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GCr15轴承钢周期球化退火工艺研究

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毕业设计（论文）

GCr15轴承钢周期球化退火工艺研究

STUDYONTHE TECHNOLOGYOFGCr15CYCLICSPHEROIDIZINGANNEALING

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摘要

通过分析GCr15轴承钢的成分、组织、性能以及应用，对GCr15轴承钢进行周期球化退火和等温球化退火处理，并对热处理后的试样进行硬度测试和显微组织观察，研究周期球化退火和等温球化退火工艺对GCr15轴承钢在性能上的影响以及保温时间对等温球化退火效果的影响。

结果表明，GCr15轴承钢球化退火后得到在铁素体基体上均匀分布的颗粒状碳化物。

GCr15轴承钢等温球化退火后的硬度略高于周期球化退火处理后的硬度，硬度随球化退火保温时间的增长而增长。

周期球化退火后的组织较于等温球化退火处理后的的组织，球状碳化物更加均匀，数目更多，因此周期球化退火后的轴承钢综合性能比等温球化退火后的更佳。

增长保温时间可以提高等温球化退火的效果。

关键词GCr15；球化退火；工艺

Abstract

Byanalyzingthecomposition,microstructure,propertiesandapplicationsofGCr15bearingsteelandGCr15bearingsteelannealingcycleballandisothermalballannealingprocess,andthesampleaftertheheattreatmenthardnesstestandmicrostructureobservation,theresearchcycleballeffectofeffectofGCr15bearingsteelinperformanceandholdingtimeofisothermalballannealingeffectofannealingandisothermalspheroidizing.Theresultsshowedthat,GCr15bearingsteelballscarbideparticlesobtainedafterannealingintheferritematrixuniformlydistributed.HardnessafterannealingtemperatureballGCr15bearingsteelhardness,ballhardnesswithgrowthandincreasetheannealingtimeperiodaftertheballslightlyhigherthantheannealingtreatment.OrganizationsOrganizationsballafterannealingcyclecomparedtotheisothermalannealingoftheballaftertreatment,theglobularcarbideismoreuniform,morenumerous,andthereforebettercycleballbearingsteelannealingoverallperformancethantheisothermalballannealingafter.Growthisothermalholdingtimemayincreasetheeffectofannealingoftheball.

KeywordsGCr15SpheroidizingAnnealingTechnology

整篇论文外文翻译

QQ3363913622

目录

摘要I

1绪论2

1.1选题背景及意义2

1.2球化退火2

1.2.1球化退火的定义2

1.2.2球化退火的必要性2

1.2.3球化退火的注意事项3

1.2.4GCr15轴承钢球化退火机制3

1.2.5球化退火的适用范围4

1.3GCr15轴承钢的球化退火的研究进展4

1.4数字图像处理6

2实验材料与方法7

2.1实验材料7

2.2试样的制备7

2.2.1试样的切割7

2.2.2试样的磨制7

2.2.3试样的抛光7

2.2.4试样的腐蚀8

2.3实验设备8

2.4球化退火原理及过程10

2.4.1GCr15轴承钢球化退火组织转变规律10

2.4.2影响球化质量的因素10

2.4.3球化退火工艺10

2.5显微组织的观察13

2.6试样硬度值的测试13

3实验结果及分析15

3.1金相组织结果分析15

3.2EDS成分分析21

3.3力学性能实验结果23

3.4周期球化退火和等温球化退火的综合分析24

结论25

致谢26

1绪论

1.1选题背景及意义

钢铁材料是生活生产中一种极其重要的材料，广泛应用于各个领域。

在现实的生产加工中，原始材料的性能已经很难满足工程技术上的要求，人们对钢铁材料性能提出各种不同的要求，比如，生产中常需要硬度较低的钢材，这样不仅可以减少加工机械刀具的损耗还可以提高生产效率；生产中常需要耐磨性较高的钢材，这种材料使用寿命较长，就要求材料的硬度要高；有些情况需要材料在有腐蚀性气体的条件下工作，就要求提高材料的耐腐蚀性。

要满足以上各种要求及其他的特殊情况，就要根据情况对材料进行热处理，通过热处理来发挥钢铁材料的性能潜力。

由此可见，机械制造业中，热处理占有极其重要的地位。

热处理是机械生产行业中一项非常重要的基础技术，通常像轴承，齿轮，连杆等重要的机械零件和工模具都需要经过热处理的。

在选材合适，热处理得当的前提下，就能使机械零件和工模具的使用寿命提高数倍甚至是数十倍。

通过热处理可以充分发挥金属材料的性能潜力。

合理应用热处理技术就可以使产品质量得到提高，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益，实现利益最大化。

