引言
GCr15 軸承鋼按正常的工藝規(guī)范進(jìn)行鍛造后, 得到的是細(xì)片狀珠光體組織(索氏體) , 硬度較高, 達(dá)255～ 340 HBS, 難以進(jìn)行切削加工, 故需要進(jìn)行一次球化退火, 以降低硬度, 同時(shí)也為淬火作好組織上的準(zhǔn)備. 因?yàn)榻?jīng)過大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明, 只有當(dāng)軸承零件的原始組織為細(xì)球狀珠光體時(shí), 經(jīng)過淬火加低溫回火后, 才能獲得隱晶回火馬氏體及在其上分布著細(xì)小碳化物顆粒的組織, 這種金相組織才使得軸承零件具有高強(qiáng)度和韌性. 在工業(yè)生產(chǎn)中, 常用的球化退火工藝包括一次球化退火工藝、等溫球化退火工藝和周期球化退火等工藝. 某廠使用等溫球化退火工藝來對(duì)軸承零件進(jìn)行球化處理, 但遇到工藝周期長、耗能多、效率低等問題, 球化質(zhì)量也不穩(wěn)定, 直接影響到工件的淬火開裂傾向. 為此本文對(duì)GCr15 鋼制軸承零件的球化退火工藝進(jìn)行了研究, 結(jié)合對(duì)中頻電爐的改造, 得出一個(gè)比較切合實(shí)際的球化退火工藝.
1 球化退火工藝試驗(yàn)
1. 1 試驗(yàn)材料及檢測設(shè)備
GCr15 鋼制軸承套圈, 內(nèi)圈壁厚7 mm , 外徑400mm; 外圈壁厚7mm , 外徑500mm. 試驗(yàn)樣品按正常工藝鍛造后, 隨機(jī)取出, 編號(hào)為18# (外圈) , 22# (外圈) , 23# (內(nèi)圈) , 24# (外圈) 樣品為等溫球化處理的成品.檢測設(shè)備為箱式電阻爐, 型號(hào)SX24210, 爐膛尺寸300 mm ×200 mm ×120 mm; 用毫伏計(jì)控溫, 型號(hào)KSW 24D211; 用MM 6 型金相顯微鏡觀察金相顯微組織, 在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上測定HBS值, 作為工件球化效果的定量指標(biāo).
1. 2 工藝試驗(yàn)
1. 2. 1 原用等溫球化退火工藝
制定的等溫球化退火工藝如圖 所示. 這一工藝曲線嚴(yán)格遵循了退火工藝的三要素, 即加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度. GCr15 鋼的退火加熱范圍為780～ 810 ℃, 因而該廠采用790 ℃. 冷卻速度控制在15～ 20℃öh 范圍內(nèi), 整個(gè)工藝過程需要17h. 該廠根據(jù)這一工藝路線對(duì)軸承零件進(jìn)行球化處理, 要求硬度為179～ 207 HBS, 球化組織級(jí)別為2～ 4 級(jí).
1. 2. 2 周期球化退火工藝的選用
周期球化退火的工藝曲線如圖2 所示. 將鋼加熱至略高于A c1的溫度, 保溫一定時(shí)間后, 隨爐冷至略低于A r1的溫度等溫處理. 如此反復(fù)加熱和冷卻, 最后冷至室溫, 每一階段的保溫時(shí)間為1 h, 目的是增加球化的核心, 以獲得較為滿意的球化組織. 這種工藝特別適用于難以球化的鋼種.
