轴承钢盘条在不同条件保护下退火时的氧化脱碳行为

王宇飞，任凤章，黄胜操

(1.河南科技大学材料科学与工程学院， 洛阳 471023；

2.中国一拖集团有限公司工艺材料研究所， 洛阳 471004)



轴承钢盘条在不同条件保护下退火时的氧化脱碳行为

王宇飞1，任凤章1，黄胜操2

(1.河南科技大学材料科学与工程学院， 洛阳 471023；

2.中国一拖集团有限公司工艺材料研究所， 洛阳 471004)

摘要：对GCr15轴承钢盘条进行了不同条件保护下的球化退火处理，对比分析了其表面氧化脱碳行为。结果表明：在木炭非接触保护下退火能有效防止轴承钢盘条表面氧化，但脱碳严重，氧化脱碳层总厚度明显超过无木炭保护下的，木炭加入量较多时其脱碳层厚度也较大；无木炭保护时，无论轴承钢盘条装罐密封与否，其氧化脱碳层总厚度差别不大。

关键词：木炭；轴承钢盘条；氧化；脱碳

0引言

GCr15轴承钢盘条主要用于制造滚动轴承的滚动体(滚子)，其出厂时多为热轧正火态，因此还需进行球化退火处理，为后续的机加工和淬火做好准备[1]。盘条在退火过程中不可避免地会产生表面氧化脱碳现象，之后可用酸洗或磨削的办法去除脱碳层[2]。目前，国内中小型轴承厂在对轴承钢盘条进行球化退火时，为降低生产成本，很少使用带保护气氛的连续式辊底炉或强对流罩式炉，而多是将盘条装罐密封后置于无保护气氛的井式炉、台车炉或普通罩式炉中加热[3]，为防止盘条退火加热时的氧化脱碳，常在罐内用托盘盛放一些木炭(木炭与工件不接触，称为“木炭非接触保护”)，以期加热时燃烧并消耗罐内空气中的氧气，进而保护盘条[4]。

然而木炭非接触保护的效果如何，能否真正减少轴承钢盘条在球化退火时的氧化脱碳现象，国内外对此报道并不多见。为此，作者模拟了某厂现有的轴承钢盘条连续式球化退火工艺与实际的生产条件，采用原厂盘条及木炭，对盘条在装罐并在木炭非接触保护下进行了球化退火，并与装罐无木炭保护和无罐无木炭保护(大气环境下)下的退火工艺进行了对比，对其氧化脱碳行为进行了对比研究，以期指导实际生产。

1试样制备与试验方法

1.1　试样制备

试验材料选用武钢生产的φ14 mm的热轧正火态GCr15轴承钢盘条，其主要化学成分(质量分数/%)为1.01C，0.14Si，0.39Mn，0.01S，0.01P，1.45Cr。

在盘条上截取12个长约15 mm的试样，为避免盘条本身外层氧化皮对后续工艺的影响，将每个试样沿轴线磨出一个平面，磨削深度约3 mm。

试验用密封罐采用耐热钢焊接制成，罐内尺寸约为φ60 mm×40 mm，为了更好地观察木炭保护的效果，加入的木炭分少量(2 g)和大量(10 g)进行对比。试样的加热保护方式见表1。

表1　试样的加热保护方式Tab.1　Heating protection method of specimens

试样装罐前首先利用恒温干燥箱去除密封罐、木炭、石棉盘根中可能含有的水分；装罐后在罐口凹槽处垫石棉盘根，用螺栓将罐盖与罐体压紧。采用SX2-4-10型中温箱式电阻炉进行连续式球化退火，退火温度790 ℃，保温时间8 h，试样随炉冷至650 ℃后出炉空冷。

1.2　试验方法

利用Mitutoyo 102型螺旋测微器测量试样表面氧化皮厚度；截取金相试样，用4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀后采用OLYMPUS PMG3型光学显微镜观察其显微组织；利用MH-3型显微硬度计测定微区硬度，载荷为0.49 N，保载时间5 s，沿试样轴线由表面向心部，间隔0.05 mm测定一个点，每个试样各测8个点；根据GB/T 224-2008采用金相法测脱碳层厚度。

2试验结果与讨论

2.1　显微组织

由图1可知，盘条原始组织由大量黑色层片状索氏体和少量沿晶界分布的白色碳化物组成，平均晶粒尺寸约50 μm。

图1　原始正火态GCr15轴承钢盘条的显微组织Fig.1　Original normalized microstructure of GCr15 bearingsteel wire rod

