锻件经等温球化退火、840 ℃ 加热淬火后碳化 物的分布状态如图 6 所示，碳化物均匀的区域网 状碳化物级别约为 1 级； 但在碳化物均匀性较差 的区域，≤3 级网状碳化物伴随带状碳化物出现， 残留的网格尺寸与热轧态相比变化不大，如图 7
县晓明，等： GCr15 钢中网状碳化物在锻造及热处理过程中的形态变化
ISSN1000 － 3762 轴承 2012 年8 期 CN41 － 1148 / TH Bearing 2012 ，No． 8
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GCr15 钢中网状碳化物在锻造及热处理过程中 的形态变化
县晓明1 ，叶健熠2 ，折文革1
（ 1． 甘肃海林中科科技股份有限公司，甘肃 天水 741018； 2． 洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039）
局部溶解，原始封闭网状碳化物熔断后呈点、链状
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碳化物网络，如图 1 所示，心部仍保留有原材料的碳 化物网格特征，该现象同中频感应加热产生的集肤 效应及热量传导过程有关。在球化退火过程大颗 粒碳化物继续粗化，并形成 ＜ 2 级的粗颗粒状网，如 图 2 所示。其原因在于： 原始网熔断形成点、链状碳 化物颗粒，粒度大于某一尺寸的区域，在球化退火 过程中反向析出长大的趋势大于溶解，导致粗大颗 粒的产生［2］。Φ601# 经热切下料→退火→淬火，局 部区域 ＞ 3 级的碳化物网呈聚集、带状分布，保留有 成分偏析、碳化物极不均匀的特征，如图 3 所示。
为主，晶角处碳化物网较粗，500 倍下的组织形态 如图 8 所示，原始组织的晶粒度为 7 级。锻件经 中频加热（ 1 153 ℃ ） →镦饼→辗扩→喷雾冷却后 组织形态发生显著变化： 二次网状碳化物沿奥氏 体晶界析 出，网 状 粗 细 不 均 的 特 征 突 出，晶 粒 粗 化，晶粒度达到 4 ～ 5 级，如图 9 所示。该试样经 等温球化退火，仍能观察到二次封闭网以点链、断 续链状的 形 态 沿 晶 界 残 存，如 图 10 所 示。淬 火 后，大于 3 级的网状碳化物仍保留断续链状的形 态，晶粒粗化特征依然清晰，如图 11 所示。
Φ601#
集中热切下料→空冷 →球化退火→淬火
观察不同规格的原 材料 经 球 化 退 火 后 的 网状碳化物
集中热切下料→空冷
观察原材料集中下 料后的网状碳化物
Φ602#
镦饼→穿孔→辗扩→ 喷雾冷却
观 察 原 材 料 经 锻、 辗、速冷后 的 网 状 碳 化 物
集中热切下料→中频 加热→镦饼→穿孔 → 辗 扩→喷雾冷却→球化退 火→淬火
通常消除材料中网状碳化物的正火加热温度 为 900 ～ 950 ℃ ，加热时间为 40 ～ 60 min［3］。集中 热切下料中频加热温度在 840 ℃ 左右，加热区间 为 Ac1 ～ Acm。由于加热时间短、切料后堆冷，热轧 材近表层原 始 珠 光 体 片 层、原 始 封 闭 网 状 碳 化 物 有溶断现象，但 Φ50 近表层、Φ601# 心部碳化物网 与切料前相 比 却 无 明 显 变 化，说 明 中 频 加 热 集 中 下料不足以改变热轧不退火材原始网状碳化物的 分布特征。 2． 2 薄壁锻件原始网状碳化物形态变化特征
Φ602# 热轧材碳化物呈封闭网格状，网较粗， 500 倍下的组织形态如图 4 所示，原始组织的晶粒 度为 7 ～ 8 级 。该 料 段 经 始 锻 加 热 （ 中 频 加 热 1 100 ℃ ） →镦饼→辗扩→喷雾冷却，因锻件壁厚 薄、冷却速度较快，二次碳化物沿晶界析出量明显 减少、网较 细，但 晶 粒 及 碳 化 物 网 格 尺 寸 明 显 变 大，500 倍下的组织形态如图 5 所示，锻件组织的 晶粒度为 5 ～ 6 级。
原材料的网状碳化物 锻造加热温度对材 料晶 粒 长 大 （ 碳 化 物 网） 的影响
球化退火后网状碳 化物分布特征
锻造加 热 温 度、冷 却 速度 对 网 状 碳 化 物 的 影响
2 热加工中网状碳化物的形态变化
2． 1 原始网状碳化物的形态变化 Φ50 热轧 材 热 切 下 料 后 近 表 层 原 始 组 织 出 现
机理不同的两种类型： 材料网和锻造网。对于因
公司科技处，1974： 241．
锻造温度过高、冷却不足产生的二次碳化物超标， ［5］ 况作田． 热轧轴承钢球坯网状碳化物达标的工艺探
应从规范锻造工艺，控制加热温度、改善冷却条件 着手加以防范； 而对于因热轧不退火材成分偏析、 碳化物不均 匀 所 导 致 的 网 状 超 标，应 从 加 强 材 料
1 试验条件及方法
