劉美冬

（浙江為尚機(jī)械有限公司）

當(dāng)前浙江為尚機(jī)械有限公司加工熱處理GCr15鋼套圈用兩臺(tái)愛(ài)協(xié)林箱式多用爐做碳氮共滲處理，在生產(chǎn)過(guò)程中檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)表面金相有黑色組織，分析黑色組織可能會(huì)導(dǎo)致軸承套圈的疲勞強(qiáng)度和彈性極限降低，因此必須對(duì)軸承套圈碳氮共滲進(jìn)行分析。

經(jīng)過(guò)對(duì)軸承套圈碳氮共滲進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)金相組織中除了表面有黑色組織外其余的指標(biāo)都符合技術(shù)要求。為此，技術(shù)人員專(zhuān)門(mén)對(duì)軸承套圈黑色組織進(jìn)行了分析研究。

1. GCr15軸承鋼的化學(xué)成分

GCr15軸承鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）  （%）

2. GCr15鋼表面黑色組織

（1）伴隨脫碳層的黑色組織

淬火加熱中，當(dāng)GCr15鋼表面產(chǎn)生程度不同的脫碳時(shí)，淬火后（在一定的冷卻條件下）其表面會(huì)產(chǎn)生一層黑色組織。不同的生產(chǎn)批次，黑色組織的形態(tài)和深度有所不同。黑色組織輕微時(shí)只形成網(wǎng)絡(luò)狀，深度為幾十微米到幾百微米，嚴(yán)重時(shí)則形成層片狀+網(wǎng)絡(luò)狀，深度幾百微米。因黑色組織易受硝酸酒精腐蝕變黑，故采用淺腐蝕處理（4%硝酸酒精溶液腐蝕）即可將其清楚地顯示出來(lái)，如圖1所示。

圖1　GCr15鋼表面脫碳時(shí)的網(wǎng)狀黑色組織（500×）

（2）伴隨增碳層的黑色組織

淬火加熱中，當(dāng)GCr15鋼表面產(chǎn)生不同程度的增碳時(shí)，淬火后（在一定的冷卻條件下）其表面產(chǎn)生一層黑色組織，其形態(tài)深度與受腐蝕程度（4%硝酸酒精溶液腐蝕）和前述基本相同，如圖2所示。

圖2　GCr15鋼表面增碳時(shí)的黑色組織（500×）

3. 黑色組織的本質(zhì)

（1）形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)

光學(xué)顯微鏡下觀察到的黑色組織具有網(wǎng)絡(luò)狀或?qū)悠瑺?網(wǎng)絡(luò)狀的形態(tài)，其上分布著剩余碳化物顆粒。黑色組織易受硝酸酒精腐蝕（相當(dāng)于淬火馬氏體），黑色的網(wǎng)絡(luò)狀是沿奧氏體晶界形成的。從圖1、圖2可以看出，層片狀黑色組織正是由黑色的細(xì)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大變粗，幾個(gè)鄰近的網(wǎng)絡(luò)連接成小黑塊，再由小黑塊間彼此連接成層片狀而形成，所以黑色組織的形成經(jīng)歷了由網(wǎng)絡(luò)狀到小塊狀再到層片狀的發(fā)展過(guò)程。

（2）硬度

黑色組織的硬度明顯低于馬氏體的硬度，如表2所示。

表2  黑色組織與馬氏體硬度對(duì)照

綜合上述分析可以證實(shí)，黑色組織是GCr15鋼在淬火時(shí)發(fā)生的擴(kuò)散型相變產(chǎn)物，它是珠光體類(lèi)型中的屈氏體。

4. 黑色組織的形成原因

GCr15鋼的恒溫轉(zhuǎn)變曲線上有2個(gè)奧氏體加速分解的階段。第1階段在650℃附近，第2階段在450～480℃附近，第2階段（中溫轉(zhuǎn)變）的奧氏體分解速度小于第1階段的奧氏體分解速度。

GCr15鋼的淬火是為了得到需要的馬氏體淬火組織，在冷卻過(guò)程中必須制止鋼中有珠光體形成，因此在連續(xù)冷卻時(shí)第1階段的轉(zhuǎn)變具有決定性的作用。

