梁華

(洛陽軸研科技股份有限公司 金屬材料開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

高碳鉻軸承鋼具有良好的加工工藝性能和綜合力學(xué)性能，但其良好性能必須通過合理的熱處理工藝來保證。鋼材的原始組織對其熱處理效果有直接的影響，例如鋼材及其半成品的球化退火組織狀態(tài)就直接影響到其加工性能和以后的熱處理效果。所以在鋼材及其半成品的驗收中，退火組織檢驗是十分重要的。

高碳鉻軸承鋼的球化退火組織檢驗是考核原材料及半成品生產(chǎn)質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，其球化組織級別的評定，既影響著球化組織的合格率，也決定著能否為不合格產(chǎn)品提供可靠的返修依據(jù)。由于各生產(chǎn)廠家及用戶對標(biāo)準(zhǔn)圖片的理解不同，以及退火工藝和生產(chǎn)設(shè)備的差別，對球化組織的特征及其評級問題存在不同的看法[1]。下文在充分理解和領(lǐng)會標(biāo)準(zhǔn)評定原則的基礎(chǔ)上對因原材料、工藝及生產(chǎn)設(shè)備等因素造成的缺陷組織的檢驗及評級問題進行了深入的探討。

1 退火組織的評級原則

高碳鉻軸承鋼的退火組織應(yīng)為細(xì)小、均勻及完全球化的珠光體組織(圖1)，其評級標(biāo)準(zhǔn)按JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼 滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》第1級別圖和GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》第6級別圖，采用標(biāo)準(zhǔn)圖片對比法進行評定。放大倍數(shù)為500倍，浸蝕劑為2%硝酸酒精溶液。評級的原則：(1)碳化物顆粒的大??；(2)碳化物分布的均勻性；(3)碳化物的球化程度。各評級組織的特征見表1，其中第2～4級為合格組織，不允許第1級欠熱組織、第5級碳化物顆粒不均和第6級過熱組織存在[2-3]。在6個級別的退火組織中，每級的最大碳化物顆粒尺寸呈遞增趨勢。

圖1 細(xì)小均勻和完全球化的珠光體組織(3級)

表1 高碳鉻軸承鋼各級退火組織特征

2 影響退火組織形態(tài)的主要因素

軸承零件鍛造或正火以后的組織是索氏體和片狀珠光體，此時硬度較高(255～340 HB)，塑性較差，不利于切削、車削等冷加工，而且淬火溫度范圍較窄，容易產(chǎn)生過熱和欠熱組織，因此在鍛造或正火后均應(yīng)進行球化退火。球化退火的目的在于獲得均勻分布的細(xì)粒狀珠光體，這種組織的硬度較低，從而改善了切削加工性能，或冷沖、拔絲等冷變形性能，同時還為以后的淬火工序做好了組織上的準(zhǔn)備。影響退火質(zhì)量的主要因素除原始組織外，還有加熱溫度、保溫時間和冷卻速度。

GCr15的球化退火是在超過Ac1不高的溫度下進行。在此溫度下鋼的組織為奧氏體和大量未溶解的碳化物。這些未溶解的碳化物在冷卻時成為結(jié)晶中心，因此溫度超過Ac1愈少，未溶解的碳化物越多，在正常冷卻條件下，冷卻后得到的組織愈細(xì)。但如果溫度過低(低于760 ℃)，則退火后的組織中會保留部分鍛造組織。反之，加熱溫度越高則未溶解碳化物就越少，冷卻后將形成粗粒狀或粗片狀珠光體。故退火溫度一般以780～800 ℃為宜。

保溫一段時間的目的在于使零件溫度均勻，珠光體(或索氏體)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體+未溶碳化物。不同的加熱溫度有其相應(yīng)的保溫時間，同時保溫時間還與工件大小及裝爐量有關(guān)。

冷卻速度決定珠光體的分散度：冷卻速度快，珠光體轉(zhuǎn)變形核率高，生成的碳化物顆粒來不及長大，所以形成極細(xì)密的碳化物，硬度較高；反之，冷卻速度過低，就會形成粗大的碳化物，硬度也較低。如果加熱溫度偏高，冷卻速度又比較慢，未溶解的碳化物就容易在冷卻過程中長大；若冷速太快，則易出現(xiàn)片狀珠光體。因此，退火時采用高溫并緩慢冷卻或過快冷卻是產(chǎn)生大小不均勻碳化物的原因之一。此外，反復(fù)退火也會造成大小不均勻的碳化物。在生產(chǎn)過程中冷卻速度一般控制在10～30 ℃/h為宜。

除退火工藝影響退火組織外，較粗大的網(wǎng)狀碳化物、粗片狀珠光體等都會給退火組織帶來缺陷。凡此類缺陷及過熱組織均應(yīng)經(jīng)過正火工序消除后，再進行球化退火處理。球化不完善的退火組織，如果硬度較高，可適當(dāng)降低溫度重新退火。

