摘　要：探索了GCr15钢Ac1f透烧球化退火工艺，通过在奥氏体化时适当降低温度、延长保温时间，消除了试验过程中出现的不均匀组织，获得了均匀细小弥散分布的球化组织。文章认为透烧时间应当根据生产的现场条件来决定，透烧加热不利于等温过程消除成分不均匀。

　　关键词：GCr15钢；球化；不均匀组织；奥氏体化

　　GCr15是一种传统的铬轴承钢，主要用于制造各种轴承的滚珠、滚柱和套圈等，被广泛应用于高速旋转高负荷的机械零部件，因此要求其必须具有高的强度、高的弹性极限和高的耐磨性。经过大量的试验和生产实践证明，只有当轴承零件的原始组织为细球状珠光体时，经过淬火加低温回火后，才能获得隐晶回火马氏体及在其上分布着细小碳化物颗粒的组织，这种金相组织才使得轴承零件具有高强度和韧性。传统的球化方案工艺周期长、耗能多、效率低，球化质量也不稳定，直接影响到工件的淬火开裂倾向。笔者对Ac1f透烧球化退火工艺[1]研究发现，球化组织极其不均匀，存在黑色块状组织(图1)。显然，这种组织与我们希望获得的均匀细小弥散分布的球状珠光体相违背。

　　1　试验用材和检测设备

　　试验用材为市售退火态GCr15钢棒材(<75mm)。用线切割机截得尺寸为20mm×12mm×12mm的试样，对其进行等温球化处理。加热设备为SX2-15-13型箱式电阻炉，用可控硅控温(型号KSL-250-W)。用JXA2840型电子显微镜观察金相显微组织，在洛氏硬度实验机上测定HRB值。

　　2　快速球化的初始方案及结果

　　资料上给出的Ac1有的是一个温度值，有的是一个温度范围，而且有一定的分散度，表1列出的只是具有代表性的数据(不是全部)。可见影响加热临界点诸因素中主要是原始组织和加热速度。

　　由于没有现成的数据，笔者采取正交设计安排试验方案，测定Z佳的球化温度作为Ac1f点。取4个因素(奥氏体化温度，双相区冷速，等温时间和Z终冷速)，每个因素取3个水平(如表2)，选用L9(34)来安排试验方案。工艺设定奥氏体化的保温时间均为5min，等温球化的等温温度均为720℃。

　　通过组织观察和硬度分析，发现除“A3B2C1D3”方案组织中出现片状珠光体，硬度偏高(达94HRB)外；另外8个方案的组织均为球状珠光体，并且均有黑块组织(图1a)存在，它们的硬度均为87HRB左右。从图1(a)中的黑块区和亮区的高倍组织(图1b、c)中碳化物的数量和分布可以看出，黑区内碳和合金含量偏低，而亮区的偏高。这种区域组织的严重不均匀，将在随后淬火中出现微区淬火软点，在工作时成为裂纹起源地，导致部件的早期失效。

　　3　快速球化工艺的改进及结果

　　试验中，采取适当降低奥氏体化温度、延长其保温时间的方式来解决这个问题。为此，采用图2所示的球化退火工艺。

　　球化退火后的组织(图3所示)均匀细小，改善了组织的上述不均匀缺陷。按JB1255291级别图进行评定，其组织级别为2～3级。该退火组织的硬度为85.3HRB，适宜切削加工。