由图2可以看出，在不同保护条件下退火后试样的氧化脱碳现象有明显差别。使用木炭保护的3#和4#试样在其边缘有明显的全脱碳层(白亮色铁素体)，而未使用木炭保护的1#和2#试样，无论装罐与否，其边缘均无明显的全脱碳层，这说明采用木炭非接触保护方式进行热处理时，试样的脱碳现象反而更严重。

图2　不同保护条件下退火后GCr15钢盘条试样的显微组织Fig.2　Microstructures of GCr15 bearing steel wire rod specimens under different annealing conditions：(a) specimen 1#; (b) specimen 2#; (c) specimen 3# and (d) specimen 4#

2.2　显微硬度

GCr15轴承钢盘条经连续式球化退火后其基体硬度在200 HBW左右[5]，而其表面由于存在不同程度的脱碳，会导致其硬度降低。由图3可以看出，不同保护条件下退火后试样的硬度都随着测试位置的深入而增大，当测试位置距试样表面0.40 mm时硬度趋于一致，约为210 HV；3#和4#试样的表层硬度不足120 HV，说明接近表层的显微组织为铁素体，脱碳较严重，对比两者的硬度曲线还可发现，随木炭量的增多，其脱碳层变厚；1#和2#试样的表层硬度较高，说明未采用木炭保护的试样在接近表层的区域没有出现明显的全脱碳层，有罐和无罐对硬度的影响较小。

图3　不同保护条件下退火后GCr15轴承钢盘条试样的显微硬度Fig.3　Microhardness of GCr15 bearing steel wire rodspecimens under different annealing conditions

2.3　氧化脱碳层的厚度

当加热温度超过570 ℃时，钢的表面会形成以FeO为主的氧化层，FeO组织疏松，轻微敲击即可脱落[6-7]。采用螺旋测微器测脱落的氧化层厚度，结果见表2，由于与基体包裹较紧密的氧化层较薄，在统计氧化层厚度时忽略不计。钢的脱碳层包括全脱碳层和部分脱碳层(过渡层)两部分，全脱碳层即为图2中的白亮色铁素体，部分脱碳层是指在全脱碳层之后到含碳量正常的组织之间的部分[6-7]，根据金相法测得的脱碳层厚度见表2，在脱碳不严重的情况下，有时仅可看到部分脱碳层而没有全脱碳层。

由表2可知，采用无木炭保护方式退火的1#和2#试样表面均只存在部分脱碳层，氧化层和部分脱碳层厚度相近，装罐与否对试样的氧化脱碳影响不大；采用木炭保护方式退火的3#和4#试样均出现了较厚的全脱碳层，木炭量多的其全脱碳层厚度也大，氧化层均较薄，部分脱碳层厚度与1#和2#试样的相近，氧化脱碳层的总厚度明显超过1#和2#试样的。由此可见，采用木炭非接触保护使得试样表面脱碳更严重，且木炭加入量较多的试样表面脱碳层厚度也较大。由于大部分氧化层较疏松，可通过振动或敲击的办法去除，而脱碳层则与基体紧密相连，只能通过酸洗或磨削的办法去除，因此在实际生产时，当不具备使用可控气氛设备等条件时，可将工件直接置于普通热处理设备中(大气环境下)退火。

表2不同保护条件下退火后GCr15轴承钢盘条试样的

氧化层和脱碳层厚度

Tab.2Thickness of oxidation layer and decarburization layer of GCr15 bearing steel wire rod specimens under different annealing conditions

试样编号氧化层厚度/μm全脱碳层厚度/μm部分脱碳层厚度/μm氧化脱碳层总厚度/μm1#91-881792#86-791653#11113621864#923789335

2.4　分析与讨论

平衡状态下氧化物的标准生成自由能ΔGΘ满足下式：

(1)

式中：RTlnPO2为氧势；PO2为平衡时的氧分压。

钢在加热时其表层的碳会与空气中的O2发生反应，从而导致钢的脱碳；当温度超过570 ℃时，钢中的铁与空气中的O2发生反应生成FeO，从而导致钢的氧化[8]；当氧化速率大于脱碳速率时，钢的外层主要形成氧化层，反之则主要形成脱碳层。

根据Ellingham等绘制的氧势图[9]可知，790 ℃加热时，碳与O2反应的氧势线在铁与O2反应的氧势线之下，所以钢在高温加热过程中先脱碳后氧化，且碳在高温下首先生成CO[10]。钢不发生氧化的条件约为环境氧分压小于9×10-19Pa，不发生脱碳的条件约为环境氧分压小于4×10-19Pa。

