轴承钢加热过程中组织演变实验研究

　　摘要：为进一步提升轴承钢的性能，保证轴承的质量，在研究影响轴承钢质量因素的基础上，对轴承钢加热过程中的奥氏体化、奥氏体长大以及碳化物溶解三个阶段的组织演变规律进行试验研究，为轴承钢在各个阶段加热参数的控制和设计提供依据，最终达到提升轴承刚质量的目的。

　　关键词：轴承钢;奥氏体;晶粒尺寸;碳化物溶解;不均匀性

　　0 引言

　　轴承为各类大、中、小型机械设备必不可少的机械零件，被称为机械的关键。从某种程度上讲，轴承和轴承钢的性能是机械零部件及设备性能的主要标志之一。不同行业、不同用途轴承所采用的轴承钢的类型不同，其中高碳铬轴承钢由于其性能优异且价格低廉被广泛应用于机械行业中。为进一步提升轴承钢的应用范围，提高零部件及设备的性能，需保证轴承钢的质量。实践表明，通过提升冶炼水平、优化热处理工艺以及冷轧后的热处理技术可提升轴承钢的性能和质量"1。因此，本文着重对轴承钢加热过程中组织演变进行试验和数值模拟研究，为指导其加工过程中工艺参数调整提供理论依据。具体阐述如下。

　　1影响轴承钢质量的因素分析轴承钢作为机械零部件及设备轴承的原材料，为确保轴承可适应各种工况的应力要求，要求轴承钢具有足够的抗压、抗拉等特性。轴承钢的纯度以及其内部组织的均匀性是保证其具有足够疲劳强度和耐磨性能的基础。经理论分析可知，影响轴承钢性能的主要因素包括有其中所包含非金属的杂物、碳化物的不均匀性。

　　1.1 非金属夹杂物对轴承钢质量的影响经对轴承钢成分分析可知，其中所含非金属夹杂物可分为5类，分别为简单氧化物、复杂氧化物、硅酸盐、硅酸盐玻璃以及硫化物。从理论上讲，当轴承钢中非金属夹杂物的尺寸越大对其质量的影响越大，而且氧化物对轴承钢质量的影响最大。当氧化物的尺寸小于6um时，对轴承钢的质量不影响：当氧化物的尺寸大于8um时，对轴承钢质量影响剧烈。因此，治炼轴承钢时需特别注意对氧含量的控制。除此之外，轴承钢中的钛化物含量过大时容易导致钢内应力集中。因此，一般将每克轴承钢中钛化物的含量控制在小于3x10"g的范围之内。

　　硫化物虽然对轴承钢质量的影响较小，但是硫化物可在轴承钢表面形成一层保护膜，避免其不被氧化破坏。因此，应保证轴承钢中含有微量的硫化物。

　　1.2 碳化物不均匀性对轴承钢质量的影响鉴于轴承钢中含有一定量的碳元素且其中含有大量的铬。因此，对轴承钢进行热处理或加工时需特别注意碳化物颗粒的产生。当轴承钢内部的碳化物不能在热处理的过程溶解并均匀化时，会在其内部产生大块度的碳化物：而且，在凝固过程中由于固相和液相的浓度不同也容易导致共晶碳化物的产生2。

　　轴承钢中碳化物的不均匀会降低其疲劳强度。为解决轴承钢碳化物的不均匀性所带来的缺陷，可通过如下两项措施进行：(1)控制轴承铸造过程的温度，保证其过冷度为13℃左右：

　　(2)选择最佳热处理方式。

　　为减小轴承钢中非金属夹杂物和碳化物不均匀性对其性能的影响，有必要开展其在加热过程中组织的演变规律的研究。

　　2轴承钢加热过程中组织演变规律分析

　　轴承钢在加热过程中组织主要经历奥氏体化、奥氏体长大以及碳化物溶解三个过程。本节将着重对上述三个过程中的组织演变规律进行分析。

　　2.1 奥氏体化组织演变实验研究由于轴承钢在加热时所经历奥氏体化过程时其体积会发生变化。因此，采用热膨胀仪对轴承钢奥氏体化过程进行研究。奥氏体化实验系统如图1所示。

　　所研究轴承钢的直径为4mm，长度为10

　　mm，其对应的试验流程如下：(1)将上述尺寸的轴承钢置于膨胀系统中：(2)根据预先试验思路在控制系统中设定温度变化曲线：(3)启动系统并按照预先设定的温度变化曲线对试样进行加热，与此同时准确记录试件体积的变化：