　　4　工艺分析

　　4.1　初始工艺的分析

　　文献[5]指出：“加快高碳钢球化退火应同时考虑两个方面，既要在加热奥氏体化时在晶内保留更多的剩余碳化物颗粒，还要获得碳浓度不均匀性Z大的奥氏体，使α在远离碳化物的γ深处单独形核，并各自独立呈球状长大”，“Ac1f温度的透烧加热奥氏体化既可保留更多的剩余碳化物颗粒，同时又获得具有Z大不均匀性的奥氏体”。由于事先不清楚材料的Ac1f具体是多少，在初始方案中假定它是800℃、820℃以及840℃，并在这个温度透烧。另外，根据文献[6]对工件透烧时间的解释，对于本试验中的试样，完全可以采用到温即透烧。然而文献[2]同时指出：“加热到2点(Ac1f线上)时铁素体(α)消失”，也就是说在这个温度下马上淬火得到马氏体和碳化物的混合物，组织的硬度应该在60HRC左右。实际情况是即使加热到860℃，到温后马上淬火的硬度也仅仅42.3HRC。显然，这里的到温加热没能够使工件透烧，透烧并不仅仅是受理论意义上的厚件、薄件以及传热系数的影响，更与实际的生产状况有关。因此，本实验中选择奥氏体化保温时间为5min。

　　文献[7]对保温温度进行了讨论，认为冷却速度会影响奥氏体向珠光体转变的温度范围，冷速越慢，转变温度越高，而在周期球化退火工艺中，工件从770℃进入到720℃后，冷速不会很快，因此在720℃等温是合理的。本实验没有采用强制冷却措施，也选择720℃等温。同时，为了考察冷却速度对球化效果的影响，分别在双相区和球化终了控制冷却速度。

　　4.2　改进工艺的分析

　　针对上述试验方案，可以看出它们涉及到的几个因素中仅仅奥氏体化保温时间以及等温温度是一个常量，其他因素均是变量。从图1(b)、(c)可以清楚地看出，不论是黑块区还是亮区，其碳化物均球化良好，形态比较圆整。区别仅仅在于黑区碳化物数目较少，体积分数较小。从而，可以得出720℃保温并不是黑块产生的关键，奥氏体化保温时间才是导致黑块产生的根本因素。从硬度来分析，800℃保温5min直接淬油可以得到55HRC的硬度，也就是说可以称得上透烧。

　　同时从组织来看，黑块区是贫碳区这是一个不争的事实。即使是等温3h也没能够消除这种组织上的不均匀，这种不均匀的加剧正是产生在奥氏体化这个阶段。

　　 一方面，原材料本身存在微区成分的不均匀；而Ac1f透烧加热直接导致“碳浓度不均匀性Z大的奥氏体”，造成贫碳区更贫碳，富碳区碳含量更高。这是因为，材料本身存在微区不均匀，Ac1f透烧加热使得剩余的碳化物出现富碳区数量多贫碳区少，碳化物的溶解量却是富碳区少贫碳区多，在随后的冷却和等温球化过程中，奥氏体中的碳优先在剩余点状碳化物上析出并长大，从而导致析出碳的分配是富碳区多贫碳区少，并Z终形成一种局部平衡。这种局部平衡一旦形成，就很难在随后的等温过程消除。这就造成了碳化物已经球化，而材料局部成分却存在不均匀，导致黑块的产生。

　　由前期试验结果分析，该钢材在试验中的Ac1f点以800℃为宜。在新工艺中为了缓解奥氏体内碳浓度的不均匀，适当延长奥氏体化保温时间到10min。这在一定程度上必然使得剩余碳化物减少。而适当降低奥氏体化温度到790℃不仅仅是出于节能的考虑，还是为了缓解剩余碳化物的减少。两个阶段的冷却均采用炉冷，可以缩短球化周期，但球化终了的冷却以不至于给工件产生热应力为宜。

　　从试样组织和硬度分析来看，新工艺能够实现GCr15钢的快速球化退火。与传统工艺17h的球化周期相比，新工艺整个球化周期仅仅需要110min～150min，大大缩短了传统等温球化工艺的生产周期，节省了能源的消耗。

　　5　结论

　　 (1)根据实际生产条件确定透烧时间是Ac1f温度快速球化退火成功实施的关键因素之一。

　　(2)Ac1f透烧加热有助于球化的快速完成，同时其获得的具有Z大不均匀性的奥氏体增加了随后等温过程组织均匀化的难度。

　　(3)适当地降低奥氏体化温度、延长保温时间，有助于缓解透烧加热产生的成分不均匀，同时又保留足够多的剩余碳化物颗粒。