3 球化退火缺陷組織及評級

一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)圖片都是在特定情況下制作的，如材料成分相對比較均勻，原始組織狀態(tài)無異常，采用同一批、甚至同一根材料進行試驗等。所制作的圖片往往具有一定的規(guī)律性，即采用相同的原材料，通過改變工藝得到不同級別的金相組織圖片。但是，在實際檢驗過程中，往往會遇到由于原材料的原始狀態(tài)不理想以及熱處理工藝和生產(chǎn)設(shè)備問題，導(dǎo)致得到的金相組織形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)圖片難以比對和評級，這就要求金相檢驗人員根據(jù)相關(guān)理論知識并結(jié)合實際經(jīng)驗進行合理判斷，為生產(chǎn)的正常進行提供可靠的依據(jù)。

高碳鉻軸承鋼的退火組織是比較容易引起爭議的一種組織，尤其是對于球化的組織特征、片狀珠光體的粗細(xì)與標(biāo)準(zhǔn)級別的關(guān)系，長久以來一直存在著爭議，主要有以下幾種缺陷組織。

3.1 不均勻的珠光體基體上存在粗片(或細(xì)片)狀珠光體

此組織是由于退火時全部或靠爐子高溫區(qū)的工件因加熱溫度過高，或在溫度上限保溫過久而得到的。因為溫度過高或在偏高溫度長時間保溫，使碳化物溶解較多，在隨后的冷卻過程中，部分區(qū)域缺少作為珠光體轉(zhuǎn)變既成核心的碳化物，以致不得不從較均勻的奧氏體內(nèi)重新產(chǎn)生珠光體核心。按照軸承鋼碳化物的溶解、擴散和再結(jié)晶原理，這種核心的成長只有長成片狀在能量上才最為有利。加熱溫度愈高，碳化物溶解愈充分，奧氏體成分愈均勻，退火組織中的片狀珠光體也愈多。

退火時冷卻較慢，形成的珠光體片也較粗大。因為慢冷給予珠光體轉(zhuǎn)變以充分的擴散時間，而新的轉(zhuǎn)變核心形成較少，珠光體片有機會長的較大。因而退火過熱產(chǎn)生的珠光體在大多數(shù)情況下呈粗片狀。但當(dāng)冷卻速度較快時，退火過熱形成的片狀珠光體也可能較細(xì)。

由于過熱，小碳化物溶解得更多更快，相對較大的碳化物溶解得較少較慢，在隨后慢冷時，大顆粒碳化物遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過形核時的臨界尺寸，所以長大較快，從而形成尺寸大小有明顯差別的粒狀碳化物。這一特征常作為退火過熱和欠熱的判別依據(jù)。

另外，原材料碳化物不均勻性嚴(yán)重(如帶狀碳化物嚴(yán)重)，在碳化物細(xì)小或數(shù)量少的局部區(qū)域，對過熱更為敏感。加熱溫度偏高或保溫時間過長就容易引起局部過熱。

過熱組織通常硬度不高。因為粗片狀珠光體硬度不高，粗粒狀珠光體硬度更低。但退火過熱加之冷速過快形成了大量細(xì)片狀珠光體時，硬度也可能略高些。當(dāng)出現(xiàn)這類過熱組織時，必須先經(jīng)正火而后才能調(diào)整工藝重新退火。因為已出現(xiàn)的過熱組織表現(xiàn)出碳化物的不均勻性，如直接二次退火，則粗大碳化物會變得更加粗大，使退火組織更加不均勻。如先經(jīng)一次正火，得到細(xì)珠光體類型的組織，故應(yīng)注意防止嚴(yán)重氧化脫碳產(chǎn)生。

對于不均勻(有大顆粒)的珠光體基體上存在粗片(或細(xì)片)狀珠光體應(yīng)確認(rèn)為高級別組織，評為6級或大于6級過熱組織(圖2)。

圖2 不均勻的珠光體基體上存在粗片狀珠光體(大于6級)

3.2 不均勻粗粒狀珠光體

此組織是由于稍高的加熱溫度隨之非常緩慢的冷卻所致。特別是鍛造組織中有較大的殘余網(wǎng)狀碳化物或較粗的片狀珠光體時，將導(dǎo)致退火后珠光體顆粒非常明顯的不均勻(甚至保留網(wǎng)狀碳化物)；另外，高于Ac1進行多次往復(fù)退火(或返修退火)時也容易導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻的粗粒狀珠光體。

粗粒狀珠光體組織硬度不高，應(yīng)確定為高級別組織，為5級或大于5級過熱組織(圖3)，在調(diào)整工藝返修退火前必須先經(jīng)正火。

圖3 不均勻粗粒狀珠光體(大于5級)

3.3 點狀和細(xì)粒狀珠光體的基體上存在細(xì)片狀珠光體或較粗的片狀珠光體

此組織是由于整爐或部分工件退火溫度偏低(局部低于765 ℃)，或保溫時間太短而造成的。因為欠熱，碳化物溶解不充分，保留大量未溶解的細(xì)小碳化物，奧氏體成分也極不均勻，在隨后的冷卻時就存在大量的珠光體轉(zhuǎn)變核心，所以形成的粒狀珠光體比較細(xì)小彌散。同時因為局部區(qū)域在加熱時未完成珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，保留了部分退火前的細(xì)片狀珠光體。但有時保留下來的珠光體也可能是較粗的，這主要取決于原始組織。所以判定欠熱組織的主要特征應(yīng)是片狀珠光體加細(xì)粒狀珠光體。