　　(4)待试件加热过程结束且对应的体积参数准确记录后，采用氮气对加热后的试件进行冷却。

　　根据实验要求，分别对轴承钢在等温加热和匀速加热时奥氏体化过程中组织演变规律进行研究，两种加热过程的温度变化曲线如图2所示。

　　2.1.1 等温加热时奥E体化过程组织演变

　　当采用等温加热方式时，轴承钢奥氏体化经历两个阶段。其中，当轴承钢的温度达到奥氏体化转变点温度时，试件的体积迅速减小，在该阶段轴承钢中的铁素体和碳素体转换为奥氏体：当轴承钢完全奥氏体化后，其内部的渗碳体在高温作用下不断溶解，并逐渐进入第二阶段。在奥氏体化的第二阶段中，轴承钢中对应C元素的浓度增加促使在第一阶段所产生的奥氏体的体积增大。

　　2.1.2 匀速加热时奥氏体化过程组织演变

　　轴承钢匀速加热处理时，奥氏体化过程同样经历两个阶段。其中，在第一阶段时对应膨胀曲线出现大幅度的下降，主要由于在此阶段铁素体和渗碳体同时溶解容易所导致：在第二阶段时对应膨胀曲线出现明显的上升趋势，主　　要由于在此阶段仅由少部分残余渗碳体被溶解。

　　2.2奥氏体长大过程组织演变研究

　　在奥氏体经历长大过程组织演变实验研究所采用试件的形状为矩形，具体尺寸为长度为15 mm、宽度为10 mm、高度为5mm.实验过程如下：将试件在氮气保护的环境下分别加热至1000、1 050，1 100，11501200，1 250 ℃：加热完毕后分别保温30 min.60 min.90 min 120 min，150 min，180min：保温结束后采用水粹的方式将试件冷却至常温：将恢复常温的试件采用截线法获得500个晶粒，并随机抽取其中300个进行测量，最后得到不同组别对应的平均晶粒尺寸。

　　经对数据进行统计，得出如表1所示的实验结果。当试件加热温度越高、保温时间越长，所产生奥氏体经历的尺寸越大。其中，当保温时间为30 min时，随着加热温度的增加虽然奥氏体晶粒尺寸增大，但是其增大幅度明显降低;当温时间为60 min，90 min，120 min、150min、180 min时，随着加热温度的增加对应奥氏体晶粒尺寸增大，且增加幅度越来越大。因此，在合理范围内可通过增加轴承钢的热处理温度并延长保温时间来增加奥氏体经历的尺寸，从而使得轴承钢内的成分更加均匀。

　　2.3碳化物溶解过程的组织演变研究

　　采用"2.2"中同样尺寸的试件将其在氮气保护环境下分别加热至1150，1175，1200、1225 ℃(要求在1 min内完成加热过程)：加热过程完毕后将试件保温30 min：保温结束后在冷水中进行淬火操作;重复上述加热和淬火过程。经上述操作后对碳化物形貌进行观察，并得出如下结果：当试件加热至1 150 ℃且保温50 min后轴承钢中的碳化物仍未完全溶解;当试件加热至1175℃且保温45 min后轴承钢中的碳化物已经全部溶解：当试件加热至1200℃、1225 ℃且保温30 min后轴承钢中的碳化物完全溶解。

　　3结语

　　轴承钢作为机械关键零件轴承加工的原材料，其质量和性能对轴承的性能影响较大。经研究可知，影响轴承钢性能的关键因素为其中的非金属夹杂物和碳化物的不均匀性。因此，可对轴承钢中的非金属夹杂物进行适当处理，并解决碳化物不均匀性来提升轴承钢的性能。为此，本文对轴承钢加热过程中组织演变规律进行分析，得出可在奥氏体化、奥氏体长大以及碳化物溶解三个过程对加热参数进行调整达到提升轴承钢性能的结论。

　　参考文献：

　　[1]侯智鹏，杨卯生，赵昆渝，等，高温与应力耦合作用下Cr-Co-Mo-Ni齿轮轴承钢微观组织演变[J].钢铁，2014(04)：80-85.

　　[2]余万华，石素锦，刘玉坤，等，轧制温度对GCr15轴承钢组织性能的影响[J].材料热处理2，2020(01)：86-91.

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文章名称： 轴承钢加热过程中组织演变实验研究

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