选用 3 种规格、4 个炉号的热轧材作为对比材 料，热加工工艺以实际生产工艺为准，冷却方式及 试验分组情况见表 1。表中 Φ601#，Φ602#为不同冶 炼厂家、不同炉号的热轧不退火材，集中热切下料 的中频温度为 840 ℃ ，生产线始锻中频加热温度 为 1 100 ～ 1 150 ℃ 。网状碳化物级别参照 JB / T 1255 —2001《高 碳 铬 轴 承 钢 滚 动 轴 承 零 件 热 处 理 技术条 件》进 行 评 定，晶 粒 度 参 照 GB / T 6394— 2002《金属 平 均 晶 粒 度 测 定 方 法 》评 定 。 金 相 图 片未作说明的 均 为 4% 硝 酸 酒 精 深 腐 蚀，500 倍 下观察。
在成分偏析、碳 化 物 均 匀 性 较 差 且 存 在 碳 化 物 网 格的热轧材，由于锻造时中频加热升温速度快、保 温时间短，难 以 达 到 扩 散 退 火 的 效 果。 因 而 锻 件 球化退火、淬 火 后，在 成 分 偏 析 区 域 的 纵 截 面 上， 碳化物仍呈现为材料网（ 封闭的带上网或带、网混 合特征） ，其网格尺寸、形态也有别于因锻造温度 偏高、冷却不良产生的锻造网。
环节冷却速度不足造成锻件在 Acm ～ Ar1 温度区 料表层组织中珠光体、网状碳化物仅有局部溶解、
间热量散失缓慢、过程延长，成为二次封闭网状碳 破断的作用，但不足以改变热轧材原始组织中网
化物沿奥氏体（ A） 晶界析出、网壁增厚的主要因 状碳化物的分布特征。
素。球化退 火、淬 火 后 网 状 超 标，说 明 球 化 退 火、
图 10 球化退火后横截面封闭网状碳化物的形态 图 11 淬火后横截面网状碳化物形态特征
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厚壁锻件锻造时中频加热到 1 150 ℃ 透烧，锻 造温度偏高是晶粒粗化的主要原因。其次锻造摩
4 结论
擦发热，促使 锻 件 温 度、蓄 热 出 现 反 弹，加 之 终 锻
（ 1） 中频热切下料加热温度低，时间短，对材
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所示。网状碳化物与带状相伴而生的不均匀现象 与原材料成分偏析及扩散退火不充分或缺省扩散 退火有关且具有遗传特性。这 种 网、带 相 杂 的 碳 化物多以共晶型（ Fe，Cr） 3 C 为主［4］，这种存在严 重成分偏析、碳化物不均的热 轧 不 退 火 材，在 燃 气炉中加热到（ 1 100 ± 50 ） ℃ ，保温 0． 5 ～ 1． 0 h 才能得到有效改善［5］。显然对 采 用 中 频 感 应 加 热的锻造方式而言，高温加热、长 时 间 保 温 来 改 善原材料成分偏析及碳化物分布不均匀的方法 不太现实。
关键词： GCr15 钢； 网状碳化物； 锻造温度； 晶粒度； 成分偏析
中图分类号： TH133． 33； TG115． 21
文献标志码： B
文章编号： 1000 － 3762（ 2012） 08 － 0037 － 04
高碳铬轴承钢 GCr15 热 轧 棒 材 锻 造 轴 承 套 圈，经球化退火和淬、回火后常 因 网 状 碳 化 物 超 标而判不合格（ JB / T 1255—2001 标准要求的 网 状碳化物合格级别为≤2． 5 级） 。对 GCr15 轴承 零件网状碳化物超标原因的解释和分析多集中 于 锻 造 过 程 中 始 锻 、终 锻 温 度 过 高 ，冷 却 缓 慢 ，网 状碳化物析出严重［1］，而对原材料成 分 偏 析、碳 化物不均匀而产生的网状残留以及快速热切下 料所导致的粗点、链状碳化物 残 留 则 分 析 不 多。 本例通过 GCr15 热轧不退火材中网状碳 化 物 在 热切下料、锻造、球化退火及淬 火 过 程 中 的 形 态 变化分析探讨轴承零件中网状碳化物超标的原 因，并提出相应的控制措施。
图 1 Φ50 热轧材热切下料后纵截面表层组织形态
图 2 Φ50 热轧材经球化退火、淬火后纵截面网状 碳化物形态
图 4 Φ602# 原始热轧态横截面组织形态
图 3 Φ601# 热切下料、球化退火、淬火后纵截面 局部网状碳化物形态（ 250 × ）
图 5 Φ602# 锻件中频加热、镦饼、辗扩及速冷后 的横截面组织状态
摘要： GCr15 热轧不退火材经中频感应加热下料，锻造为轴承套圈，经喷雾冷却、球化退火及淬火后，检验网状
碳化物，结果表明，由于中频热切下料加热温度低，时间短，不足以改变热轧材原始组织的分布特征。高温锻造
后所形成的网状碳化物与热轧不退火材成分偏析、碳化物不均匀所导致的网状碳化物相比，往往存在网孔尺
寸、网壁厚度及分布形态上的明显差异，这些差异可作为判别轴承网状碳化物超标的原因和依据。
（ 3） 因材料成分偏析、碳化物均匀性较差所致
封闭网状 碳 化 物 为 主，晶 粒 度 一 般 在 8 级 左 右。 的锻件网状碳化物，淬火后多以封闭的带上网或
热切下料对材料表层原始珠光体、网状碳化物溶 带、网混合的形态存在。
解及破断作用明显，但对热轧材心部的原始组织、
（ 4） 网状碳化物网格大小、粗细及分布形态的
晶粒度及网状碳化物影响甚微。
差异，可作为 判 断 网 状 碳 化 物 超 标 原 因 及 采 取 相
热轧材经高温锻造加热，原始网格将发生溶 应措施的依据。
解和组织重 构，晶 粒 粗 化 成 为 锻 件 组 织 的 明 显 特
征； 终锻温度、冷却速度成为影响网状碳化物沿奥 参考文献：