摘要：為進一步提升軸承鋼的性能，保證軸承的質量，在研究影響軸承鋼質量因素的基礎上，對軸承鋼加熱過程中的奧氏體化、奧氏體長大以及碳化物溶解三個階段的組織演變規律進行試驗研究，為軸承鋼在各個階段加熱參數的控制和設計提供依據，最終達到提升軸承剛質量的目的。

　　關鍵詞：軸承鋼;奧氏體;晶粒尺寸;碳化物溶解;不均勻性

　　0 引言

　　軸承為各類大、中、小型機械設備必不可少的機械零件，被稱為機械的關鍵。從某種程度上講，軸承和軸承鋼的性能是機械零部件及設備性能的主要標志之一。不同行業、不同用途軸承所采用的軸承鋼的類型不同，其中高碳鉻軸承鋼由于其性能優異且價格低廉被廣泛應用于機械行業中。為進一步提升軸承鋼的應用范圍，提高零部件及設備的性能，需保證軸承鋼的質量。實踐表明，通過提升冶煉水平、優化熱處理工藝以及冷軋后的熱處理技術可提升軸承鋼的性能和質量"1。因此，本文著重對軸承鋼加熱過程中組織演變進行試驗和數值模擬研究，為指導其加工過程中工藝參數調整提供理論依據。具體闡述如下。

　　1影響軸承鋼質量的因素分析軸承鋼作為機械零部件及設備軸承的原材料，為確保軸承可適應各種工況的應力要求，要求軸承鋼具有足夠的抗壓、抗拉等特性。軸承鋼的純度以及其內部組織的均勻性是保證其具有足夠疲勞強度和耐磨性能的基礎。經理論分析可知，影響軸承鋼性能的主要因素包括有其中所包含非金屬的雜物、碳化物的不均勻性。

　　1.1 非金屬夾雜物對軸承鋼質量的影響經對軸承鋼成分分析可知，其中所含非金屬夾雜物可分為5類，分別為簡單氧化物、復雜氧化物、硅酸鹽、硅酸鹽玻璃以及硫化物。從理論上講，當軸承鋼中非金屬夾雜物的尺寸越大對其質量的影響越大，而且氧化物對軸承鋼質量的影響最大。當氧化物的尺寸小于6um時，對軸承鋼的質量不影響：當氧化物的尺寸大于8um時，對軸承鋼質量影響劇烈。因此，治煉軸承鋼時需特別注意對氧含量的控制。除此之外，軸承鋼中的鈦化物含量過大時容易導致鋼內應力集中。因此，一般將每克軸承鋼中鈦化物的含量控制在小于3x10"g的范圍之內。

　　硫化物雖然對軸承鋼質量的影響較小，但是硫化物可在軸承鋼表面形成一層保護膜，避免其不被氧化破壞。因此，應保證軸承鋼中含有微量的硫化物。

　　1.2 碳化物不均勻性對軸承鋼質量的影響鑒于軸承鋼中含有一定量的碳元素且其中含有大量的鉻。因此，對軸承鋼進行熱處理或加工時需特別注意碳化物顆粒的產生。當軸承鋼內部的碳化物不能在熱處理的過程溶解并均勻化時，會在其內部產生大塊度的碳化物：而且，在凝固過程中由于固相和液相的濃度不同也容易導致共晶碳化物的產生2。

　　軸承鋼中碳化物的不均勻會降低其疲勞強度。為解決軸承鋼碳化物的不均勻性所帶來的缺陷，可通過如下兩項措施進行：(1)控制軸承鑄造過程的溫度，保證其過冷度為13℃左右：

　　(2)選擇最佳熱處理方式。

　　為減小軸承鋼中非金屬夾雜物和碳化物不均勻性對其性能的影響，有必要開展其在加熱過程中組織的演變規律的研究。

　　2軸承鋼加熱過程中組織演變規律分析

　　軸承鋼在加熱過程中組織主要經歷奧氏體化、奧氏體長大以及碳化物溶解三個過程。本節將著重對上述三個過程中的組織演變規律進行分析。

　　2.1 奧氏體化組織演變實驗研究由于軸承鋼在加熱時所經歷奧氏體化過程時其體積會發生變化。因此，采用熱膨脹儀對軸承鋼奧氏體化過程進行研究。奧氏體化實驗系統如圖1所示。

　　所研究軸承鋼的直徑為4mm，長度為10

　　mm，其對應的試驗流程如下：(1)將上述尺寸的軸承鋼置于膨脹系統中：(2)根據預先試驗思路在控制系統中設定溫度變化曲線：(3)啟動系統并按照預先設定的溫度變化曲線對試樣進行加熱，與此同時準確記錄試件體積的變化：