1. 2. 3 工藝參數(shù)的制定
文獻(xiàn)指出, GCr15鋼的A c1是一個(gè)溫度區(qū)間為735～ 765 ℃, 加熱溫度超過A c1時(shí), 珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)變, 溫度越高, 奧氏體化后鋼的組織越趨于均勻, 未溶的碳化物越少, 這對(duì)珠光體的球化是不利的. 文獻(xiàn)研究了40 Cr 鋼的奧氏體化條件與等溫溫度對(duì)硬度的影響, 結(jié)果表明在臨界區(qū)對(duì)鋼加熱, 一旦加熱溫度升高, 則鋼的淬火硬度明顯增高, 這說明發(fā)生了奧氏體的富碳過程, 即碳化物溶解過多, 這樣會(huì)導(dǎo)致球化困難. 同時(shí)還指出, 在高的溫度奧氏體化下, 若保溫時(shí)間延長, 同樣會(huì)使球化困難, 而且影響十分明顯. 這樣看來, 退火加熱溫度是一個(gè)關(guān)鍵, 為此根據(jù)GCr15 鋼的A c1, 在試驗(yàn)時(shí)將循環(huán)曲線的加熱溫度制定為770 ℃.文獻(xiàn)研究了等溫溫度即珠光體轉(zhuǎn)變溫度對(duì)球化過程的影響規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)若將等溫溫度降低, 即使在奧氏體中有大量的未溶碳化物, 也將導(dǎo)致大量的片狀珠光體形成. 因而讓珠光體在比較高的溫度下長時(shí)間保溫對(duì)球化組織的形成也是很重要的. 為此筆者做了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn), 將軸承鋼在770 ℃加熱2h 后在不同的溫度下等溫2 h, 然后以30 ℃öh 冷卻至650 ℃下再空冷的試驗(yàn)(見表1) , 從試驗(yàn)結(jié)果可看出, 在720 ℃等溫是合理的.還可以這樣來解釋720 ℃等溫的合理性, 因?yàn)槔鋮s速度會(huì)影響奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度范圍,冷速越慢, 轉(zhuǎn)變溫度越高, 而在周期球化退火工藝中, 工件從770 ℃進(jìn)入到720 ℃后, 冷速不會(huì)很快, 因此在720 ℃等溫是合理的.
文獻(xiàn)對(duì)球化退火過程中冷卻速度的影響做了詳細(xì)的研究, 特別是在轉(zhuǎn)變終了溫度上作了很好的說明.文獻(xiàn)中指出, 在轉(zhuǎn)變終了溫度后的冷卻速度對(duì)工件的硬度沒有影響, 因此轉(zhuǎn)變后的冷速應(yīng)該較快.本試驗(yàn)在制定冷卻速度時(shí), 考慮到不致于給工件產(chǎn)生熱應(yīng)力, 將冷速定為30 ℃。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2. 1 檢測結(jié)果
對(duì)上述兩種工藝的處理件進(jìn)行硬度檢測和金相評(píng)級(jí)(見表2). 布氏硬度試驗(yàn)按[GB 231 ]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.球化退火后的組織按機(jī)械電子工業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB 1255—91, 高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》第一級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定, 第2～ 4 級(jí)為合格組織, 同時(shí)也允許有細(xì)點(diǎn)狀球化組織, 不允許有第1 級(jí)欠熱, 第5 級(jí)碳化物顆粒不均勻和第6 級(jí)過熱組織.
2. 2 分析
從檢測結(jié)果來看, 均符合部頒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 而且硬度和金相組織也滿足工廠的要求, 試驗(yàn)結(jié)果令
人滿意. 這主要是由碳化物的析出規(guī)律和鋼本身的特性決定的.周期球化工藝的加熱溫度為770 ℃, 所以在鋼奧氏體化時(shí), 碳化物溶解很少, 奧氏體不均勻,使奧氏體出現(xiàn)富碳區(qū), 接著在隨后的珠光體等溫轉(zhuǎn)變過程中, 不均勻的奧氏體中的富碳處成為滲碳體形核位置, 使一部分滲碳體直接成長為球狀,這樣, 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體加球狀滲碳體. 但仍有一部分滲碳體不可避免地以片狀方式成長, 形成片狀碳化物. 其中尺寸很小的細(xì)片狀碳化物只作為中間產(chǎn)物存在, 緊接著又溶解并析集到鄰近的穩(wěn)定的球狀碳化物上, 而其中部分尺寸較大的片狀碳化物, 在等溫過程中, 會(huì)發(fā)生破碎、碎片的變圓和粗化, 逐漸形成更穩(wěn)定的球狀碳化物.可見, 在每一次循環(huán)的加熱階段, 由于奧氏體成分不均勻, 未溶碳化物多的這些因素, 加速了滲碳體的球化, 使得球化退火效果比較理想, 同時(shí)也縮短了工藝時(shí)間.
3 結(jié) 論
1) 本工藝能滿足該廠的技術(shù)要求, 硬度為179～ 207 HBS, 球化級(jí)別為2～ 4 級(jí).
