楊曉彩 ，徐海強(qiáng) ，王 楊，劉燕霞，陳 敏

（1河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，河北 石家莊050000；2河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊050091）

等溫退火對(duì)GCr15鋼碳化物球化效果的影響*

楊曉彩1，徐海強(qiáng)2，王 楊2，劉燕霞1，陳 敏1

（1河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，河北 石家莊050000；2河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊050091）

研究了不同等溫退火工藝下GCr15鋼碳化物的球化效果，采用掃描電鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明：隨溫度升高碳化物顆粒變得細(xì)小彌散，當(dāng)加熱溫度上升至800℃時(shí)奧氏體化均勻程度過(guò)高，容易形核長(zhǎng)大成片狀碳化物；隨等溫加熱時(shí)間延長(zhǎng)碳化物顆粒能獨(dú)立形核成球狀長(zhǎng)大，甚至部分顆粒開(kāi)始回熔長(zhǎng)大。GCr15鋼的最佳退火工藝參數(shù)為：加熱溫度780℃，加熱時(shí)間5 h，等溫溫度700℃，等溫時(shí)間3 h。

GCr15鋼；等溫退火；顯微組織；碳化物；球化

1 前 言

GCr15鋼具有合金含量較少、硬度高、耐磨性好、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軸承制造、冷作模具生產(chǎn)以及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域[1]，但在使用過(guò)程中，常因鋼的韌性不足而降低零件的使用壽命，為獲得較高的綜合性能需要進(jìn)行熱處理[2]。這是由于要想使得軸承鋼具有高強(qiáng)度和韌性[3-4]，就必須經(jīng)熱處理獲得回火馬氏體及其上分布著細(xì)小碳化物顆粒的合金組織。因此，控制碳化物的數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布狀況[5-9]是軸承鋼向高質(zhì)量、高性能多品種方向發(fā)展的關(guān)鍵。為此，本研究通過(guò)分析不同等溫球化退火工藝中奧氏體化溫度、保溫時(shí)間、等溫溫度和時(shí)間對(duì)碳化物顆粒球化數(shù)量及分布規(guī)律的影響，找出最優(yōu)的工藝參數(shù)，以期為工業(yè)生產(chǎn)中球化退火工藝的制定提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料取自某廠的GCr15鋼，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用GCr15鋼化學(xué)成分 %

試驗(yàn)主要在箱式電阻爐中進(jìn)行，將試樣加工成Φ25mm×10mm的小圓柱，進(jìn)行不同加熱溫度的等溫球化處理試驗(yàn)，處理工藝參數(shù)見(jiàn)表2。試樣以100℃/h加熱速度升至奧氏體化溫度，以50℃/h冷卻速度至等溫溫度，再以50℃/h爐冷至650℃出爐空冷。采用TESAN掃描電子顯微鏡和自帶的能譜對(duì)試樣顯微組織進(jìn)行分析。

表2 等溫球化處理工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同工藝參數(shù)等溫球化處理后GCr15試驗(yàn)鋼試樣的顯微組織如圖1所示。

3.1 工藝參數(shù)對(duì)組織的影響

3.1.1 加熱溫度的影響

對(duì)比圖 1a（1#試樣、加熱溫度 760 ℃）、圖 1b（2#試樣、加熱溫度780℃）、圖1c（3#試樣、加熱溫度800℃）可以看出，不同的加熱溫度碳化物有不同的球化效果，各種形貌的碳化物所占的比例不同。圖1a和圖1c碳化物顆粒較大，有一小部分直徑小的顆粒，但主要是以大直徑顆粒為主。相反圖1b主要以小顆粒狀碳化物為主，只有一小部分大直徑的碳化物。3種加熱溫度下碳化物都發(fā)生了不同程度的球化，一些大顆粒直徑可達(dá)到1 μm，最小的顆粒直徑0.2 μm。圖1c相比圖1b，碳化物顆粒長(zhǎng)大，球化效果不好。從圖1b中可以看到大量的碳化物顆粒呈細(xì)小、彌散分布狀態(tài)存在，球化效果明顯好于圖1a和圖1c。