由于欠熱的退火組織大多為較細(xì)的珠光體，所以往往使硬度高出合格范圍，應(yīng)確定為低級別組織，為1級或小于1級(圖4)。

圖4 點狀和細(xì)粒狀珠光體的基體上存在細(xì)片狀珠光體(小于1級)

因為這種組織較細(xì)而彌散，在返修時可以不經(jīng)正火，調(diào)整工藝后直接進行二次退火即可。

3.4 點狀、細(xì)粒狀和少量粗粒狀珠光體的基體上存在細(xì)片狀珠光體或/和較粗的片狀珠光體

此組織往往是由于原材料熱軋(或鍛造)組織不均勻或存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物在加熱溫度偏高，但保溫時間偏短或冷速過快的情況下產(chǎn)生的混合組織(圖5)。按照前述的過熱和欠熱評定原則評定該組織都不合適，可直接確定為不合格組織。如必須評定級別，考慮到該組織特征中存在少量的大顆粒碳化物，如返修則必須經(jīng)過正火再進行球化退火，建議判定為6級或大于6級過熱組織。

圖5 混合組織(大于6級)

3.5 網(wǎng)狀碳化物

退火組織中的網(wǎng)狀碳化物是由原材料或鍛造遺留下來的，或退火不當(dāng)產(chǎn)生的。需對退火試樣淬火，讓部分二次碳化物溶解后再檢查碳化物網(wǎng)的粗細(xì)和封閉程度，以判定級別。也可以在退火狀態(tài)下采用特種腐蝕劑將網(wǎng)狀碳化物直接腐蝕出來(一般顯示為黑色)進行檢驗評級，但應(yīng)考慮淬、回火造成的檢驗誤差。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高碳鉻軸承鋼的網(wǎng)狀碳化物檢驗應(yīng)在淬、回火狀態(tài)試樣的橫截面上檢查。網(wǎng)狀碳化物一般分為以下兩種。

3.5.1 熱軋或鍛造網(wǎng)

熱軋或鍛造網(wǎng)是熱軋或鍛造工藝不當(dāng)產(chǎn)生的網(wǎng)狀碳化物組織(圖6)，其特點是封閉性強。產(chǎn)生的原因是熱軋或鍛造終了溫度高加之隨后冷卻緩慢，使二次碳化物沿奧氏體晶界析出。例如停軋或停鍛溫度在900～950 ℃，于空氣中冷卻后，顯微組織中常出現(xiàn)細(xì)小的鍛、軋網(wǎng)狀碳化物。這種細(xì)而封閉的網(wǎng)狀碳化物經(jīng)高于Ac1溫度的球化退火大多可以消除。

圖6 網(wǎng)狀碳化物(鍛造網(wǎng))

若終軋或終鍛溫度更高，隨后在空氣中緩慢冷卻，這樣形成的網(wǎng)狀碳化物比較穩(wěn)定，經(jīng)正火和球化退火仍不能徹底消除。

3.5.2 退火網(wǎng)

退火工藝不當(dāng)造成的網(wǎng)狀碳化物的特征是短粗，沒有鍛造網(wǎng)封閉性強。其產(chǎn)生原因是退火溫度高于880 ℃加之隨后過慢冷卻。

避免嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物必須正確執(zhí)行鍛造工藝，嚴(yán)格驗收鋼材，正確控制退火工藝。

當(dāng)網(wǎng)狀碳化物符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求時，退火組織按照標(biāo)準(zhǔn)進行正常評級即可；若網(wǎng)狀碳化物比較嚴(yán)重則直接判定為不合格組織。

要消除網(wǎng)狀碳化物必須正火處理之后返修退火，但返修處理時要采取相應(yīng)措施防止氧化脫碳。

4 結(jié)束語

長期以來，對高碳鉻軸承鋼退火缺陷組織的識別及級別評定一直存在著爭議，根據(jù)JB/T1255—2001標(biāo)準(zhǔn)退火組織的評級原則及長期的工作經(jīng)驗，認(rèn)為對缺陷組織應(yīng)達(dá)成以下共識：

(1)對于粗大碳化物+片狀珠光體組織，無論是粗片還是細(xì)片，均應(yīng)確認(rèn)為6級或大于6級的高級別不合格組織。

(2)如果組織中無典型的大顆粒存在(即球狀碳化物顆粒不大于4級)，并伴有片狀珠光體，無論是粗片還是細(xì)片，均應(yīng)確認(rèn)為1級或小于1級的低級別不合格組織。

(3)如果組織呈現(xiàn)為混合狀態(tài)，其組織特征表現(xiàn)為點狀、細(xì)粒狀和少量粗粒狀碳化物+細(xì)片狀珠光體或和較粗的片狀珠光體，也應(yīng)判斷為6級或大于6級的高級別組織。

(4)若遇到組織中球狀碳化物不大于4級，但存在明顯的超標(biāo)網(wǎng)狀碳化物時，也應(yīng)判定為不合格組織。