关于GCr15钢轴承套圈球化退火表层脱碳问题研究

贾 奇 朱培荣

江阴市七星机械设备制造有限公司 江苏 江阴 214400

1 引言

在滚动轴承生产制造中，因生产工艺等原因造成钢轴承套圈表层脱碳的现象，这是轴承早期失效的重要原因。GCr15钢轴承套圈在球化退火工序中出现的表层脱碳有全部脱碳和部分脱碳两种情况，无论哪种情况本质上都是在退火的过程中生成了铁素体或珠光体物质，从而对退火后的钢轴承套圈性能品质造成不利影响，套圈表面硬度降低，产生退火软点直接导致轴承套圈的抗疲劳强度和耐磨性能降低，使钢轴承套圈早期失效。

2 GCr15钢轴承套圈球化退火表层脱碳现象

表层脱碳中的全部脱碳情况是在轴承套圈表层产生全铁素体组织，而部分脱碳情况是在轴承套圈表层产生铁素体+片状珠光体[1]。

3 GCr15钢轴承套圈球化退火表层脱碳机理

发生表层脱碳时本质上对应了理化反应。一方面，轴承钢材质表面的碳元素与外界有氧环境中的氧气发生反应，生成了气态的一氧化碳脱离轴承钢本体材质[2]。这一化学反应速度主要取决于炉气中的含碳量。另一方面，一旦脱碳反应进行，轴承钢材质表面的碳元素数量逐渐降低，并在材质表层形成了碳元素含量梯度。形成碳元素含量梯度的快慢主要取决于钢轴承表层中碳元素的扩散速度。在球化退火工序中，钢轴承材质表层除了碳元素发生化学反应以外，铁元素也发生反应。铁元素的化学反应主要是在氧气条件下被氧化成致密的氧化膜，随着反应的进行，氧化膜的存在反而会阻止铁元素的进一步氧化。而碳元素氧化反应后产生了不稳定的气体，一氧化碳很容易逸出，因此造成了钢轴承表层碳元素含量降低，外在表现出表层脱碳的现象。对于钢轴承而言，碳元素是钢材质基础强度的重要表征因素，通常情况下，碳含量越高，钢材质的基础强度越强；反之，钢材质的基础强度越弱。因此对钢材表面脱碳现象用钢材质表层碳元素氧化来进行表达。

钢轴承套圈球化退火表层脱碳的过程同时伴随着钢材质表层微组织结构的变化。对GCr15钢轴承球化退火表层脱碳的过程进行分析，在共析转变温度760℃，碳在奥氏体中溶解温度900℃，退火温度795℃条件下，轴承套圈球化退火前后的渗碳体体积不变，体积恒定的情况下，钢材质表层片状渗碳体发生球化使表面能最低，这一过程是热力学自发过程。在室温条件下，片状渗碳体晶格中的原子能不够，此时维持在相对稳定的状态。当外界温度升高，直到达到片状渗碳体球化温度，之后片状渗碳体晶格中的原子振动频率升高，原子能增大，很容易摆脱晶格束缚向外扩散，晶格原子发生解构和重组[3]。虽然这一个过程是一个热力学自发的过程，但是如果没有外力因素的驱动，该过程耗时很长。实际生产工艺中，通过加热促进片状珠光体析出铁素体，铁素体融入并转化为奥氏体。相对于铁素体，奥氏体的溶碳能力更强，因此大大促进了片状珠光体中碳元素融入奥氏体的速度，这样的条件无疑加速了碳原子的迁移，有利于球化退火进程。

第一种情况：炉气中含碳量较高的情况下。在退火过程中，片状渗碳体首先从亚晶界裸露的部位发生溶解，随着晶格溶解，片状渗碳体逐渐断裂，碳元素融入到奥氏体中并随着奥氏体迁移到曲率较小的位置，逐渐沉积，实现球化。保温状态下，断裂残留的渗碳体和奥氏体处于共存状态。温度冷却后，奥氏体转变为铁素体，超过饱和度的碳元素被排出，在曲率较小的位置沉积越来越多的碳元素，最终表现为以参与渗碳体质点为核心的球状颗粒碳化物。

第二种情况：炉气中含碳量较低的情况下，片状渗碳体的溶解与上述情况有差异。在保温状态下，断裂残留的渗碳体完全溶解在奥氏体中，钢轴承材料表层形成一个相区，即单相的奥氏体。由于GCr15钢材质中含有较多的铬，因此单相奥氏体更容易形成单一稳定体，而不是渗碳体和奥氏体共析的状态。奥氏体冷却的过程中，部分形成片状珠光体，表现为钢轴承退火表层局部脱碳的特征。如果保温状态下，渗碳体部分溶解在奥氏体中，材料表层形成两个相区，一个是奥氏体单相区，另一个是渗碳体和奥氏体两相区。温度冷却后，单相区奥氏体生成片状珠光体，而渗碳体和奥氏体两相区实现渗碳体球化，形成材料表层局部脱碳现象。如果炉气中含碳量很低，保温状态下形成渗碳体和奥氏体的两相区较多，此时脱碳情况更加严重，再加上保温时间过程较长，钢轴承材料极容易出现表层完全脱碳。

4 结论及建议

通过对GCr15钢轴承套圈球化退火表层脱碳的机理进行分析，得到在一般情况下，炉气碳含量越低，保温时间越长，钢轴承材质表层脱碳越严重，脱碳层越深。因此在实际的生产过程中可以通过工艺条件或参数的改善优化，尽可能避免引起钢轴承表层脱碳的条件。钢轴承套圈球化退火时，炉气碳含量控不当，或者存在漏气的情况造成炉内碳含量分布不均，更容易引起表层严重脱碳，这是导致轴承套圈球化退火表层脱碳的主要原因。因此建议在GCr15钢轴承套圈球化退火工艺中，对炉气含碳量和碳含量分布均匀度进行严格控制，保证炉气含碳量充足并确保炉内气氛保持均匀。

5 结语

在滚动轴承生产制造中，因生产工艺等原因造成钢轴承套圈表层脱碳的现象，这是轴承早期失效的重要原因。在GCr15轴承套圈球化退火过程中，由于炉气含碳量偏低造成轴承套圈退火表层形成单相的奥氏体。在温度冷却时，存在片状渗碳体和奥氏体的单相或两相。单相奥氏体在冷却过程中生成片状珠光体，导致钢轴承材料表层局部脱碳。炉气碳含量越低，保温时间越长，钢轴承材质表层脱碳越严重，脱碳层越深。本文围绕GCr15轴承套圈球化退火的问题进行了分析探讨，为生产工艺条件优化提供参考。