3.1.2 加熱時(shí)間的影響

對(duì)比圖 1b（2#試樣、加熱時(shí)間 4 h）、圖 1d（4#試樣、加熱時(shí)間 5 h）、圖 1e（5#試樣、加熱時(shí)間 6 h）可以看出，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物的形貌、大小和數(shù)量都發(fā)生了顯著的變化。圖1b中奧氏體化時(shí)間短，在基體中有一些未溶的碳化物顆粒形成富碳區(qū)，在隨后的等溫過(guò)程中作為形核中心而形成均勻的球化組織。圖1d中奧氏體化時(shí)間長(zhǎng)，碳化物小顆粒基本溶解在隨后的等溫過(guò)程中沒(méi)有過(guò)多的形核中心，只能通過(guò)貧碳區(qū)的鐵素體和滲碳體各自獨(dú)立呈球狀長(zhǎng)大，這樣的形核速度慢自然會(huì)比2#試樣形成更細(xì)小的顆粒。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物不斷溶解，有的小粒子甚至消失，當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)奧氏體內(nèi)的碳濃度達(dá)到均勻時(shí)，就會(huì)轉(zhuǎn)變成片狀珠光體。

圖1 不同工藝參數(shù)等溫球化處理后GCr15鋼的顯微組織

3.1.3 等溫溫度的影響

圖1f（6#試樣、等溫溫度680℃）、圖1d（4#試樣、等溫溫度 700℃）、圖 1g（7#試樣、等溫溫度720℃）3個(gè)圖中都可以看到大量的顆粒狀碳化物，這是由于在此階段中碳化物球化是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，有較高表面能的片狀珠光體轉(zhuǎn)變成粒狀使能量降低。圖1d比圖1f等溫溫度高，碳原子的擴(kuò)散和形核驅(qū)動(dòng)力大，呈現(xiàn)出更為彌散均勻的碳化物顆粒。而隨溫度的升高，殘留的碳化物顆粒溶解，非自發(fā)形核核心減少，在貧碳區(qū)和富碳區(qū)同時(shí)形核，從圖中可以看到有些顆粒開(kāi)始長(zhǎng)大，形成片狀珠光體。

3.1.4 等溫時(shí)間的影響

對(duì)比圖 1h（8#試樣、等溫時(shí)間 2 h）、圖 1d（4#試樣、等溫時(shí)間3 h）、圖1i（9#試樣、等溫時(shí)間4 h），從圖1d中可以看出大顆粒碳化物大部分已經(jīng)溶解，尺寸比較小。這是因?yàn)榧せ钅芎万?qū)動(dòng)力合適，析出的碳原子能更多地進(jìn)行自發(fā)形核，非自發(fā)形核形成的碳化物顆粒也較小，所以球化效果好。隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，有一些小顆粒碳化物開(kāi)始靠近大顆粒，并被大顆粒吞并長(zhǎng)大。這是因?yàn)榧せ钅芎万?qū)動(dòng)力過(guò)高，碳化物開(kāi)始回熔和合并長(zhǎng)大。

3.2 工藝參數(shù)對(duì)碳化物粒徑的影響

3.2.1 加熱溫度和加熱時(shí)間的影響

退火加熱溫度及加熱時(shí)間對(duì)GCr15鋼碳化物粒徑的影響見(jiàn)圖2。從圖2中可以看到，隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)，GCr15鋼中大顆粒碳化物的粒徑逐漸減小，或是出現(xiàn)小幅度的增大。當(dāng)加熱5 h后，部分碳化物溶解，原來(lái)的大塊不規(guī)則的碳化物都被溶解，剩余的顆粒也變得圓滑。當(dāng)加熱6 h后時(shí)部分碳化物顆粒開(kāi)始回熔長(zhǎng)大，球化效果不是最佳。加熱溫度過(guò)高，核間距過(guò)大碳就不能很好地?cái)U(kuò)散，會(huì)使球化效果變差，多余的碳化物聚集在晶界處時(shí)容易長(zhǎng)大。加熱溫度過(guò)低時(shí)碳的擴(kuò)散系數(shù)小，球化效果也不好。所以加熱溫度在720℃、加熱時(shí)間5 h時(shí)球化效果最理想。

