低碳钢的等温球化处理防脱碳
热处理专科毕业设计GCr15轴承钢球的热处理工艺及缺陷分析
GCr15轴承钢球的热处理工艺及缺陷分析摘要：本论文重点对GCr15轴承钢球热处理工艺的设计进行了讨论，同时对热处理后其可能存在的热处理工艺缺陷进行了分析。
钢球在不同热处理工艺下虽然都能达到其使用要求，但所需的成本却大不相同，因此在满足其使用要求的同时也应该注意生产成本。
热处理常常因操作、原材料等产生缺陷，但只要有正确的热处理工艺并严格按工艺进行加工热处理缺陷也是可以避免的，即使产生了缺陷也可以采取相应的措施及时修复缺陷。
关键词：GCr15 轴承钢球热处理设计热处理工艺热处理缺陷引言滚动轴承是机械工业十分重要的基础标准件之一;滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，与滑动轴承相比:滚动轴承具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、安装与维护简便等优点。
缺点是耐冲击性能较差、高速重载时寿命低、噪声和振动较大。
图 1 轴承及钢球实物图滚动轴承的基本结构（图 1）：内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。
常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子。
轴承的内、外圈和滚动体，一般是用轴承钢（如GCr15、GCr15SiMn）制造，热处理后硬度应达到61～65HRC。
当滚动体是圆柱或滚针时，有时为了减小轴承的径向尺寸，可省去内圈、外圈或保持架，这时的轴颈或轴承座要起到内圈或外圈的作用。
为满足使用中的某些需要，有些轴承附加有特殊结构或元件，如外圈带止动环、附加防尘盖等。
滚动轴承钢球的工作条件极为复杂，承受着各类高的交变应力。
在每一瞬间，只有位于轴承水平面直径以下的那几个钢球在承受载荷，而且作用在这些钢球的载荷分布也不均匀。
力的变化由零增加到最大，再由最大减小到零，周而往复得增大和减小。
在运转过程中，钢球除受到外加载荷外，还受到由于离心力所引起的载荷，这个载荷随轴承转速的提高而增加。
滚动体与套圈及保持架之间还有相对滑动，产生相对摩擦。
滚动体和套圈的工作面还受到含有水分或杂质的润滑油的化学侵蚀。
在某些情况下，轴承零件还承受着高温低温和高腐蚀介质的影响。
等温球化退火温度对高碳钢组织的影响
等温球化退火温度对高碳钢组织的影响高碳钢是一种含有较高碳含量的钢材，其碳含量通常在0.6%到1.5%之间。
与低碳钢相比，高碳钢具有更高的硬度和强度，但也更脆。
为了提高高碳钢的可加工性和韧性，可以采用等温球化退火工艺。
等温球化退火是将材料加热到一个特定温度，然后在这个温度保持一段时间，并最终冷却。
在高碳钢中，等温球化退火温度对组织和性能有着重要的影响。
首先，等温退火温度决定了碳的析出形式。
在高温下，碳原子倾向于从晶格中溢出并形成球化的颗粒。
球化的颗粒会增加钢材的韧性和延展性，减少脆性。
因此，合适的等温球化退火温度可以促使碳原子球化并改善高碳钢的组织。
其次，等温球化退火温度对高碳钢的晶粒尺寸和形态也有影响。
晶粒尺寸通常与材料的机械性能和韧性密切相关。
较高的退火温度可以导致晶粒长大，而较低的退火温度则导致晶粒细化。
在高碳钢中，较大的晶粒会降低钢材的硬度，但也会降低其临界应变能。
因此，适当的等温退火温度可根据需要选择晶粒尺寸。
此外，等温球化退火温度可以改变高碳钢中的亚晶结构。
亚晶结构是介于晶体和非晶体之间的结构形态，对材料的韧性和抗应力腐蚀性能起着重要作用。
适当的退火温度可以促使高碳钢中的亚晶结构形成，并提高材料的塑性和韧性。
最后，等温球化退火温度还可以影响高碳钢中的残余应力和孪晶形成。
高温下的退火可以减小材料中的残余应力，从而降低材料在使用过程中的应力集中和变形。
此外，适当的退火温度还可以抑制高碳钢中的孪晶形成，从而提高材料的韧性和耐腐蚀性。
总之，等温球化退火温度对高碳钢的组织和性能有着显著的影响。
通过适当调节退火温度，可以改善高碳钢的可加工性和韧性，提高其抗脆性和强度。
然而，需要注意的是，过高的退火温度可能导致晶粒长大，从而降低硬度和强度。
因此，在等温球化退火过程中，需要综合考虑材料的成分、性能需求和退火温度的选择，以获得最佳的组织和性能。
