轴承钢球化退火优化

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：对此，球化退火时可采用较低的温度和较短的时间。对于轴承钢，预备热处理采用球化退火，再经淬火和低温回火，可以提高轴承的接触疲劳寿命。图2-5碳钢一次球化退火加热温度范围合金元素：加入碳化物形成元素使球化变慢，形成碳化物的程度越强烈，则阻碍越大。增加循环球化退火次数可使晶粒细化，碳化物分布得以改善。

1.球化退火的目的

球化退火是为了使工件中的碳化物球状化而进行的退火，球状珠光体组织如图2-4所示。其工艺特点是将工件加热至稍高于Ac1温度[Ac1＋(10～20)℃]，充分保温以使渗碳体球状化，然后再随炉缓冷或在稍低于Ar1的温度等温处理，形成球状体组织，即在铁素体基体上均匀分布着粒状渗碳体。

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图2-4　球状珠光体组织

球化退火主要适用于共析或过共析成分的碳钢及合金钢，常应用于wC>0.6%的各种高碳工具钢、模具钢、轴承钢等的预备热处理。球化退火的目的在于：

(1)降低硬度，改善切削性能。实验证明，碳含量大于0.6%的钢，球状珠光体的切削性能优于片状珠光体，碳含量越高，差别越大，故对一般碳含量较高的钢均采用球化退火。

(2)获得均匀组织，改善热处理工艺性能。在工具钢中，为了减少淬火加热时的过热敏感性、变形和开裂倾向，要求淬火前的原始组织为球状珠光体。

(3)对于轴承钢，预备热处理采用球化退火，再经淬火和低温回火，可以提高轴承的接触疲劳寿命。

需要说明的是，球化退火工艺应用于亚共析钢已获成效，可以获得最佳塑性和较低硬度，从而大大有利于冷挤、冷拉、冷冲等冷成型塑性加工。

2.影响碳化物球化的因素

在工具钢及轴承钢碳化物球化中，应包括一次碳化物(从液相中析出)、二次碳化物(由奥氏体中析出)及共析碳化物三种析出方式碳化物的球化。一次碳化物是铸锭中枝晶偏析所引起的亚稳定莱氏体结晶的产物，易引起淬火裂纹，使钢的耐磨性变差，以致工件在使用中造成表面脱落或中心破裂。一次碳化物的球化主要靠合理的锻造工艺，如反复镦拔(总锻造比>10)和适当的扩散退火来得到。二次碳化物与共析钢碳化物的球化与锻造过程有关。为了使退火后能获得均匀分布的颗粒碳化物，锻造后的组织应为细片状珠光体及细小、断续网状碳化物(或含有少量马氏体)。对此，球化退火时可采用较低的温度和较短的时间。退火温度越低、未溶解的碳化物数量越多，越容易获得均匀分布的细粒状珠光体组织。为了得到良好的球化组织，必须严格控制锻造工艺过程。

影响碳化物球化的因素有如下几方面。

1)化学成分的影响

(1)碳含量：碳含量越高，碳化物数量越多，加热可在较宽的奥氏体化范围内进行并易于球化，如图2-5所示。

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图2-5　碳钢一次球化退火加热温度范围

(2)合金元素：加入碳化物形成元素使球化变慢，形成碳化物的程度越强烈，则阻碍越大。

2)原始组织的影响

(1)铁素体的大小、形貌：大块铁素体＋珠光体的混合组织(亚共析钢)，经缓冷退火后，在组织中碳化物分布极不均匀。增加循环球化退火次数可使晶粒细化，碳化物分布得以改善。

(2)珠光体的粗细：细片珠光体比粗片珠光体易获均匀、细小的球状珠光体。

(3)是否存在网状碳化物：网状碳化物很难球化，可在球化退火前进行一次正火处理或高温固溶处理。否则，可能会有断续网状碳化物，球化不完全，如图2-6所示T12钢的球化组织，由于球化退火前未进行正火处理，故原网状碳化物呈现断续网状分布，如箭头所指。