3.2.2 等溫溫度和等溫時(shí)間的影響

退火等溫溫度及等溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼碳化物粒徑的影響見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，在等溫溫度為720℃時(shí)，隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，GCr15中碳化物的晶粒直徑逐漸減小。這是因?yàn)殡S著等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳原子析出量逐漸增多，激活能和形核驅(qū)動(dòng)力增大，碳化物晶粒直徑減小。而700℃、680℃時(shí)碳化物晶粒是逐漸減小的，隨后晶粒又開(kāi)始長(zhǎng)大。這是因?yàn)椴糠痔蓟镱w粒開(kāi)始回熔和合并長(zhǎng)大。等溫時(shí)間越長(zhǎng)，儲(chǔ)存能也越高，尺寸就會(huì)增加。所以最佳的等溫溫度為700℃，等溫時(shí)間為3 h。

圖2 退火溫度及時(shí)間對(duì)GCr15鋼碳化物粒徑的影響

圖3 等溫溫度及時(shí)間對(duì)GCr15鋼碳化物粒徑的影響

4 結(jié) 論

4.1 GCr15鋼等溫退火時(shí)，等溫溫度在760～800℃，隨著溫度的上升，GCr15鋼碳化物顆粒變得細(xì)小彌散；當(dāng)加熱溫度上升至800℃時(shí)，奧氏體化均勻程度過(guò)高，容易形核長(zhǎng)大成片狀碳化物，球化效果不好。

4.2 等溫加熱時(shí)間從4 h延長(zhǎng)至5 h時(shí)，碳化物顆粒能獨(dú)立形核成球狀長(zhǎng)大，當(dāng)時(shí)間增至6 h時(shí)，碳化物的粒徑改變不大，甚至部分顆粒開(kāi)始回熔長(zhǎng)大。

4.3 GCr15鋼的最佳等溫退火工藝為加熱溫度780℃，加熱時(shí)間5h，等溫溫度700℃，等溫時(shí)間3h。

[1] 孫明義，杜振民，鄭秀仿，等.GCr15軸承鋼球化退火工藝[J].金屬制品，2013，39（4）：22-24.

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數(shù)值范圍用浪紋線

GB/T 15834—2011規(guī)定：浪紋線“～”用于連接數(shù)字范圍，如a～b，這里的a、b為不同的實(shí)數(shù)，因此，在科技書(shū)刊中，凡實(shí)數(shù)的數(shù)值范圍應(yīng)當(dāng)用“～”連接，不應(yīng)采用一字線“—”。例如：0.25～0.75，750～780 ℃，190～220mm，0.9～1.2m/min。只有標(biāo)示相關(guān)項(xiàng)目（如時(shí)間、地域等）的起止用一字線，例如：2011年2月3日—10日，北京—上海特別旅客快車。

（燕明宇）

Effect of Isothermal Annealing on Spheroidization of Carbides in GCr15 Steel

YANG Xiaocai1,XU Haiqiang2,WANG Yang2,LIU Yanxia1,CHEN Ming1
（1 Department of Materials Engineering,Hebei College of Industry and Technology,Shijiazhuang 050000 China;2 School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050091,China）

The spheroidizing effect of GCr15 steel was studied and themicrostructure was analyzed by SEM under different isothermal annealing.The results show that the carbide particles become smaller and smaller which is easy to form and grow into lamellar carbide with the increasing of the temperature.When the heating temperature is increased to 800℃,the carbide particles can grow into spherical shape independently,and even some of the particles begin to grow up with the increasing of the heating time.The optimum process of GCr15 steel is heating temperature of 780℃,keep heating time for 5 h,isothermal temperature of 700℃,isothermal time for 3 h.

GCr15 steel;isothermal annealing;microstructure;carbonization;spheroidization

TG156.2

A

1004-4620（2017）04-0041-03

*河北省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（16211032），河北省高等學(xué)?？茖W(xué)青年基金項(xiàng)目（QN2017138），河北工業(yè)職業(yè)學(xué)院項(xiàng)目（ZY2016006）。

2017-04-18

楊曉彩，女，1982年生，2009年畢業(yè)于河北理工大學(xué)金屬材料工程專業(yè)，碩士?，F(xiàn)為河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系講師，研究方向?yàn)樾落摲N的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。