引言
GCr15 軸承鋼按正常的工藝規(guī)范進行鍛造后, 得到的是細(xì)片狀珠光體組織(索氏體) , 硬度較高, 達255～ 340 HBS, 難以進行切削加工, 故需要進行一次球化退火, 以降低硬度, 同時也為淬火作好組織上的準(zhǔn)備. 因為經(jīng)過大量的試驗和生產(chǎn)實踐證明, 只有當(dāng)軸承零件的原始組織為細(xì)球狀珠光體時, 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軸承零件進行球化處理, 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GCr15 鋼制軸承零件的球化退火工藝進行了研究, 結(jié)合對中頻電爐的改造, 得出一個比較切合實際的球化退火工藝.
1 球化退火工藝試驗
1. 1 試驗材料及檢測設(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. 試驗樣品按正常工藝鍛造后, 隨機取出, 編號為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SX24210, 爐膛尺寸300 mm ×200 mm ×120 mm; 用毫伏計控溫, 型號KSW 24D211; 用MM 6 型金相顯微鏡觀察金相顯微組織, 在布氏硬度試驗機上測定HBS值, 作為工件球化效果的定量指標(biāo).
1. 2 工藝試驗
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), 整個工藝過程需要17h. 該廠根據(jù)這一工藝路線對軸承零件進行球化處理, 要求硬度為179～ 207 HBS, 球化組織級別為2～ 4 級.
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
文獻指出, GCr15鋼的A c1是一個溫度區(qū)間為735～ 765 ℃, 加熱溫度超過A c1時, 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, 這對珠光體的球化是不利的. 文獻研究了40 Cr 鋼的奧氏體化條件與等溫溫度對硬度的影響, 結(jié)果表明在臨界區(qū)對鋼加熱, 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, 這樣會導(dǎo)致球化困難. 同時還指出, 在高的溫度奧氏體化下, 若保溫時間延長, 同樣會使球化困難, 而且影響十分明顯. 這樣看來, 退火加熱溫度是一個關(guān)鍵, 為此根據(jù)GCr15 鋼的A c1, 在試驗時將循環(huán)曲線的加熱溫度制定為770 ℃.文獻研究了等溫溫度即珠光體轉(zhuǎn)變溫度對球化過程的影響規(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間保溫對球化組織的形成也是很重要的. 為此筆者做了一個對比試驗, 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(見表1) , 從試驗結(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, 因為冷卻速度會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 ℃進入到720 ℃后, 冷速不會很快, 因此在720 ℃等溫是合理的.
文獻對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.文獻中指出, 在轉(zhuǎn)變終了溫度后的冷卻速度對工件的硬度沒有影響, 因此轉(zhuǎn)變后的冷速應(yīng)該較快.本試驗在制定冷卻速度時, 考慮到不致于給工件產(chǎn)生熱應(yīng)力, 將冷速定為30 ℃。
2 試驗結(jié)果與分析
2. 1 檢測結(jié)果
對上述兩種工藝的處理件進行硬度檢測和金相評級(見表2). 布氏硬度試驗按[GB 231 ]標(biāo)準(zhǔn)進行.球化退火后的組織按機械電子工業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB 1255—91, 高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》第一級別圖進行評定, 第2～ 4 級為合格組織, 同時也允許有細(xì)點狀球化組織, 不允許有第1 級欠熱, 第5 級碳化物顆粒不均勻和第6 級過熱組織.
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, 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, 同時也縮短了工藝時間.
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, 球化級別為2～ 4 級.
2) 應(yīng)用該球化退火工藝可縮短工藝時間一半以上, 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255～ 340 HBS, 難以進行切削加工, 故需要進行一次球化退火, 以降低硬度, 同時也為淬火作好組織上的準(zhǔn)備. 因為經(jīng)過大量的試驗和生產(chǎn)實踐證明, 只有當(dāng)軸承零件的原始組織為細(xì)球狀珠光體時, 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軸承零件進行球化處理, 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GCr15 鋼制軸承零件的球化退火工藝進行了研究, 結(jié)合對中頻電爐的改造, 得出一個比較切合實際的球化退火工藝.
1 球化退火工藝試驗
1. 1 試驗材料及檢測設(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. 試驗樣品按正常工藝鍛造后, 隨機取出, 編號為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SX24210, 爐膛尺寸300 mm ×200 mm ×120 mm; 用毫伏計控溫, 型號KSW 24D211; 用MM 6 型金相顯微鏡觀察金相顯微組織, 在布氏硬度試驗機上測定HBS值, 作為工件球化效果的定量指標(biāo).
1. 2 工藝試驗
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), 整個工藝過程需要17h. 該廠根據(jù)這一工藝路線對軸承零件進行球化處理, 要求硬度為179～ 207 HBS, 球化組織級別為2～ 4 級.
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
文獻指出, GCr15鋼的A c1是一個溫度區(qū)間為735～ 765 ℃, 加熱溫度超過A c1時, 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, 這對珠光體的球化是不利的. 文獻研究了40 Cr 鋼的奧氏體化條件與等溫溫度對硬度的影響, 結(jié)果表明在臨界區(qū)對鋼加熱, 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, 這樣會導(dǎo)致球化困難. 同時還指出, 在高的溫度奧氏體化下, 若保溫時間延長, 同樣會使球化困難, 而且影響十分明顯. 這樣看來, 退火加熱溫度是一個關(guān)鍵, 為此根據(jù)GCr15 鋼的A c1, 在試驗時將循環(huán)曲線的加熱溫度制定為770 ℃.文獻研究了等溫溫度即珠光體轉(zhuǎn)變溫度對球化過程的影響規(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間保溫對球化組織的形成也是很重要的. 為此筆者做了一個對比試驗, 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(見表1) , 從試驗結(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, 因為冷卻速度會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 ℃進入到720 ℃后, 冷速不會很快, 因此在720 ℃等溫是合理的.
文獻對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.文獻中指出, 在轉(zhuǎn)變終了溫度后的冷卻速度對工件的硬度沒有影響, 因此轉(zhuǎn)變后的冷速應(yīng)該較快.本試驗在制定冷卻速度時, 考慮到不致于給工件產(chǎn)生熱應(yīng)力, 將冷速定為30 ℃。
2 試驗結(jié)果與分析
2. 1 檢測結(jié)果
對上述兩種工藝的處理件進行硬度檢測和金相評級(見表2). 布氏硬度試驗按[GB 231 ]標(biāo)準(zhǔn)進行.球化退火后的組織按機械電子工業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB 1255—91, 高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》第一級別圖進行評定, 第2～ 4 級為合格組織, 同時也允許有細(xì)點狀球化組織, 不允許有第1 級欠熱, 第5 級碳化物顆粒不均勻和第6 級過熱組織.
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, 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, 同時也縮短了工藝時間.
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, 球化級別為2～ 4 級.
2) 應(yīng)用該球化退火工藝可縮短工藝時間一半以上, 即由原來的17 h 降為7～ 8 h, 具有顯著
的節(jié)能效果。
