GCr15轴承钢加热温度与碳化物的溶解扩散

刘靖¹，韩静涛¹，席军良²，赵杰²

（1.北京科技大学材料科学与工程学院，北京　100083；2.石家庄钢铁有限责任公司，河北石家庄　050031）

　　摘　要：为消除轴承钢中碳化物液析，改善带状组织，进行了加热温度与碳化物溶解扩散之间的关系研究，确定了GCr15轴承钢比较合理的加热温度和保温时间，并将试验结果实施于现场。实际应用结果表明，在现有加热能力的条件下，将加热温度提高到1200～1280℃，保温时间在3h以上，可使碳化物带状级别控制在2级以下，碳化物液析得到消除。

　　关键词：GCr15轴承钢；碳化物液析；带状组织；加热制度

　　碳化物液析属于三角晶系碳化物，硬度极高，它的存在会使轴承零件在热处理过程中容易产生淬火裂纹。在使用过程中，处于表面层的液析碳化物容易剥落成为磨损的起源，显著降低轴承零件的耐磨性；处于内部的液析碳化物和脆性夹杂物一样是疲劳裂纹的起源，显著降低轴承零件的疲劳寿命^[1-3]。碳化物带状组织是钢液在凝固过程中形成的结晶偏析（晶间偏析），轧制延伸后，冷却过程中高浓度区域析出大量过剩的二次碳化物，从而形成黑白（高低碳）相间的碳化物条带组织。随着碳化物带状偏析程度的加剧，淬火加热时过热敏感性增加，高低碳带之间的显微硬度差加大，接触疲劳寿命下降^[4-5]。为此，本文对GCr15钢加热温度与碳化物溶解扩散之间关系进行了研究，为实际生产消除液析、改善带状组织提供较合理的加热制度，并将试验结果实施于现场。

　　1　碳化物溶解扩散试验

　　1.1试验材料及方法

　　试验材料为由石钢提供的GCr15钢，其化学成分见表1。在连铸坯边长为1/4处，线切割出∮8mm×15mm的圆柱形试样。将试样加热到950℃、1000℃、1100℃、1200℃，分别保温15min和30min后取出，空冷到室温。对热处理后的试样进行磨光、抛光、硝酸酒精溶液侵蚀后，在金相显微镜下观察液析状况。

表1 GCr15钢化学成分（质量分数，%）

　　1.2试验结果分析

　　图1为GCr15钢热处理前原始试样的液析状况。从图1原始试样的金相照片中可以看出，有许多白亮的碳化物液析存在，液析呈块状，尺寸从20mm到几个微米不等。液析碳化物是非平衡结晶时由钢液中析出的共晶碳化物，在钢锭或连铸坯中的组织特征是粗大的块状。它的形成原因是：在钢锭或连铸坯凝固时，产生碳与合金元素的偏析，特别是在树枝状晶之间Z后剩余的残液内，碳、铬的富集程度很高，达到共晶浓度，它将以共晶结晶方式形成大块的共晶碳化物，通常把这种共晶碳化物称为液析碳化物^[3]。

图1 加热前原始液析状况

　　图2为经不同温度不同时间热处理后试样中液析碳化物的变化情况。图2a、b及图2c、d分别为加热温度为950℃和1000℃的试样的金相照片。由图2a～d可知，经950～1000℃的加热，部分小尺寸的液析碳化物消失，但大尺寸的液析碳化物还存在，和原始液析图片相比，尺寸变化不大。950℃和1000℃相比，液析碳化物状况变化也不大。保温时间对液析碳化物的影响也不大。这说明在1000℃以下温度加热，液析碳化物的溶解非常缓慢，即使延长保温时间，液析状况也没有明显改善。

图2 不同加热温度及保温时间下的液析状况
加热温度：（a，b）950℃ （c，d）1000℃ （e，f）1100℃ （g，h）1200℃　保温时间：（a，c，e，g）15min （b，d，f，h）30min