钢的热处理工艺
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正火工艺较简单、经济，主要应用于以下方面：
（1）改善低碳钢的切削加工性能 碳量〈0.25 ％的低碳钢及低合金钢，退火后硬度过低，正火处理 可提高硬度，改善切削加工性能。 （2）消除中碳钢热加工缺陷 中碳结构钢铸、锻、轧及焊件，热加工后易出现魏氏组织、晶粒 粗大等过热缺陷和带状组织，正火可消除，达到细化晶粒、均匀组织、 消除内应力的目的。 （3）消除过共析钢网状碳化物
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（１）热应力及其变化规律
工件在加热和冷却时，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不 一致而产生的内应力称为热应力。 以圆柱 工件为例分 析热应力的 变化规律 到了冷却后期，表层温度的 降低和体积的收缩已经终止，而 心部体积继续收缩，由于心部受 到表层的牵制，应力逐渐转变为 拉应力，而表层则受到压应力。 当整个试样冷至室温时，内外温 差消失，冷却后期的应力状态被 保留下来成为残余应力。 因此，工件淬火冷至室温时， 由于热应力引起的残余应力 表层
炉冷至略低于 Ar1的温度等温处理。如此多次反复加热和冷却，最后冷 至室温，以获得球化效果最好的粒状珠光体组织。
一次球化退火 等温球化退火
往复球化退火
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T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500
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（4）扩散退火
扩散退火 又称 均匀化退火 ，是将铸锭、铸件加热至 Ac3 或 Accm 以上 150 ～ 300℃，保温 10 － 15h ，然后随炉缓慢 冷却的热处理工艺。
温度）所需要的时间，而且取决于组织转变所需要的时间。完全退火 保温时间与钢材的化学成分、工件的形状和尺寸、加热设备类型、装 炉量以及装炉方式等因素有关。 退火后的冷却速度应缓慢，以保证奥氏体在Ar1温度以下不大的 过冷条件下进行珠光体转变，避免硬度过高。碳钢＜ 200℃/h ，低合 金钢＜100℃/h，高合金钢＜50℃/h。出炉温度在600℃以下。 将奥氏体化后的钢很快降至稍低于 Ar1 温度等温，使奥氏体转变 为珠光体，在空冷至室温，称为等温退火。 等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢等，可以显著缩 短退火时间；但不适合大截面工件和大批量炉料。
合金钢的球化和石墨化
合金钢的球化和石墨化合金钢是一种由铁和其他元素（如钼、铬、镍等）合金化而成的钢材。
球化和石墨化是两种常见的热处理方法，用于改善合金钢的力学性能和微观结构。
在下文中，我将详细介绍合金钢的球化和石墨化的原理和应用。
合金钢的球化是通过将钢材加热到一定温度，然后快速冷却，使其微观结构中的碳元素形成球状的碳化物。
球化处理能够提高合金钢的韧性和延展性，减少脆性。
这是因为球状的碳化物会改变钢材的晶界结构，减少晶界的应力集中，从而提高钢材的抗拉强度和塑性。
球化处理常用于高碳合金钢和合金元素含量较高的钢材。
石墨化是通过将合金钢加热到一定温度，然后冷却到室温，在适当的条件下，使钢材中的碳元素析出为石墨形态。
石墨化处理能够提高合金钢的切削性能和耐磨性。
石墨是一种具有良好自润滑性的材料，能够减少切削过程中的摩擦和磨损，提高切削效率和切削质量。
石墨化处理常用于切削工具和轴承等需要高耐磨性的应用领域。
球化和石墨化处理的具体方法和条件会根据不同的合金钢材料和应用要求而有所差异。
一般来说，球化处理的温度通常在900℃到950℃之间，冷却方式可以选择空冷、水淬或油淬。
而石墨化处理的温度通常在700℃到800℃之间，冷却方式可以选择空冷或水淬。
此外，球化和石墨化处理一般需要多次进行，以确保处理效果的稳定和一致性。
合金钢的球化和石墨化处理在工业制造中具有广泛的应用。
在航空航天、汽车制造和机械加工等领域，球化和石墨化处理能够显著提高合金钢的性能，延长材料的使用寿命。