高碳铬轴承钢是我国轴承行业用量最大的钢种，占轴承行业用钢量的85%以上，而GCr15轴承钢是该类钢中具有代表性的钢种之一，其广泛应用于机械制造、铁路、国防工业，装甲等领域。

为了满足后续加工在性能方面的需求和最终产品使用性能的要求，GCr15轴承钢在热轧后，需对其进行球化退火处理,这样可以获得良好的球状珠光体组织。

目前，多数机械生产加工企业在工业生产中采用的是一般球化退火工艺，这种工艺易于控制,但是球化时间过长、能耗较大、效率也相对较低。

随着对球化退火工艺的研究和改进,周期球化退火工艺的工业应用已引起机械加工企业的关注。

1.2球化退火

1.2.1球化退火的定义

球化退火就是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺，球化退火实际上是一种不完全退火。

1.2.2球化退火的必要性

生产中主要是对共析钢，过共析钢和合金工具钢进行球化退火。

其目的是使钢的硬度降低，使其切削加工性能得到改善，以及获得均匀的组织、改善其热处理工艺性能，为以后的淬火作组织准备。

过共析钢锻件锻后的组织一般为细片状珠光体，如果锻后冷却不当，将会存在网状渗碳体，这样的锻件不仅硬度高，难以进行切削加工，而且钢的脆性很大，在淬火时变形或开裂很容易产生。

所以，锻后有必要进行球化退火处理，使碳化物球化，获得粒状珠光体组织，从而降低其硬度，改善切削性能，降低脆性。

对于轴承钢效果，球化退火是为了使以后的淬火效果均一；减少淬火变形；提高淬火硬度；改善工件切削性能；提高耐磨性和抗点蚀性等轴承的性能。

对于工具钢效果，球化退火的目的是使淬火效果均一；抑制淬裂、淬弯等现象；并提高耐磨性、刀刃锋利程度及延长使用寿命

1.2.3球化退火的注意事项

球化退火的加热温度不宜过高，一般在Ac1温度以上20-30℃，采用随炉加热。

保温时间也不适合太长，一般2-4h。

冷却时通常采用炉冷的方式，也可以在Ar1以下20℃左右进行一定时间的等温处理。

球化退火的关键在于使未溶碳化物质点在奥氏体中得到大量的保留，并造成奥氏体中碳浓度分布不均匀，若加热温度过高或者保温时间过长，则可能使大部分碳化物发生溶解，导致形成均匀的奥氏体，在之后冷却过程中球化核心减少，使球化不完全。

冷却速度和等温温度决定了渗碳体颗粒的大小，冷却速度快或等温温度低，珠光体在较低温度下形成，此时碳化物的聚集作用小，片状碳化物更容易形成，从而不能有效的降低钢的硬度。

球化退火前，钢的原始组织中不能有网状碳化物的存在，若其中存在网状碳化物，应该事先进行正火处理，以消除网状碳化物，然后再进行球化退火处理。

否则，球化效果不好。

A1、A3、Acm点都是平衡临界点，都是新相与旧相自由能相等的温度。

Z在实际转变过程中转变不可能在平衡临界点进行。

加热转变只有在平衡临界点温度以上才能进行，同理，冷却转变只有在平衡临界点温度以下才能进行。

因此，实际的加热转化点和冷却转化点都偏离平衡临界点。

而且，加热和冷却的速度越大，其偏离也会越大。

为了区别于平衡临界点，通常用“c”表示加热转化点，“r”表示冷却转化点。

Ac1是加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度；Ar1是冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度

1.2.4GCr15轴承钢球化退火机制

对GCr15轴承钢球化退火时，珠光体中的片状碳化物在加热过程中会随着温度的升高发生断裂和溶解。

由于轴承钢的球化退火温度略高于奥氏体化温度，所以如果控制了奥氏体化的保温时间，碳化物就会发生不完全溶解。

碳化物发生初步球化时，在碳化物溶解时，其中碳化物曲率半径大的部位碳含量低，曲率半径小的部位碳含量高，因此两个部位形成浓度差，发生扩散，从而导致曲率半径大的部位长大，曲率半径小的部位溶解。