　　图2e、f为加热温度1100℃，分别保温15min和30min的试样的金相照片，可见大尺寸的液析已开始溶解，液析尺寸已溶解到10mm以下。和1000℃以下加热的相比，液析状况已有明显改善。比较图2e和图2f，保温30min的液析溶解得更多，液析尺寸已降到了5mm以下。但在此温度下，碳化物液析还没有完全溶于奥氏体中。碳化物溶解的过程，不仅使奥氏体中的C、Cr含量相应增加，而且由于这些溶质元素在其中的不均匀分布，还存在一个奥氏体晶粒成分的均匀化问题。需要通过继续提高加热温度或增加保温时间，借以促进C、Cr等原子充分扩散完成的。图2g、h为加热温度1200℃，保温15min和30min的图片，由图中可以看出，大尺寸的液析已完全消失，在整个视场里已找不到白亮的块状液析，说明液析已完全溶解。但从碳化物的扩散情况看，碳化物的扩散还不均匀，存在碳化物的高浓度区，继续保温到30min，碳化物的扩散情况也没有明显改善。上述试验说明，GCr15轴承钢加热到1200℃时，碳化物液析完全溶解，但还存在碳化物的高浓度区，这也说明提高加热温度，延长加热时间，可以消除液析，但成品钢材上碳化物带状很难消除，只能在一定程度上得到改善。

　　2　现场加热工艺改进及效果

　　根据轴承钢加热温度与碳化物溶解扩散试验研究的结果，对轧制前的加热工艺进行了改进。将改进前后的液析及带状组织情况进行了对比，确定了较为合理的轴承钢的轧制加热工艺参数。表2为改进前后的加热工艺制度。

表2 改进前后加热工艺

　　分别对改进前的35炉钢及工艺调整后的49炉钢进行了碳化物液析及带状组织统计分析。图3为加热工艺改进前后部分液析和带状组织照片。图3a、b中改进前钢样中的液析为410级，带状组织为2.5级；图3c、d中改进加热工艺后钢样中的液析降到0.5级，带状组织为1.0级。

图3 工艺改进前（a，b）后（c，d）的液析（a，c）及带状组织（b，d）照片

　　图4～5为加热工艺调整前后液析及带状组织统计分析结果柱状对比图。

图4 调整前（a）和调整后（b）液析组织柱状图

图5 调整前（a）和调整后（b）带状组织柱状图

　　从以上调查结果可以看出，改进前轴承钢的加热温度控制偏低，加热段平均温度只有1083℃，在此温度下，大块的液析还未完全溶解，液析级别大都在2.0级～2.5级之间。碳化物的扩散情况也不理想，存在碳化物的高浓度区，轧制之后室温下的带状组织级别大都在2.0级～2.5级之间。在此加热制度下，35炉轴承钢只有7炉液析和带状级别合格，合格率只有20%。改进后的加热温度和加热时间均符合加热制度要求，碳化物带状级别在1级左右，碳化物液析全部是0.5级，在此加热制度下，49炉钢的带状和液析全部合格，合格率为100%。

　　3　结论

　　（1）加热温度在1000℃以下时，GCr15钢中碳化物液析的溶解非常缓慢，即使长时间保温，液析的状况也没有明显改善。

　　（2）加热温度在1200℃以上时，GCr15钢中碳化物液析完全溶解，但还存在碳化物高浓度区，成品钢材上碳化物带状很难消除，只能在一定程度上改善。

　　（3）结合石钢二轧厂加热炉的加热能力，加热温度调整到1200～1280℃，加热时间3h以上，可使带状级别控制到2级以下，使液析得到消除。

　　参考文献：

　　[1]钟顺思，王昌生.轴承钢[M].冶金工业出版社，2000：47.

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　　[3]刘玉斌，叶志海，矫宏伟.轴承钢液析缺陷产生原因及预防措施[J].黑龙江冶金，2005（3）：526.

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来源：《金属热处理》