例如，在航空航天领域，合金钢的球化处理可以提高材料的韧性和抗疲劳性能，增强零件的承载能力和抗冲击性能。
在汽车制造领域，合金钢的石墨化处理可以提高材料的耐磨性和降低切削力，从而提高发动机的工作效率和使用寿命。
在机械加工领域，合金钢的球化处理和石墨化处理可以提高切削刀具的切削性能和耐磨性，提高加工效率和质量。
总结起来，合金钢的球化和石墨化处理是一种重要的热处理方法，能够显著改善钢材的力学性能和微观结构。
中高碳热轧钢表面脱碳及碳化物球化退火行为研究
中高碳热轧钢表面脱碳及碳化物球化退火行为研究引言：中高碳热轧钢具有广泛的应用领域，例如汽车、机械和建筑等行业。
在加工过程中，中高碳热轧钢会受到高温加热和冷却等工艺条件的影响，这些工艺条件可能导致钢材表面的脱碳和碳化物的球化发生变化。
本文旨在探讨中高碳热轧钢表面脱碳及碳化物球化退火行为的研究进展。
一、脱碳行为的研究：1.脱碳的定义与机理：中高碳钢的脱碳是指在高温下，碳元素从钢材中脱离并向表面扩散的过程。
脱碳机理可分为表面脱碳和气体脱碳两种形式。
2.影响脱碳的因素：脱碳速率主要受温度、保温时间、氧化物等因素的影响。
其中，温度和保温时间对脱碳速率的影响较大。
3.表面脱碳的研究方法：常用的研究表面脱碳的方法有金相显微镜观察、硬度测试和能谱分析等，这些方法可以提供详细的脱碳情况。
二、碳化物球化退火行为的研究：1.碳化物球化退火的定义与机理：碳化物球化退火是指在高温条件下，钢材中的碳化物颗粒重新排列形成球状的过程。
球化退火的机理主要与碳化物的晶体结构和热激活能有关。
2.影响球化退火的因素：球化退火过程受温度、保温时间、温度变化速率等因素的影响。
其中，温度变化速率对球化退火的效果具有显著的影响。
3.球化退火的研究方法：常用的研究球化退火的方法有金相显微镜观察、显微硬度测试和X 射线衍射分析等，这些方法可以提供球化退火程度和晶体结构的信息。
三、中高碳热轧钢表面脱碳及碳化物球化退火行为的应用：1.表面脱碳和碳化物球化退火的控制方法：为了避免中高碳热轧钢在生产过程中出现脱碳和碳化物球化的问题，可以通过合理控制温度、保温时间和循环次数等因素来降低钢材的脱碳率和提高球化率。
2.优化中高碳热轧钢的热处理工艺：针对特定应用需求，可以根据脱碳和球化退火的行为研究结果，优化中高碳热轧钢的热处理工艺，以提高钢材的综合性能和使用寿命。
结论：本文综述了中高碳热轧钢表面脱碳及碳化物球化退火行为的研究进展。
通过对脱碳和球化退火的机理、影响因素和研究方法的介绍，可以更好地理解中高碳热轧钢在高温条件下的变化行为。
热处理知识介绍
球化退火应用
球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳 素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经 轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体 与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切 削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开 裂。
球化退火应用
而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中 的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体 上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切 削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易 长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对 于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等） 的亚共析钢有时也可采用球化退火。
热处理分类——回火
钢的回火是将淬火钢加热至A1以下的某一温 度，保温一段时间，然后冷却到室温的一种热 处理工艺。
消除钢淬火时产生的亚稳定组织。