2) 應(yīng)用該球化退火工藝可縮短工藝時(shí)間一半以上, 即由原來的17 h 降為7～ 8 h, 具有顯著
的節(jié)能效果。
GCr15 軸承鋼按正常的工藝規(guī)范進(jìn)行鍛造后, 得到的是細(xì)片狀珠光體組織(索氏體) , 硬度較高, 達(dá)255～ 340 HBS, 難以進(jìn)行切削加工, 故需要進(jìn)行一次球化退火, 以降低硬度, 同時(shí)也為淬火作好組織上的準(zhǔn)備. 因?yàn)榻?jīng)過大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明, 只有當(dāng)軸承零件的原始組織為細(xì)球狀珠光體時(shí), 經(jīng)過淬火加低溫回火后, 才能獲得隱晶回火馬氏體及在其上分布著細(xì)小碳化物顆粒的組織, 這種金相組織才使得軸承零件具有高強(qiáng)度和韌性. 在工業(yè)生產(chǎn)中, 常用的球化退火工藝包括一次球化退火工藝、等溫球化退火工藝和周期球化退火等工藝. 某廠使用等溫球化退火工藝來對(duì)軸承零件進(jìn)行球化處理, 但遇到工藝周期長、耗能多、效率低等問題, 球化質(zhì)量也不穩(wěn)定, 直接影響到工件的淬火開裂傾向. 為此本文對(duì)GCr15 鋼制軸承零件的球化退火工藝進(jìn)行了研究, 結(jié)合對(duì)中頻電爐的改造, 得出一個(gè)比較切合實(shí)際的球化退火工藝.
1 球化退火工藝試驗(yàn)
1. 1 試驗(yàn)材料及檢測設(shè)備
GCr15 鋼制軸承套圈, 內(nèi)圈壁厚7 mm , 外徑400mm; 外圈壁厚7mm , 外徑500mm. 試驗(yàn)樣品按正常工藝鍛造后, 隨機(jī)取出, 編號(hào)為18# (外圈) , 22# (外圈) , 23# (內(nèi)圈) , 24# (外圈) 樣品為等溫球化處理的成品.檢測設(shè)備為箱式電阻爐, 型號(hào)SX24210, 爐膛尺寸300 mm ×200 mm ×120 mm; 用毫伏計(jì)控溫, 型號(hào)KSW 24D211; 用MM 6 型金相顯微鏡觀察金相顯微組織, 在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上測定HBS值, 作為工件球化效果的定量指標(biāo).
1. 2 工藝試驗(yàn)
1. 2. 1 原用等溫球化退火工藝
制定的等溫球化退火工藝如圖 所示. 這一工藝曲線嚴(yán)格遵循了退火工藝的三要素, 即加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度. GCr15 鋼的退火加熱范圍為780～ 810 ℃, 因而該廠采用790 ℃. 冷卻速度控制在15～ 20℃öh 范圍內(nèi), 整個(gè)工藝過程需要17h. 該廠根據(jù)這一工藝路線對(duì)軸承零件進(jìn)行球化處理, 要求硬度為179～ 207 HBS, 球化組織級(jí)別為2～ 4 級(jí).
1. 2. 2 周期球化退火工藝的選用
周期球化退火的工藝曲線如圖2 所示. 將鋼加熱至略高于A c1的溫度, 保溫一定時(shí)間后, 隨爐冷至略低于A r1的溫度等溫處理. 如此反復(fù)加熱和冷卻, 最后冷至室溫, 每一階段的保溫時(shí)間為1 h, 目的是增加球化的核心, 以獲得較為滿意的球化組織. 這種工藝特別適用于難以球化的鋼種.