在球化退火时，如果奥氏体化的温度比较低，就会导致奥氏体的成分不均匀，就会有高碳浓度区在未溶解碳化物周围。

冷却时，奥氏体发生过冷分解在Ar1以下温度。

首先在未溶解碳化物颗粒表面的凹陷处以及曲率半径大的部位发生沉淀。

与此同时，奥氏体中高碳区域分解形成细片状珠光体，在其后的的缓冷，保温过程中发生球化。

网状碳化物的球化与片状碳化物的球化类似，在加热保温的过程中发生溶断和球化。

但是，因为网状碳化物较片状碳化物更粗大，所以需要更长的时间来使之溶断和球化的过程。

球化的形状也不完全规则，部分为多角形，这是球化退火后钢的显微组织中有部分多角形颗粒的原因。

1.2.5球化退火的适用范围

球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如合金工具钢、碳素工具钢、轴承钢等。

因为这类钢经过轧制、锻造后空冷，将会得到网状渗碳体和片层状珠光体组织，这种组织不仅硬而且脆，不仅在以后淬火过程中容易导致变形和开裂，且很难被切削加工。

经过球化退火后将会得到球状珠光体组织，显微组织中的渗碳体颗粒呈球状，在铁素体基体上弥散分布，相比较片状珠光体，球状珠光体不但硬度低，利于切削加工，而且在进行淬火时，奥氏体晶粒将不容易长大，在冷却过程中，工件的开裂倾向和变形也比较小。

除此以外，对于那些冷塑性变形（如冲压、冷镦等）需要改善的亚共析钢，也可通过球化退火来改善其性能。

球化退火加热温度一般为Ac1+（20～40）℃或Acm-（20～30）℃，保温后随炉冷却或等温冷却。

在球化退火时奥氏体化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。

因此，网状碳化物不可能被消除，如过共析钢中存在网状碳化物，则需要在球化退火前对其先进行正火处理，用来消除网状碳化物，只有这样才能保证球化退火的正常进行。

1.3GCr15轴承钢的球化退火的研究进展

GCr15轴承钢是一种高碳铬轴承钢，其含有较少的合金，性能良好，应用非常广泛。

生产中对其进行淬火加回火处理后具，其硬度会很高且均匀、具有较高的耐磨性、接触疲劳性能也将很高，适用于高硬度的零件。

但是这种钢的加工塑性，切削性能以及焊接性能都比较差，有回火脆性，对形成白点敏感性能大，所以很难进行再加工。

工业生产中，对轴承钢的冶炼质量有很高的要求，由于非金属夹杂物的含量及分布对轴承钢的使用寿命和性能有严重的影响，因此需要在生产中对硫、磷和非金属夹杂物的含量和分布进行严格控制。

纯净和组织均匀是对轴承钢的基本质量要求。

纯净就是所含杂质元素及非金属杂物的量要少，组织均匀就是钢中碳化物要细小且均匀分布。

较高的非金属夹杂物的含量会缩短轴承钢的使用寿命，影响其性能。

随着对GCr15轴承钢研究的发展，为改善其冶炼质量，近年开始采用电炉冶炼，然后进行电渣重熔，亦可以采用真空冶炼，或是真空自耗精炼等新工艺来提高轴承钢的质量。

GCr15轴承钢的应用非常广泛，除用来做滚珠、轴承套圈等零件外，有时也用来制造像冲模、量具这样的工具。

GCr15轴承钢的组织中有网状碳化物的存在，其严重影响GCr15轴承钢的各方面性能，且在球化退火中很难将其消除。

若轴承钢球化退火前是细片状碳化物组织，那么该轴承钢将很容易被球化，其球化效果也会得到提高。

因此，将轴承钢中的网状碳化物转化或消除，是提高球化效果，发展快速球化退火的一个重要方面。

这方面，在我国上世纪80年代已经开始了相关的研究工作。

宝钢以缩短球化退火时间，以及控制网状碳化物为目标，通过对GCr15轴承钢进行轧后水冷方面的研究，得出组织中网状碳化物溶解的温度范围。

低温下的精轧不仅可以使组织细化，而且可以使之前析出的碳化物破碎并溶解，这样对之后的球化退火比较有利。

低温精轧不仅可以控制GCr15轴承钢的网状碳化物的级别，而且可以在保证球化退火的质量的情况下有效地缩短球化退火的时间，提高生产效率。

低温精轧虽然可以提高球化退火的质量，但要求钢铁企业有实现工艺的设备，但是多数企业的设备无法实施低温精轧，这就让低温精轧处在一种尴尬的位置，虽然效果好但是却不能推广到现实生产中。