二、退火热处理
退火热处理是将金属或合金加热到适当的温度， 保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体； 共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火 组织是接近平衡状态的组织。
Fe＋H2O→FeO＋H2 FeC＋CO2→Fe＋2CO 还原： FeO＋H2→Fe＋H2O
FeO＋CO→Fe＋CO2
对策
所以我们必须做到： 1.减少盘圆料自身带的FeO（盘圆料的酸洗可 以减少FeO）； 2.降低炉内的CO、H2在适当的比值和线材来 减少O2、H2O脱碳性气体（加氮气降低炉内 CO、H2的体积百分比），加瓦斯,丙烯可以分 解成甲烷与炉内的H2O、O2反应成CO作为保 护气氛。
CH3OH
CO+2H2
中性气体
氮气在高温加热时和钢铁不发生任何作用，即 不氧化。不脱碳、也无还原和增碳作用，故为 中性气体。
氧化案例
钢材球化退火处理及碳化物球化程度评估介绍
鋼材球化退火處理及碳化物球化程度評估介紹許傳宗金屬工業研究發展中心檢測技術發展組摘要棒鋼(直徑14mm以上者稱之)及線材(直徑14mm以下者稱之)係以小鋼胚為原料，經加熱軋延後製作成盤元，並依客戶的要求，再經不同線徑抽線加工、退火處理後供應下游業者作為生產原料，而主要的下游市場則為鋼線鋼纜、螺絲及螺帽等。
其中當盤元加工製作螺絲時，由於易造成破裂現象，因此須經球化退火處理將盤元中之碳化物予以球化，藉以提升延展性，降低硬度以利後續加工處理。
由此可知，球化退火處理乃是螺絲業常用的熱處理方法之一，因此本文特針對鋼材球化退火處理及碳化物球化程度評估作一簡單介紹，以期能對工業界有所裨益。
一、球化退火之簡介球化退火(Spheroidizing Annealing)係指將鋼材中之層狀或網狀碳化物，經加熱至適當溫度後，使其成為球狀化的一種熱處理方法，特別是高碳的工具鋼更是需要進行此退火熱處理，而其經球化退火處理後的顯微組織如圖1所示。
一般而言，球化退火處理的主要目的有二：其一為提高高碳鋼的延展性，並降低加工抵抗性使其後續之切削加工或塑性加工易於進行；其二作為工具鋼的淬火前處理，使淬火後的碳化物組織分佈均勻，進而防止淬裂或變形的發生，同時提高淬火後的韌性與硬度。
值得一提的是，所謂的「碳化物」係指高碳鋼中之Fe 3C 組織；工具鋼中之M 23C 6、M 7C 3及M 3C 等組織；高速鋼中之M 23C 6、M 6C 及MC 等組織；軸承鋼中之M 23C 6、M 6C 及M 3C 等組織。
圖1. 1.2%C 碳鋼之球狀碳化物顯微組織圖二、球化退火之方法如2圖所示為各種球化退火的操作方法，至於要採用何種操作方法，主要係根據鋼材種類、冷加工程度及球狀化程度等來加以判定。
時 間溫度圖2. 球化退火之操作方法示意圖1.長時間加熱法(A1下方的加熱)：此法乃是將鋼材加熱至A1下方的溫度範圍(約650~700℃)，然後長時間保溫後徐冷，如圖2(a)所示。
钢的脱碳温度
钢的脱碳温度钢的脱碳温度是一个关键参数，它指的是在特定条件下，钢材表面的碳元素开始从钢中逸出的温度。
了解这个温度对于钢铁工业来说非常重要，因为它直接影响到钢材的性能和使用寿命。
首先，我们需要明确一点：钢的脱碳温度并非一个固定的数值，而是一个温度范围。
这是因为不同成分、不同微观结构以及不同的处理条件的钢，其脱碳温度会有所差异。
例如，低碳钢的脱碳温度通常在700°C至900°C之间，而高碳钢的脱碳温度可能低于700°C。
在理解了脱碳温度的范围后，我们进一步探讨影响脱碳温度的因素。
首先，钢材的化学成分是决定脱碳温度的关键因素。
一般来说，随着碳含量的增加，脱碳温度会降低。
这是因为碳原子在钢中的扩散速度会随着碳含量的增加而加快，从而使得碳更容易从钢中逸出。
其次，钢材的微观结构也会影响其脱碳温度。
例如，晶粒的大小、碳化物的分布以及奥氏体的稳定性等都会对脱碳过程产生影响。
一般来说，细小的晶粒和均匀的碳化物分布会提高钢材的抗脱碳能力。
此外，热处理的条件也会对脱碳温度产生影响。
例如，加热速度、保温时间和冷却速度等都会影响碳原子在钢中的扩散速度和分布状态，从而影响其脱碳温度。
那么，为什么了解脱碳温度对钢铁工业如此重要呢？这是因为钢材在使用过程中常常会面临高温环境，如焊接、热处理和高温服役等。