　　(4)待試件加熱過程結束且對應的體積參數準確記錄后，采用氮氣對加熱后的試件進行冷卻。

　　根據實驗要求，分別對軸承鋼在等溫加熱和勻速加熱時奧氏體化過程中組織演變規律進行研究，兩種加熱過程的溫度變化曲線如圖2所示。

　　2.1.1 等溫加熱時奧E體化過程組織演變

　　當采用等溫加熱方式時，軸承鋼奧氏體化經歷兩個階段。其中，當軸承鋼的溫度達到奧氏體化轉變點溫度時，試件的體積迅速減小，在該階段軸承鋼中的鐵素體和碳素體轉換為奧氏體：當軸承鋼完全奧氏體化后，其內部的滲碳體在高溫作用下不斷溶解，并逐漸進入第二階段。在奧氏體化的第二階段中，軸承鋼中對應C元素的濃度增加促使在第一階段所產生的奧氏體的體積增大。

　　2.1.2 勻速加熱時奧氏體化過程組織演變

　　軸承鋼勻速加熱處理時，奧氏體化過程同樣經歷兩個階段。其中，在第一階段時對應膨脹曲線出現大幅度的下降，主要由于在此階段鐵素體和滲碳體同時溶解容易所導致：在第二階段時對應膨脹曲線出現明顯的上升趨勢，主　　要由于在此階段僅由少部分殘余滲碳體被溶解。

　　2.2奧氏體長大過程組織演變研究

　　在奧氏體經歷長大過程組織演變實驗研究所采用試件的形狀為矩形，具體尺寸為長度為15 mm、寬度為10 mm、高度為5mm.實驗過程如下：將試件在氮氣保護的環境下分別加熱至1000、1 050，1 100，11501200，1 250 ℃：加熱完畢后分別保溫30 min.60 min.90 min 120 min，150 min，180min：保溫結束后采用水粹的方式將試件冷卻至常溫：將恢復常溫的試件采用截線法獲得500個晶粒，并隨機抽取其中300個進行測量，最后得到不同組別對應的平均晶粒尺寸。

　　經對數據進行統計，得出如表1所示的實驗結果。當試件加熱溫度越高、保溫時間越長，所產生奧氏體經歷的尺寸越大。其中，當保溫時間為30 min時，隨著加熱溫度的增加雖然奧氏體晶粒尺寸增大，但是其增大幅度明顯降低;當溫時間為60 min，90 min，120 min、150min、180 min時，隨著加熱溫度的增加對應奧氏體晶粒尺寸增大，且增加幅度越來越大。因此，在合理范圍內可通過增加軸承鋼的熱處理溫度并延長保溫時間來增加奧氏體經歷的尺寸，從而使得軸承鋼內的成分更加均勻。

　　2.3碳化物溶解過程的組織演變研究

　　采用"2.2"中同樣尺寸的試件將其在氮氣保護環境下分別加熱至1150，1175，1200、1225 ℃(要求在1 min內完成加熱過程)：加熱過程完畢后將試件保溫30 min：保溫結束后在冷水中進行淬火操作;重復上述加熱和淬火過程。經上述操作后對碳化物形貌進行觀察，并得出如下結果：當試件加熱至1 150 ℃且保溫50 min后軸承鋼中的碳化物仍未完全溶解;當試件加熱至1175℃且保溫45 min后軸承鋼中的碳化物已經全部溶解：當試件加熱至1200℃、1225 ℃且保溫30 min后軸承鋼中的碳化物完全溶解。

　　3結語

　　軸承鋼作為機械關鍵零件軸承加工的原材料，其質量和性能對軸承的性能影響較大。經研究可知，影響軸承鋼性能的關鍵因素為其中的非金屬夾雜物和碳化物的不均勻性。因此，可對軸承鋼中的非金屬夾雜物進行適當處理，并解決碳化物不均勻性來提升軸承鋼的性能。為此，本文對軸承鋼加熱過程中組織演變規律進行分析，得出可在奧氏體化、奧氏體長大以及碳化物溶解三個過程對加熱參數進行調整達到提升軸承鋼性能的結論。

　　參考文獻：

　　[1]侯智鵬，楊卯生，趙昆渝，等，高溫與應力耦合作用下Cr-Co-Mo-Ni齒輪軸承鋼微觀組織演變[J].鋼鐵，2014(04)：80-85.

　　[2]余萬華，石素錦，劉玉坤，等，軋制溫度對GCr15軸承鋼組織性能的影響[J].材料熱處理2，2020(01)：86-91.

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文章名稱： 軸承鋼加熱過程中組織演變實驗研究

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