高碳鉻軸承鋼制軸承零件球化退火組織缺陷分析

■ 孫欽賀

高碳鉻軸承鋼是制造滾動軸承零件（套圈和滾動體）的主要鋼種，其中以GCr15鋼用量最大。軸承套圈絕大部分是由軸承鋼棒料鍛成軸承套圈鍛件毛坯。其鍛造始鍛溫度1100℃左右，終鍛溫度850℃左右，鍛后的硬度較高，一般為255～340HBW，組織為片狀珠光體組織（見圖1），不容易切削。

為了給最終淬回火處理準備良好的原始組織，同時能得到優越的加工性能，必須經過球化退火，獲得均勻分布的細粒狀珠光體組織。把硬度控制在170~220HBW最有利于切削加工。

高碳鉻軸承鋼零件球化退火后的顯微組織為細小、均勻分布的球化組織（見圖2），應符合《JB/T1255—2014 滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》標準第一級別圖中第2～4級，允許有點狀的球化組織存在，不允許有第1級和第5級的組織存在。

通常在實際生產過程中，由于受工件大小、裝爐方法、裝爐數量、球化加熱溫度高低以及退火前原始組織不均勻性等因素的影響，會使球化退火后組織產生過熱（粗片狀珠光體）、欠熱（細片狀珠光體）、不均勻粗粒狀珠光體等不合格組織出現，嚴重影響后工序加工質量，甚至會產生廢品，導致產品批量報廢。因此，對退火缺陷組織進行原因分析，并采取有效糾正預防措施是很有必要的。

圖1 鍛造毛坯未球化退火片狀組織（500×）

圖2 正常球化退火后的球化組織（1000×）

圖3 片狀珠光體組織（1000×）

圖4 細片狀珠光體（1000×）

1. 粗片狀珠光體（退火過熱金相顯微組織）

圖3所示球化組織為退火過熱金相顯微組織，其特征是金相顯微組織中出現大小分布不均的粒狀珠光體和部分粗片狀珠光體。

產生上述金相顯微組織的原因：由于球化退火加熱溫度過高或在偏高溫度下長時間保溫；裝爐量過多，爐內均溫性差；原材料碳化物不均勻性嚴重（如碳化物帶狀嚴重），在碳化物數量少的區域對過熱更為敏感。在正常工藝下仍有部分工件或工件局部加熱溫度過高或保溫時間長，容易引起局部過熱，形成粗片狀珠光體組織。使碳化物溶解較充分，在隨后的冷卻過程中，部分區域缺少作為珠光體轉變的核心碳化物，以至不得不從比較均勻的奧氏體內重新產生核心而出現片狀。一般加熱溫度越高或在偏高溫度下保溫時間越長，退火組織中也越會形成粗片狀珠光體。這類組織硬度不高，粗片狀珠光體硬度更低。

如果退火過熱的工件流入下工序進行淬火，容易發生過熱，從而使工件的變形增大且開裂的傾向也大。

出現這類過熱組織后，必須先經正火后得到細珠光體組織，再調整工藝重新退火。此種組織返修時因需要正火和二次退火，故應注意防止嚴重的氧化脫碳。

采取的措施：根據球化退火爐合理制訂球化退火工藝。改善球化退火爐的爐溫均勻度。裝爐量要合理，放置均勻。嚴格控制原材料質量，特別是發現帶狀碳化物超標時，必須做退貨處理，不得投入生產使用。

2. 點狀細片狀珠光體（退火欠熱金相顯微組織）

圖4所示球化組織為退火欠熱金相顯微組織，組織特征為點狀加部分細片狀珠光體組織。

產生上述金相顯微組織的原因：由于整爐或部分工件退火溫度偏低（局部低于765℃）或保溫時間太短造成的。爐子大、裝爐量多、爐內均溫性差，原材料組織不均勻（帶狀網狀碳化物超標），在正常工藝下還有部分工件或工件局部位置加熱溫度高，保溫時間長。

由于欠熱，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，保留了退火前的細片狀珠光體。但有時保留下來的片狀珠光體也可能是比較粗的，所以判定欠熱組織的特征是細粒（點）狀珠光體加細片狀珠光體。

由于退火溫度偏低，致使大部分片狀滲碳體未發生溶解，退火冷卻后，除僅得到少量的細粒狀珠光體外，大部分片狀珠光體被保留下來，從而使其硬度高于正常的退火硬度的合格范圍，硬度一般在95～98HRB，比較難以切削。 因為這種組織細而彌散，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。原則上不允許第三次返修。

采取的措施：根據球化退火爐合理制訂球化退火工藝；控制退火冷卻速度不宜太快；改善球化退火爐的爐溫均勻度；裝爐量要合理，放置均勻；嚴格控制原材料質量，特別是發現帶狀碳化物超標時，必須做退貨處理，不得投入生產使用。

圖5 基體球狀珠光體（1000×）

圖6 網狀碳化物超標嚴重（100×）

3. 不均勻粗粒狀珠光體

圖5所示為不均勻粗粒狀珠光體組織。產生的原因是由于稍高的加熱溫度隨之非常緩慢的冷卻。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非常明顯的不均勻性；冷卻后得到大小不均的球狀組織。或高于Ac1進行多次往復退火時也容易得到不均勻的粗大粒狀珠光體組織。

在正常加熱溫度下淬火，將使基體的合金化程度偏低，必須采用更高的加熱溫度，此時除容易得到過熱粗大的淬火組織外，工件的變形和開裂傾向也將隨之增大。

這種組織硬度不高，在調整工藝返修退火前必須先經過正火。

4. 網狀碳化物超標

圖6為網狀碳化物超標，退火溫度過高（高于880℃）加之隨后的過慢冷卻形成的網狀碳化物或鍛件組織有嚴重的網狀碳化物，退火未能消除。

要消除網狀碳化物必須正火處理，之后再返修退火，返修處理過程中要采取防止氧化脫碳措施。

為了避免嚴重的網狀碳化物的產生，必須正確執行鍛造工藝，嚴格檢驗原材料，正確控制退火工藝。

5. 結語

以上對高碳鉻軸承鋼零件球化退火后產生的顯微組織主要缺陷原因進行了深入的分析，并有針對性地提出預防糾正措施，對提高高碳鉻軸承鋼零件球化退火質量期望能起到拋磚引玉的作用。但是在生產實踐中情況是十分復雜的，還必須對不同的情況做具體的分析，只有這樣才能保證高碳鉻軸承鋼零件球化退火的質量，為確保后工序淬回火質量提供可靠保證。