1. 2. 3 工藝參數(shù)的制定
文獻(xiàn)指出, GCr15鋼的A c1是一個(gè)溫度區(qū)間為735～ 765 ℃, 加熱溫度超過A c1時(shí), 珠光體開始向奧氏體轉(zhuǎn)變, 溫度越高, 奧氏體化后鋼的組織越趨于均勻, 未溶的碳化物越少, 這對(duì)珠光體的球化是不利的. 文獻(xiàn)研究了40 Cr 鋼的奧氏體化條件與等溫溫度對(duì)硬度的影響, 結(jié)果表明在臨界區(qū)對(duì)鋼加熱, 一旦加熱溫度升高, 則鋼的淬火硬度明顯增高, 這說明發(fā)生了奧氏體的富碳過程, 即碳化物溶解過多, 這樣會(huì)導(dǎo)致球化困難. 同時(shí)還指出, 在高的溫度奧氏體化下, 若保溫時(shí)間延長, 同樣會(huì)使球化困難, 而且影響十分明顯. 這樣看來, 退火加熱溫度是一個(gè)關(guān)鍵, 為此根據(jù)GCr15 鋼的A c1, 在試驗(yàn)時(shí)將循環(huán)曲線的加熱溫度制定為770 ℃.文獻(xiàn)研究了等溫溫度即珠光體轉(zhuǎn)變溫度對(duì)球化過程的影響規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)若將等溫溫度降低, 即使在奧氏體中有大量的未溶碳化物, 也將導(dǎo)致大量的片狀珠光體形成. 因而讓珠光體在比較高的溫度下長時(shí)間保溫對(duì)球化組織的形成也是很重要的. 為此筆者做了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn), 將軸承鋼在770 ℃加熱2h 后在不同的溫度下等溫2 h, 然后以30 ℃öh 冷卻至650 ℃下再空冷的試驗(yàn)(見表1) , 從試驗(yàn)結(jié)果可看出, 在720 ℃等溫是合理的.還可以這樣來解釋720 ℃等溫的合理性, 因?yàn)槔鋮s速度會(huì)影響奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度范圍,冷速越慢, 轉(zhuǎn)變溫度越高, 而在周期球化退火工藝中, 工件從770 ℃進(jìn)入到720 ℃后, 冷速不會(huì)很快, 因此在720 ℃等溫是合理的.
文獻(xiàn)對(duì)球化退火過程中冷卻速度的影響做了詳細(xì)的研究, 特別是在轉(zhuǎn)變終了溫度上作了很好的說明.文獻(xiàn)中指出, 在轉(zhuǎn)變終了溫度后的冷卻速度對(duì)工件的硬度沒有影響, 因此轉(zhuǎn)變后的冷速應(yīng)該較快.本試驗(yàn)在制定冷卻速度時(shí), 考慮到不致于給工件產(chǎn)生熱應(yīng)力, 將冷速定為30 ℃。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2. 1 檢測結(jié)果
對(duì)上述兩種工藝的處理件進(jìn)行硬度檢測和金相評(píng)級(jí)(見表2). 布氏硬度試驗(yàn)按[GB 231 ]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行.球化退火后的組織按機(jī)械電子工業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB 1255—91, 高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》第一級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定, 第2～ 4 級(jí)為合格組織, 同時(shí)也允許有細(xì)點(diǎn)狀球化組織, 不允許有第1 級(jí)欠熱, 第5 級(jí)碳化物顆粒不均勻和第6 級(jí)過熱組織.
2. 2 分析
從檢測結(jié)果來看, 均符合部頒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 而且硬度和金相組織也滿足工廠的要求, 試驗(yàn)結(jié)果令
人滿意. 這主要是由碳化物的析出規(guī)律和鋼本身的特性決定的.周期球化工藝的加熱溫度為770 ℃, 所以在鋼奧氏體化時(shí), 碳化物溶解很少, 奧氏體不均勻,使奧氏體出現(xiàn)富碳區(qū), 接著在隨后的珠光體等溫轉(zhuǎn)變過程中, 不均勻的奧氏體中的富碳處成為滲碳體形核位置, 使一部分滲碳體直接成長為球狀,這樣, 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體加球狀滲碳體. 但仍有一部分滲碳體不可避免地以片狀方式成長, 形成片狀碳化物. 其中尺寸很小的細(xì)片狀碳化物只作為中間產(chǎn)物存在, 緊接著又溶解并析集到鄰近的穩(wěn)定的球狀碳化物上, 而其中部分尺寸較大的片狀碳化物, 在等溫過程中, 會(huì)發(fā)生破碎、碎片的變圓和粗化, 逐漸形成更穩(wěn)定的球狀碳化物.可見, 在每一次循環(huán)的加熱階段, 由于奧氏體成分不均勻, 未溶碳化物多的這些因素, 加速了滲碳體的球化, 使得球化退火效果比較理想, 同時(shí)也縮短了工藝時(shí)間.
3 結(jié) 論
1) 本工藝能滿足該廠的技術(shù)要求, 硬度為179～ 207 HBS, 球化級(jí)別為2～ 4 級(jí).
2) 應(yīng)用該球化退火工藝可縮短工藝時(shí)間一半以上, 即由原來的17 h 降為7～ 8 h, 具有顯著
的節(jié)能效果。
