段时间后，适当冷却后再加热到该温度下等温一段时间，再冷却到相同的温度，如此反复进行几个循环即可。按此工艺进行球化退火， 经过多次加热和冷却， 碳化物不断进行溶解和析出，使球粒状碳化物增多， 碳化物核心增多，导致碳化物的细化并加速其球化过程【注3】。在富碳区，碳化物将以未溶碳化物为核心呈球状析出，并伴有铁素体形成， 在贫区，则首先形成细片状珠光体，当加热时，碳化物在尖角处优先溶解，冷却时则在平面处析出，Z终形成球化体组织。周期等温球化退火相当于进行了多次的等温球化退火，其球化的机理与等温球化退火是相同的，都是利用未溶碳化物为形核中心，冷却形成球状珠光体，只是多了一个多次重复球化的过程，因此，他的球化效果要好一些。
周期波动加热、冷却退火就是在A1温度附近波动加热、冷却使碳化物球化的工艺。此工艺的主要特点是不进行等温，在相同的退火时间内，使波动加热与冷却的循环次数增加。通过对加热温度和冷却速度的控制，可以控制碳化物的溶解量，进而改善退火组织中碳化物的大小、形态和分布，为Z终热处理作好组织上的准备【注4】。另外还表明，该工艺能消除过冷奥氏体冶炼因素波动稳定性的对退火效果的影响。它与等温周期球化退火的区别就是他没有等温过程，一直处于变温的球化过程，在温度波动范围、保温时间及循环次数等配合良好的情况下，可获得良好的球化效果。
此工艺先将共析钢、过共析钢或合金钢加热到高于Ac3或Accm温度，获得均匀奥氏体再进行马氏体或贝氏体淬火，与小于A1温度进行高温回火使碳化物析出并球化。
GCr15钢是一种高碳钢，将其加热至1050℃保温30分钟可全部溶解所有的碳化物，使奥氏体呈高碳状态，在其后的淬火时随冷却介质的不同，可能得到马氏体、贝氏体、屈氏体及残余奥氏体等组织，再进行高温回火【注5】，根据我们所学的知识可知，此时组织高温回火得到是回火索氏体，回火索氏体的组织比较均匀细小，常呈球棒状，因此达到了球化的目的。普通球化退火也能提供球化了的碳化物，但是一般碳化物尺寸较大，其分布很不均匀，而且球化退火周期也长，在此工艺下碳化物基本溶解，奥氏体趋向均匀化，淬火后形成的组织也较为均匀，再进行回火得到的珠光体也就变得很均匀，这也是一个较好的方案。
将钢件在室温下施行一定的形变加工后，再在一定的温度下进行退火处理，这种工艺被称为形变球化退火。形变球化退火也包括两种方案，一种是在室温下进行一定的形变，然后在低于A1的温度下进行退火，被称为低温形变球化退火；另一种是在高温（Ac1+30℃-50℃）形变后立即进行缓冷或等温退火，被称为高温形变球化退火。
GCr15钢经Ac1以上两相区高温短时加热后在较大的形变作用下，不仅加速了原始组织中片状碳化物为溶解，而且通过形变奥氏体晶粒所产生的大量位错与亚晶界等结构缺陷，为碳化物的诱发析出提供了形核条件，致使在随后的冷却与A1以下等温分解过程中，起到了增加共析碳化物形核数目和促迸球化为作用，从而有助于获得细小而均匀的球化退火组织。常用的GCr15球化方案是将GCr15轴承钢经750℃-780℃短时加热6分钟进行80%的压缩变形后，在以30℃-50℃/h冷速冷到650℃再空冷，或于720℃等温30分钟后再空冷，均可获得均匀的球化组织【注6】。