抑制珠光體轉(zhuǎn)變的臨界速度取決于鋼的成分，首先取決于碳在固溶體中的濃度，淬火時(shí)臨界速度的大小隨固溶體中含碳量的多少而變化，當(dāng)GCr15鋼加熱時(shí)表面產(chǎn)生脫碳，則在脫碳區(qū)域內(nèi)固溶體的碳濃度相應(yīng)降低，此時(shí)GCr15鋼正常淬火的冷卻速度對(duì)于脫碳區(qū)域來(lái)說(shuō)已顯得過(guò)小，這個(gè)冷卻速度已不能制止珠光體的轉(zhuǎn)變。這部分碳濃度低的過(guò)冷奧氏體處于很不穩(wěn)定的狀態(tài)，在淬火時(shí)首先分解成珠光體產(chǎn)物（奧氏體高溫分解產(chǎn)物），也就是臨界冷卻速度標(biāo)線與“C”曲線相交，而不脫碳的區(qū)域（奧氏體碳濃度較高）同樣的冷卻速度已能保證在淬火時(shí)發(fā)生馬氏體相變，而不使過(guò)冷奧氏體早期分解成珠光體。

由于奧氏體的晶界面處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，碳濃度的貧化往往由晶界面發(fā)生并向晶內(nèi)擴(kuò)展，所以隨碳濃度的貧化程度由輕到重，淬火后出現(xiàn)的黑色組織也由網(wǎng)絡(luò)狀（晶界面）擴(kuò)展為層片狀（晶粒）。

5. GCr15鋼表面增碳時(shí)對(duì)黑色組織形成的影響

增碳使GCr15鋼表層碳濃度提高。鉻能使合金元素形成碳化物，鉻與碳易形成含鉻碳化物，在高溫下碳原子不斷擴(kuò)散深入GCr15鋼表層，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體晶界面上的鉻首先與碳結(jié)合成為碳化物，從而使晶界面上的鉻濃度降低，隨著碳的擴(kuò)散含鉻碳化物也不斷增多，貧鉻區(qū)域逐步由晶界面向晶粒內(nèi)發(fā)展，導(dǎo)致晶粒內(nèi)的貧鉻，即所謂“增碳貧鉻”現(xiàn)象。

合金元素鉻具有明顯的增大?冷奧氏體穩(wěn)定性的作用（特別是抑制奧氏體第1階段分解的作用），貧鉻區(qū)域過(guò)冷奧氏體變得不穩(wěn)定，鋼中未溶的剩余碳化物進(jìn)一步起到加速奧氏體分解的作用，因此當(dāng)淬火時(shí)“增碳貧鉻”區(qū)域首先分解得到珠光體產(chǎn)物。

6. 冷卻條件對(duì)黑色組織形成的影響

GCr15鋼表層由于脫碳或增碳引起淬火時(shí)表層黑色組織的形成是需要在一定的冷卻條件下才會(huì)發(fā)生，當(dāng)冷卻速度增大時(shí)，淬火后即不致產(chǎn)生黑色組織。

技術(shù)人員做過(guò)下述試驗(yàn)：將加熱時(shí)脫碳或增碳的GCr15鋼試樣分別淬入油（N15或N32全損耗系統(tǒng)用油）、硝鹽（50%的NaNO3+50%的KNO3）和水3種冷卻介質(zhì)中。結(jié)果是油冷的試樣表層有較多的黑色組織，硝鹽冷卻的試樣表層黑色組織較少，水冷的試樣表層無(wú)黑色組織。

7. 結(jié)語(yǔ)

GCr15鋼在淬火加熱過(guò)程中，表層產(chǎn)生的黑色組織是GCr15鋼在淬火時(shí)發(fā)生擴(kuò)散型相變的產(chǎn)物，屬于珠光體型的屈氏體。由于這層屈氏體硬度低，這就直接影響到磨削加工質(zhì)量。若成品的工作面上還剩有屈氏體薄層，則會(huì)造成早期磨損，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。

針對(duì)不同的GCr15鋼淬火工藝（鹽爐加熱或保護(hù)氣體爐加熱），正確控制爐內(nèi)碳勢(shì)，避免加熱過(guò)程中產(chǎn)生的脫碳或增碳，選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)（保證足夠的冷卻能力），在淬火過(guò)程中可以避免黑色組織的產(chǎn)生，從而達(dá)到進(jìn)一步穩(wěn)定和提高GCr15鋼熱處理質(zhì)量的目的。

來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志