高碳鉻軸承鋼退火缺陷組織及評級

梁華

(洛陽軸研科技股份有限公司 金屬材料開發部，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質量的一個重要指標，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品提供可靠的返修依據。由于各生產廠家及用戶對標準圖片的理解不同，以及退火工藝和生產設備的差別，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會標準評定原則的基礎上對因原材料、工藝及生產設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為細小、均勻及完全球化的珠光體組織(圖1)，其評級標準按JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼 滾動軸承零件熱處理技術條件》第1級別圖和GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》第6級別圖，采用標準圖片對比法進行評定。放大倍數為500倍，浸蝕劑為2%硝酸酒精溶液。評級的原則：(1)碳化物顆粒的大小；(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，容易產生過熱和欠熱組織，因此在鍛造或正火后均應進行球化退火。球化退火的目的在于獲得均勻分布的細粒狀珠光體，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備。影響退火質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。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)轉變為奧氏體+未溶碳化物。不同的加熱溫度有其相應的保溫時間，同時保溫時間還與工件大小及裝爐量有關。

冷卻速度決定珠光體的分散度：冷卻速度快，珠光體轉變形核率高，生成的碳化物顆粒來不及長大，所以形成極細密的碳化物，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生大小不均勻碳化物的原因之一。此外，反復退火也會造成大小不均勻的碳化物。在生產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經過正火工序消除后，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，標準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不理想以及熱處理工藝和生產設備問題，導致得到的金相組織形態與標準圖片難以比對和評級，這就要求金相檢驗人員根據相關理論知識并結合實際經驗進行合理判斷，為生產的正常進行提供可靠的依據。

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、片狀珠光體的粗細與標準級別的關系，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(或細片)狀珠光體

此組織是由于退火時全部或靠爐子高溫區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，部分區域缺少作為珠光體轉變既成核心的碳化物，以致不得不從較均勻的奧氏體內重新產生珠光體核心。按照軸承鋼碳化物的溶解、擴散和再結晶原理，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變以充分的擴散時間，而新的轉變核心形成較少，珠光體片有機會長的較大。因而退火過熱產生的珠光體在大多數情況下呈粗片狀。但當冷卻速度較快時，退火過熱形成的片狀珠光體也可能較細。

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，大顆粒碳化物遠遠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。

另外，原材料碳化物不均勻性嚴重(如帶狀碳化物嚴重)，在碳化物細小或數量少的局部區域，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片狀珠光體時，硬度也可能略高些。當出現這類過熱組織時，必須先經正火而后才能調整工藝重新退火。因為已出現的過熱組織表現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。如先經一次正火，得到細珠光體類型的組織，故應注意防止嚴重氧化脫碳產生。

對于不均勻(有大顆粒)的珠光體基體上存在粗片(或細片)狀珠光體應確認為高級別組織，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狀碳化物或較粗的片狀珠光體時，將導致退火后珠光體顆粒非常明顯的不均勻(甚至保留網狀碳化物)；另外，高于Ac1進行多次往復退火(或返修退火)時也容易導致產生不均勻的粗粒狀珠光體。

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

圖3 不均勻粗粒狀珠光體(大于5級)

3.3 點狀和細粒狀珠光體的基體上存在細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變核心，所以形成的粒狀珠光體比較細小彌散。同時因為局部區域在加熱時未完成珠光體向奧氏體的轉變，保留了部分退火前的細片狀珠光體。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是片狀珠光體加細粒狀珠光體。

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

圖4 點狀和細粒狀珠光體的基體上存在細片狀珠光體(小于1級)

因為這種組織較細而彌散，在返修時可以不經正火，調整工藝后直接進行二次退火即可。

3.4 點狀、細粒狀和少量粗粒狀珠光體的基體上存在細片狀珠光體或/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重網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 網狀碳化物

退火組織中的網狀碳化物是由原材料或鍛造遺留下來的，或退火不當產生的。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的粗細和封閉程度，以判定級別。也可以在退火狀態下采用特種腐蝕劑將網狀碳化物直接腐蝕出來(一般顯示為黑色)進行檢驗評級，但應考慮淬、回火造成的檢驗誤差。標準規定高碳鉻軸承鋼的網狀碳化物檢驗應在淬、回火狀態試樣的橫截面上檢查。網狀碳化物一般分為以下兩種。

3.5.1 熱軋或鍛造網

熱軋或鍛造網是熱軋或鍛造工藝不當產生的網狀碳化物組織(圖6)，其特點是封閉性強。產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，顯微組織中常出現細小的鍛、軋網狀碳化物。這種細而封閉的網狀碳化物經高于Ac1溫度的球化退火大多可以消除。

圖6 網狀碳化物(鍛造網)

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

3.5.2 退火網

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

避免嚴重的網狀碳化物必須正確執行鍛造工藝，嚴格驗收鋼材，正確控制退火工藝。

當網狀碳化物符合標準規定要求時，退火組織按照標準進行正常評級即可；若網狀碳化物比較嚴重則直接判定為不合格組織。

要消除網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措施防止氧化脫碳。

4 結束語

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JB/T1255—2001標準退火組織的評級原則及長期的工作經驗，認為對缺陷組織應達成以下共識：

(1)對于粗大碳化物+片狀珠光體組織，無論是粗片還是細片，均應確認為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，無論是粗片還是細片，均應確認為1級或小于1級的低級別不合格組織。

(3)如果組織呈現為混合狀態，其組織特征表現為點狀、細粒狀和少量粗粒狀碳化物+細片狀珠光體或和較粗的片狀珠光體，也應判斷為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，但存在明顯的超標網狀碳化物時，也應判定為不合格組織。