(4)退火前经过变形：经过冷变形加工的原始组织，可以促进球状碳化物形成。

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图2-6　未经正火后球化的T12钢的球化组织

3)加热温度与保温时间的影响

(1)提高奥氏体化温度和延长保温时间有助于形成片状珠光体。

例如，GCr15轴承钢，先经930℃正火，随后在不同温度下(760℃、780℃和840℃)加热奥氏体化，再过冷到Ar1以下进行珠光体转变。试验结果表明，奥氏体温度为760℃的试样经等温球化处理后获得球状珠光体组织。经780℃奥氏体后等温球化处理的试样，当等温球化温度较高时得到片状加球状珠光体，只有当等温球化温度较低时才能得到球状珠光体组织。经840℃奥氏体化后再等温球化处理的试样，在珠光体转变区域等温得到的都是片状珠光体。

(2)奥氏体化温度若较低，仅略高于Ac1，且保温时间较短，球化处理后的渗碳体则可能呈不完整片状，其原因是原始的片状渗碳体转变不足。

(3)当球化温度一定时，若球化等温时间过长，球化组织中的碳化物粒子变粗，导致工件硬度偏低。

4)冷速的影响

不完全奥氏体化后若采取连续冷却方式，此时冷速应适当，工业上一般采用10～20℃/h冷速缓冷球化。若冷速较快，则会导致部分过冷奥氏体转变温度较低，使碳化物球化时临界扩散距离小，有形成片状珠光体的趋势，导致球化不完全，工件硬度偏高；若冷速过慢，则过冷奥氏体转变温度较高，碳原子扩散能力较强，因而球化物尺寸较大。

3.球化退火常见工艺方法

球化退火常见工艺方法有一次球化退火、等温球化退火、循环球化退火和低温球化等。

1)一次球化退火

一次球化退火是将钢加热到Ac1与Accm(或Ac3)之间，充分保温(2～6h)，然后缓慢冷却至500～650℃出炉冷却的工艺，一次球化退火工艺曲线如图2-7所示。通常，对于亚共析钢，随着碳含量的增多，一次球化退火的加热温度略有降低；而对于过共析钢，则随其碳含量的增多，加热温度升高。各类碳素工具钢及合金工具钢(包括轴承钢、高速钢)一次球化退火工艺规范见表2-1。此法适用于周期作业炉生产，在工具和轴承的生产中得到了广泛应用。

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图2-7　一次球化退火工艺曲线

表2-1　常用工具钢的一次球化退火工艺规范

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2)等温球化退火

等温球化退火是将共析钢或过共析钢加热到Ac1＋(20～30)℃，保温适当时间，然后冷却到略低于Ar1的温度，等温保持一定时间(使等温转变进行完毕)，然后炉冷或空冷的球化退火工艺。等温球化退火工艺曲线如图2-8所示。如果原始组织中网状碳化物较严重，则需加热到略高于Accm的温度，使碳化物网溶入奥氏体，然后再较快地冷却到Ar1以下的温度进行等温球化退火。

等温球化退火适用于过共析钢、合金工具钢，球化充分，易控制，周期较短，适宜尺寸较大的工件。由于等温球化退火可获得较好的球化质量并可以节约工艺时间，故在实际生产中多应用于非合金钢及合金钢刀具、冷冲模具以及轴承零件的球化退火。

3)周期(循环)球化退火

将钢加热到Ac1＋(20～30)℃，短时保温后冷却到Ar1-(20～30)℃，再进行短时保温，如此反复进行多次，称为周期(循环)球化退火，也称往复球化退火，工艺曲线如图2-9所示。在Ac1以上的短时加热，除奥氏体化外，还可使网状碳化物开始溶解，呈被切断的形状；而在Ar1以下保温时变为球状，同时使珠光体中的渗碳体附着在这些球上生长。几次反复后，便可得到较好的球化组织。此工艺易控制、周期短、所得球化组织良好，而且可以使工件的淬火开裂倾向大为减少。其循环周期视球化要求等级而定，经多次循环之后，最后以10～20℃/h冷速缓冷到550℃空冷，适用于过共析钢及合金工具钢，周期较短；球化较充分，但控制较烦琐，一般适用于小批量生产的小型工具等的退火，不适宜大型工件退火。在实际操作中，可将小型工件加热到Ac1以上，然后自炉中取出空冷到Ar1以下，随后又放入炉中加热，如此反复几次，也能获得满意的球化效果(但这种操作下的工件心部球化较差)。