黄金展位

GCr15钢套圈全脱碳和部分脱碳

hengline
  轴承套圈表面脱碳是滚动轴承早期失效的重要原因之一,轴承钢GCr15套圈球化退火过程局部表层脱碳包括全脱碳和局部脱碳,造成淬火表面硬度不足或淬火软点,降低轴承耐磨性和接触疲劳强度,导致早期失效,见图1。


  轴承钢脱碳时,表层一定厚度的体积内碳元素通过界面反应氧化成气态CO逸出材料,反应速度由炉气碳势所控制;同时,表面碳原子浓度不断降低、在表层形成碳浓度梯度的过程,由碳原子扩散速度所控制。从化学反应角度上分析,球化退火温度下,虽然铁元素和碳元素均发生氧化,但是前者反应产物是致密氧化铁膜阻止了进一步氧化发生,而碳的氧化以碳原子被氧化生成CO逸出表面导致表层含碳量降低,因碳元素是钢的基础强化元素,金属学中特别以脱碳表达钢材表面的碳元素氧化过程,以示与铁和其他合金元素的氧化过程区别。脱碳导致显微组织变化、强度指标降低,恶化工件的服役性能和寿命的作用是很大的。

  图2示意说明GCr15套圈球化退火表层脱碳过程,其A1点为760℃,Acm点为900℃。根据轴承钢含碳量为0.95~1.05%,套圈球化退火温度设定为795℃,即加热至A点保温进行球化退火。片状珠光体球化驱动力来自渗碳体球化使表面能降低,因为球化前后渗碳体的体积不变,在体积恒定前提下,以球体表面积为最小。室温下晶格中的原子扩散能力不够,片状渗碳体以亚稳态存在,当加热到设定球化温度,晶格原子振动频率和振幅加大,能够摆脱晶格势垒的约束进行扩散,发生球化所需的渗碳体相晶格原子的溶解和重构。依靠片状渗碳体的球化过程是一个热力学自发过程,但是仅仅依靠表面能差值驱动,球化驱动力比较小,是一个比较耗时的工艺过程。当片状珠光体在加热到Ac1(760℃)以上温度,首先发生铁素体向奥氏体的转变。与铁素体相比,奥氏体的溶碳能力要大得多,明显促进碳原子的迁移过程,有利于球化进行;球化保温时渗碳体首先开始局部溶解,使片状渗碳体断开为若干断续片状渗碳体,碳原子溶入奥氏体基体,通过奥氏体基体迁移到片状渗碳体曲率较小处沉积,实现球化;同时由于在二相区保温,材料处于残余渗碳体和成分不均匀奥氏体状态。在冷却过程中,奥氏体转变为铁素体同时排出过饱和的碳原子,因为残余渗碳体表面曲率不同,渗碳体长大时曲率小的部位碳元素沉积多、曲率大处沉积少,即倾向于球体方式长大,最终形成以残余渗碳体质点为核心、均匀而细小的颗粒状碳化物。这个过程可由图2在A点保温并缓冷球化说明;得到的金相组织是正常的轴承钢球化退火组织。


  如果炉气碳势较低使表面脱碳,表面含碳量进入DC范围,造成残余渗碳体完全溶解,表层一定深度形成单相奥氏体。在随后缓冷过程中,因为钢中含铬量较高,使得过冷奥氏体稳定性高而不发生先共析析出;继续冷却到图2所示的灰色的“伪共析区域”,过冷奥氏体发生伪共析转变,形成片状珠光体,是轴承钢球化退火部分脱碳的特征金相组织。如果脱碳发生在D点附近,表层部分区域进入单相奥氏体区域,其他部分仍旧处于奥氏体加残余渗碳体的二相区,冷却后前者发生伪共析转变生成片状珠光体,后者完成渗碳体球化过程,形成表层发生部分脱碳。由图1(c)和(d)可见低倍视场样品表面没有形成厚度均匀的脱碳层或部分脱碳层,脱碳仅仅发生在表面局部地区;高倍视场中可见这些局部脱碳区片状珠光体发育完好,层深约100微米,说明该体积单相奥氏体从高温冷却到A1温度以下发生共析转变,因此在球化退火加热和保温过程中,套圈表层这些局部区域生成单相奥氏体,其冷却转变产物仅仅生成珠光体而没有先共析相生成,证明这些表层局部区域奥氏体含碳量处于接近共析成分的DC范围中。

  如果炉气碳势低于C,进入铁素体和奥氏体二相区,在高温下即生成或多或少铁素体相。如果碳势靠近B点加上保温时间较长,表面下会生成铁素体层即全脱碳层见图1(a),高倍下可见基体外侧存在由奥氏体转变生成的少量珠光体见图1(b)。碳势越低、保温时间越长,全脱碳层深度越大。