无木炭保护时，整个退火过程中氧含量充足，试样周围的环境氧分压远高于生成FeO及CO的平衡氧分压，氧化和脱碳可同时进行。试样的最外层首先脱碳而后又被氧化，从而形成了氧化层(氧化皮)。生成的氧化皮虽较疏松，但也能阻隔空气中的部分O2与工件内部的碳接触，从而使得次表层的脱碳速度减慢。最外层的氧化皮经敲击脱落后，露出的次表层为半脱碳层，而非明显的全脱碳层，如1#和2#试样所示。在整个保温过程中，脱碳向试样内部推进的速度比氧化推进速度要快，否则试样表面仅会存在氧化层。

有木炭保护时，在升温阶段罐内炉气均匀性较差，试样周围的环境氧分压要高于木炭周围的环境氧分压，在试样表面氧化和脱碳可同时进行；到790 ℃保温阶段，罐中大部分氧气与木炭反应生成CO而被消耗掉，使木炭周围的环境氧分压达到4×10-19Pa，但由于罐内炉气仍不均匀(罐内无风扇等强对流措施对炉气进行搅拌，在保温初期仅凭冷热空气自身

产生扩散的效果并不明显)，试样周围的环境氧分压高于4×10-19Pa而低于9×10-19Pa时，试样不再发生氧化，而脱碳仍继续进行。因此，3#和4#试样表面氧化层较薄，但脱碳严重。而且随罐中木炭量增加，所消耗的氧气也增加，使得罐内环境氧分压快速降至低于9×10-19Pa，使脱碳层显著变厚，而氧化层变化不大。

3结论

(1) 轴承钢盘条退火时，采用木炭非接触保护能有效地防止氧化，但同时也增加了表面脱碳；木炭加入量增多，脱碳层厚度增大，氧化层无明显变化。

(2) 无木炭保护时，无论装罐密封与否，都对轴承钢盘条表面氧化脱碳影响较小，其氧化脱碳层总厚度差别不大。

(3) 在木炭非接触保护下，轴承钢盘条的氧化脱碳层总厚度明显超过无木炭保护下的氧化脱碳层总厚度。

参考文献:

[1]许磊,陈瑜,韩彦光,等.GCr15轴承钢球化退火研究现状[J].热加工工艺, 2013,42(14):11-14.

[2]李慎松,金维松,于斌.影响GCr15轴承钢盘条磷化质量的因素[J].特殊钢, 2009,30(1): 41-43.

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[5]王莹莹,杨鹏远.罩式炉GCr15钢球化退火工艺研究[J].金属制品, 2015,41(2):33-36.

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[10]潘一凡,孙松平.保护气氛热处理中的氧化脱碳[J].木材加工机械, 2007(1):4-6.

导师：李新梅教授

Oxidation and Decarbonization Behaviour of Bearing Steel Wire Rod

Annealing under Different Protective Conditions

WANG Yu-fei1, REN Feng-zhang1, HUANG Sheng-cao2

(1.School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China；

2.Institute of Processing & Materials, China Yituo Group Limited Corporation, Luoyang 471004, China)

Abstract:The GCr15 bearing steel wire rod was spheroidizing annealed under different protective conditions and the oxidation and decarbonization behaviour was analyzed and compared. The results show that under the charcoal non-contact protection, the surface oxidation of the bearing steel wire rod was significantly reduced, but the decarbonization was increased. The total thickness of oxidation and decarbonization layer under the protection of charcoal was larger than that of non-charcoal, and the decarbonization layer was relatively thick with more charcoal. Under non-charcoal protection, the difference of total thickness of oxidation and decarbonization layer between with and without sealed cans was little.

Key words:charcoal; bearing steel wire rod; oxidation; decarbonization

作者简介：王荣(1966-)，男，陕西洛南人，教授级高级工程师，学士。 董旭旭(1991-)，男，新疆乌鲁木齐人，硕士研究生。

基金项目：上海市科委资助项目(14DZ2291000) 新疆自治区自然科学基金资助项目(2013211A007)

收稿日期:2015-04-06； 2014-09-20；

修订日期:2015-09-25 2015-08-25

DOI:10.11973/jxgccl201512025 10.11973/jxgccl201512007

中图分类号：TG162.71

文献标志码：A

文章编号：1000-3738(2015)12-0022-03