軸承鋼球化退火過程不同保溫時間對脫碳層厚度的影響規律

蔣國強， 莫杰輝， 孫應軍， 蘇福永

(1.寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關 512123； 2.北京科技大學 能源與環境工程學院，北京 100083)

軸承鋼在工業生產中主要用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈等，因其具有高硬度和耐磨性以及高的彈性極限使其在工業生產中扮演著十分重要的角色。軸承鋼在進行球化退火處理時由于鋼材表面會帶入一定量的水分，使得其在保護氣氛中處理時仍然會發生脫碳現象，發生脫碳后軸承鋼在強度、耐磨性等方面都會受到很大影響，其使用性能大幅下降。軸承鋼的脫碳過程可分為以下四個部分：碳化物的分解、碳的擴散、發生反應生成氣體、離開金屬表面。從本質上看，脫碳實際上是碳原子在鋼材內部擴散的結果，加熱溫度影響了碳原子的擴散速度，從而對脫碳層的厚度產量了影響。實際生產工藝和實驗研究結果表明，在溫度有一定的情況下，加熱時間越長，鋼材的脫碳就越嚴重。這是由于在溫度一定的情況下，碳原子的擴散系數基本不變，隨著保溫時間越長，碳原子向外擴散與爐氣反應就越多，脫碳就更加嚴重。國內外學者大都通過實驗研究軸承鋼的脫碳狀況，通過對實驗數據進行處理，得到了鋼材的脫碳層厚度與影響因素之間的關系。本文針對軸承鋼球化退火過程的脫碳狀況開展研究，通過對不同保溫時間下軸承鋼的脫碳狀況進行分析，得到了保溫時間對脫碳層厚度的影響規律，為軸承鋼球化退火的工藝優化奠定基礎。

1 實驗裝置及實驗方案

本文搭建了GCr15軸承鋼脫碳過程實驗平臺，實驗平臺將純氮氣進行不同溫度的水浴來控制水分含量，將設定流量的混合氣體通入到管式加熱爐中，提供實驗所需的氣氛條件；用電腦設置管式加熱爐的升溫速度、加熱溫度和保溫時間等；為保證試樣的加熱溫度，用K型熱電偶和34972A LXI型號的數據采集/記錄儀來采集和記錄試樣的加熱溫度。實驗平臺示意圖如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

2 實驗材料的選取和試樣加工

本文所用的材料為某廠生產規格為Φ28mm的熱軋后GCr15軸承鋼棒材，然后對材料進行加工。首先將原棒材用電火花切割為差不多大小的試樣，然后車削成大小為10 mm×10 mm×15 mm的小長方體，并在距上表面2.5 mm處開直徑為3 mm的通孔，在距下表面5 mm處開直徑為3 mm，深度為5 mm的圓孔；試樣加工完后，將試樣放置在超聲波清洗機中，利用無水乙醇進行清洗；清洗后的試樣在常溫下自然風干，之后隔絕空氣保存，最后用于脫碳實驗，試樣加工后的試樣如圖2所示。

圖2 試樣加工后實物圖

3 脫碳實驗方案

在固體中，擴散是原子要發生遷移的唯一方式，而鋼坯的脫碳現象實際上是鋼坯內部的碳原子向外擴散過程。所以，軸承鋼脫碳現象的核心問題就是碳原子在不同鋼材成分、不同加熱溫度、不同保溫時間以及不同加熱氣氛情況下的傳質過程。本文主要通過實驗研究GCr15軸承鋼加熱及熱處理過程中保溫時間對其脫碳的影響規律。實驗中保溫時間設定為20～70 min，加熱氣氛為含有0.3%水分的氮氣，軸承鋼溫度為810 ℃(軸承鋼球化退火溫度)，具體的實驗方案如表1所示。

表1 保溫時間對GCr15軸承鋼脫碳影響的實驗方案

4 脫碳實驗結果及分析

對試樣在810 ℃、氣氛中含0.3%H2O情況下保溫不同的時間，待試樣冷卻后進行鑲樣、打磨、拋光和腐蝕處理，然后在金相顯微鏡下觀測試樣的脫碳情況，具體情況如圖3所示。

圖3 在810 ℃、含0.3%H2O的氮氣下保溫不同時間的脫碳情況

對試樣脫碳層厚度進行測量，測量值如表2所示，保溫時間分別為20、30、40、50、60、70 min，每種保溫時間下脫碳層厚度測量5次。將各保溫溫度下的總脫碳層平均深度整理如圖4所示。

表2 脫碳層厚度測量值

圖4 總脫碳層厚度隨保溫時間的變化

由圖4可知，隨著保溫時間的增加，脫碳層厚度也明顯增加且脫碳層厚度隨保溫時間大致呈拋物線變化，隨后處理數據得到總脫碳層厚度隨保溫時間平方根的變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，總脫碳層厚度基本隨保溫時間的平方根線性增加。

圖5 總脫碳層厚度隨保溫時間平方根的變化

當軸承鋼在810 ℃進行球化退火時，總脫碳層厚度與保溫時間的關系為

(1)

5 結 論

本文針對軸承鋼球化退火過程中保溫時間對脫碳層厚度的影響規律進行研究，設計了脫碳過程實驗平臺，制定了不同保溫時間下的實驗方案。實驗結果顯示，在球化退火溫度為810 ℃，保護氣氛(氮氣)中含有0.3%水分的情況下，保溫時間從20～70 min時軸承鋼均會出現明顯的脫碳，脫碳層厚度為55～116 μm。脫碳層厚度隨保溫時間的增加而加大，總脫碳層厚度與保溫時間的平方根成正比。