因此研究者结合实际情况对轧后超快冷的使用进行研究。

通过轧后超快冷，可以对网状碳化物的析出实现有效的控制，就可以容易获得细小的片状珠光体。

过冷度的增加，有利于珠光体的球化。

但也要注意，超快冷温度不可以过低，否则轴承钢的表层可能会有马氏体的出现，球化质量就会变差

在GCr15轴承钢的球化退火的研究过程中，研究人员在研究奥氏体化温度和保温时间对奥氏体化时未溶碳化物的影响，以及等温球化温度和时间对球化效果的影响的基础上，开发了快速球化退火工艺。

此快速球化退火工艺是：

在790～840℃保温10分钟进行奥氏体化，之后随炉冷却到720℃并保温60～80分钟（时间根据实际情况调整）进行等温球化，然后随炉冷却到650℃，这时将试样从炉中取出进行空冷至室温。

相比较传统球化退火工艺，快速球化退火会节省50%以上的时间，而且节约能源。

在快速球化退火工艺研究过程中，先使其进行奥氏体化（温度一般为Ac1（20～30）℃），但是，一般我们都是在资料上获得Ac1而没有进行实际的实验研究。

因此，有学者提出来Ac1f温度即连续加热过程中珠光体转变为奥氏体结束时的温度，他们认为应该选取Ac1f作为奥氏体化温度。

在Ac1f温度进行透烧加热，可以获得碳浓度最不均匀的奥氏体，在冷却的过程中，不需要形核，可以更好的使碳化物球化。

采用Ac1f作为奥氏体化温度的快速球化退火工艺，可以大大缩减球化退火时的保温时间，生产效率得到明显提高。

在对轴承钢的周期球化退火进一步深入研究中，对轴承钢反复进行等温球化处理在双相区，结果显示循环的奥氏体化使奥氏体碳不均匀度、未溶碳化物数量得到明显增加。

在循环奥氏体过程中，较细片状碳化物在未溶碳化物颗粒上溶解沉淀析出，较粗大的片状碳化物会破碎并球化。

周期球化退火可以明显缩减球化退火的时间，节约能耗，提高生产效率。

另外，以等温球化工艺作为基础，研究了800V、15Hz的脉冲电场对球化工艺和质量的影响。

这种方法使GCr15轴承钢球化退火质量得到明显提高，碳化物颗粒分布均匀，细小。

而且可以将奥氏体化温度降到760℃，保温时间也只需要40分钟左右，等温温度只需要在680℃左右，等温时间降到40分钟左右，显著提高生产效率，减少消耗

1.4数字图像处理

数字图像处理技术在各个领域都有广泛的应用，随着科学技术的发展，数字图像处理在处理图像时也越来越精确，操作也越来越方便，处理图像的速度也越来越快。

数字图像处理技术在金相组织分析上有重要的作用。

应用数字图像处理技术对金相图片进行处理不仅速度快，效率高，而且分析更加准确。

本实验的金相图片处理部分采用的是JX-2000金相分析软件，对球化退火后的试样金相图片中的球化颗粒提取，然后计算出球状颗粒物所占图像面积的比例，以及颗粒物的尺寸大小及数量。

从而判断GCr15轴承钢球化退火效果好坏，判断球化退火后GCr15轴承钢的综合力学性能。

GCr15轴承钢的JX-2000金相分析软件处理过程：

（1）图像的读取，裁切，

（2）调整亮度对比度，（3）图像的分割，（4）图像的切分，（5）目标测量，（6）保存报告。

如图1-1

图1-1JX-2000金相分析软件

2实验材料与方法

2.1实验材料

结论

（1）GCr15轴承钢在相同的加热温度和相同耗时的情况下，周期球化退火后的试样的硬度（21HRC）略低于等温球化退火后试样的硬度（25.3HRC），因此，对于GCr15轴承钢来说，周期球化退火工艺方案比等温球化退火工艺方案对其的球化效果更好，经过周期球化退火方案处理后的GCr15轴承钢的的综合力学性能更优越。

（2）GCr15轴承钢球化退火后的室温组织由铁素体和渗碳体组成，是在铁素体基体上均匀分布着球状碳化物的球状珠光体，对于GCr轴承钢，经过周期球化退火的试样显微组织中的球状碳化物颗粒更多，颗粒比较细小，分布更均匀球化率更高。

球化效果更好。

（3）GCr15轴承钢在相同的加热温度情况下，等温球化退火的等温时间对GCr15轴承钢的球化效果有显著的影响，在一定范围内，等温的时间越长，球化效果越好。

适当的增长等温时间可以显著提高轴承钢的球化率及其综合力学性能。

致谢

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