脉冲电场作用下的球化退火就是在GCr15钢冷却保温阶段将其施加一个一定的脉冲电场，从而影响其球化过程的方案。 相关资料中有这样一种方法是将GCr15试样加热到760℃保温40min，冷却至700℃进入保温阶段，5min后施800V、15Hz的脉冲电流2min，计时1h50min后出炉【注7】。我们知道碳化物的等温球化过程由两个环节构成，即片层状碳化物溶解，溶解碳化物的球化析出。而这两环节均受Fe、C原子扩散过程控制。球化前，碳化物的形态是层片状，当球化退火加热温度、时间适宜，将使钢中的Fe、C原子有足够的动力学条件溶解并均匀化，得到碳均匀分布的奥氏体，从而在等温球化时碳化物能以均匀球状形态分布于基体; 如果加热温度不足、保温时间不够，则在等温球化时碳化物仍有可能以链状或杆状碳化物形态分布在基体中。实际过程中加热温度与保温时间即使控制的再好也会造成球化的不完全性，如果要进一步提高珠光体的球化程度，可以在等温球化过程中施加一个合适的脉冲电场。脉冲电场的介入对球化退火过程中C原子的扩散、基体中C原子的均匀化均起到了促进作用。
3.1 碳化物的形成机理
对于等温球化退火和周期球化退火都是对钢进行不均匀的奥氏体化，形成不均匀的奥氏体组织，此时的奥氏体中含有一些未溶的碳化物，这些碳化物在保温的过程中缓慢球化，Z终变成球状的碳化物，并以该碳化物为形核中心生成球状的珠光体。
对于高温固溶预处理的快速球化方案，该工艺现将钢高温完全奥氏体化，形成均匀组织，然后淬火形成马氏体或者是贝氏体组织，同时有一定的残余奥氏体，Z后进行高温回火，形成回火索氏体，在回火索氏体中产生球状的碳化物【注8】。
对于形变球化退火，是将处干两相区温度的奥氏体进行较大的形变作用，形变使奥氏体的微观结构发生变化，而微观结构的变化引起了的碳化物诱发析出。对于脉冲电场作用下的碳化物的形成也是先进行不完全退火，然后未溶碳化物球化形成球状碳化物，脉冲电场只是影响了C的扩散，从而加速了碳化物的形成【注9】。
3.2 碳化物的作用
钢的硬度取决于钢中碳的含量及合金元素的含量，随着钢中含碳量的增加，碳化物数量增加，退火后硬度也相应的升高，然而，硬度的过分提高又影响了钢的韧性，为了改变钢的韧性同时又不能过分降低钢的硬度，这就需要在热处理过程中尽量获得球状的碳化物，让分布在Z终组织上的碳化物成球状，使得钢的硬度增加的同时也改善了钢的韧性【注10】。因此，我们可以得出钢中碳化物的作用是改变钢的硬度、韧性和塑性、影响钢的切削加工性能。具体来说就是片状碳化物使得钢的硬度大大上升、塑性和韧性大大下降、钢的耐磨性大大提高、钢的接触疲劳强度大大增加等；而球状碳化物较好的增加了钢的硬度、耐磨性、接触疲劳强度的同时也大大改善了钢的塑韧性。
参考文献
【1】王自强,姜世杭,GCr15钢热处理工艺的研究,扬州工学院学报,1996年
【2】田容璋,金属热处理,北京:冶金工业出版社,1985
【3】杨洪波,马宝国,朱伏先,刘相华,GCr15球化退火行为和力学性能的研究,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,中国冶金,第18卷第10期2008年10月
【4】洪振声,加速GCr15钢碳化物球化的过程,《轴承》1987.NO.5
【5】曹丽云,曹必刚,王建中,电渣熔铸GCr15钢的碳化物球化处理,辽宁工学院学报,第14卷第3期,1994年(总第47期)
【6】李超,谢红,热变形对GCr15钢等温球化退火影响的研究,钢铁研究学报,1990年
【7】曹丽云,王建中,曹力生,脉冲电场作用下GCr15钢球化退火新工艺,《新技术新工艺》.热加工技术,2002年第6期
【8】高炳章,金属工艺学,国防工业出版社,1984年156期
【9】崔昆,合金钢及有色金属材料,北京,机械工业出版社,1981:108～111
【10】徐祖耀等,上海金属,1984