在这些过程中，如果温度控制不当，钢材表面可能会出现脱碳现象，导致其硬度和耐磨性下降，严重时甚至会影响到钢材的使用寿命。
为了防止脱碳现象的发生，钢铁工业常常采取一系列措施，如调整钢材的化学成分、优化热处理工艺以及表面涂覆等。
同时，工程师们也致力于研究新的抗脱碳技术，以提高钢材的性能和使用寿命。
综上所述，钢的脱碳温度是一个复杂的问题，受到多种因素的影响。
要准确控制和预测钢材的脱碳行为，需要综合考虑其化学成分、微观结构、热处理条件以及使用环境等多个因素。
只有这样，我们才能更好地理解钢材的脱碳行为，为其抗脱碳技术的研究和应用提供科学依据。
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低碳钢的等温球化处理
1．前言
近几年来,紧固件行业非标、异型件产品的增多,造成了冷挤压工艺得到了迅速发展,由于产品规格形状各异,这势必给这些零件的软化处理带来了更高的要求。
例如,常用的冷镦钢线材ML8Ae、ML10、ML15或ML20,以SWRCH8A、SWRCH8A、SWRCH10A、SWRCH15A、SWRCH22A等牌号居多,要求进行球化退火,以获得铁素体基体上均匀分布的球状碳化物组织。
球化组织硬度低、塑性好,冷作或冷挤压时不易产生裂纹。
对于断面缩减率达70% -- 85%的零件,若中间退火工艺不当,不仅不能充分发挥材料塑性,而且会给冷挤成型带来诸多困难。
2.退火工艺
①.退火前组织材料ML10钢,经金相检验,其组织为铁素体+片层状珠光体。
硬度为66--72H RB,组织中有成分偏析,其带状组织≤3级。
②退火工艺试验
a.等温退火,900℃×3--5h炉冷,660—650℃等温4--6h炉冷,晶粒度5--6级,硬度55--58H RB,铁素体+片状珠光体,在6000KN油压机上冷挤成型时,,压力不稳定,有跳模现象。
由于奥氏体化温度过高,形成的奥氏体成分均匀,减少了珠光体的形核率。
因此,获得的是片层状珠光体组织,片状珠光体具有较大的相界面,晶界又是位错运动的最大障碍,加上片状珠光体中的亚晶界,构成许多亚晶粒,阻碍了塑性变形时位错的运动,使位错滑移受阻,变形抗力上升,塑性下降。
b.普通退火900℃×3--5h炉冷至500℃出炉,晶粒度5--6级,硬度56--60HRB,虽可以缩短退火时间,但是冷挤压一次合格率低,报废率达10%以上,并且冷挤件长短不一,有严重挤不足现象,这是因为普通退火时线材随炉冷却,各部分冷却不一致。
而过冷奥氏体在连续冷却中进行,珠光体转变是在一定范围内进行的,高温区形成珠光体较粗,低温区形成的珠光体较细。
这种粗细不等的珠光体将引起力学性能的不均匀,不利于零件的冷挤压。
c.等温球化退火 760—770℃保温3--4h,炉冷至660—680℃等温4--6h至500℃出炉。
由于降低了奥氏体化温度,渗碳体只部分溶解,碳化物呈小球,点状分布在铁素体基体上,晶粒度
5--7级,硬度50--55HRB。
根据铁碳状态理论,片状珠光体在保温过程中,由于其曲率半径不同,各处的溶解度不同,引起碳的扩散,打破了碳浓度的平衡,结果导致渗碳体的球化,得到有良好冷挤性能的组织,压力机压力稳定,冷挤压尺寸稳定,废品下降至0.5%以下。
由此可见,对冷形变量在70%--85%以上的低碳钢中间退火仅仅控制晶粒度和硬度是远远不
够的,关键在于要控制渗碳体的形态。
一般热处理手册和文献资料中较少低碳钢球化方面的论述,认为球化主要用于共析、过共析钢,实践证明,低碳钢在等温球化退火方面具有工艺优越性,其塑性良好,冷挤压冷成型效果明显。
3.小结
a.当冷挤压形变量在70%以上后,按传统普通退火工艺后得到片状珠光体,这样的组织变形
抗力及加工硬化率都较高,不适宜于冷挤压冷成型。
实践证明,等温球化退火不仅兼顾了硬度和晶粒度，还考虑了碳化物的形态，可以充分发挥低碳钢的塑性，使冷挤压冷成型一次合格率达99.5%以上。
b.低碳钢球化的关键是控制温度，加热温度一定要控制在Ac1+20--30℃，温度过高，则退火后便不能得到完全的球状珠光体，可能为球状和片状珠光体的混合物，甚至全部为片状珠光体。
如果加热温度过低，则原来组织中的片状珠光体未能转变，这些都会影响材料的塑性。
c.低碳钢等温球化退火也要尽可能采用保护气氛保护，防止氧化脱碳，一般可采用甲醇滴注。