好文，高碳铬轴承钢制轴承零件淬火组织缺陷分析
作者：孙钦贺
单位：杭州骏马轴承有限公司质保部
来源：《金属加工（热加工）》杂志
高碳铬钢制轴承零件马氏体淬回火后组织应为隐晶、细小结晶或小针状马氏体、均匀分布的细小残留碳化物和少量的残留奥氏体，除微型轴承外，允许存在少量的针状或块状屈氏体（如图1所示）。
淬回火后的显微组织按《JB/T1255—2014 滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》标准条款3.2.2显微组织的规定。具有这种组织的高碳铬轴承钢硬度、强度、耐磨性和耐疲劳性能都很好。经过回火还可以使轴承钢获得一定弹性、韧性、尺寸稳定性等良好的综合性能。
图1 马氏体淬回火金相组织（500×）
高碳铬钢制轴承零件在热处理过程中，由于轴承钢材料缺陷、热处理工艺、加工设备以及人为因素等导致了过热金相显微组织（粗针状马氏体组织）、欠热金相显微组织（屈氏体超标）、粗大颗粒碳化物和严重的网状碳化物等显微组织缺陷。这些金相显微组织组织缺陷有的直接造成了产品报废，如过热金相显微组织组织（粗针状马氏体组织）。有的缺陷虽然不至于使产品报废，但会对寿命产生影响如欠热金相显微组织（屈氏体超标），对轴承寿命产生影响导致轴承早期破环，严重影响轴承产品质量。
1.淬火过热金相显微组织（粗针状马氏体）
图2、图3 为淬火过热金相显微组织，组织特征为明显的粗大针状马氏体。该组织会导致轴承的韧性下降，抗冲击性能降低，轴承的寿命也会缩短，过热严重甚至会造成淬火裂纹。
图 2
图 3
（1）产生原因
主要是淬火加热温度过高，或在淬火加热温度上限保温时间太长造成的，使二次碳化物溶解太多；奥氏体晶粒也有机会长大，则阻碍马氏体长大的作用减弱，致使马氏体有可能长得较大，在500倍（或1000倍）金相显微镜下可看到粗针状马氏体即过热金相显微组织。
也可能是原材料碳化物带状严重或退火组织碳化物大小分布不均匀，以及退火组织中有细片状珠光体时，即使在正常的淬火工艺下，也容易在碳化物分布稀少或者颗粒细小处，马氏体长大的阻碍少，从而形成粗大针状马氏体。
在表面脱碳处，没有或只有少量的碳化物，阻碍马氏体长大的作用较小，在冷却条件较好时，马氏体也有机会长大，形成粗大针状马氏体。
（2）措施
合理选择淬火加热温度、加热时间。按材料标准选用，严格控制碳化物带状。提高退火质量，生产过程中密切注意炉温，如遇停电、设备故障等及时采取有效措施。
2.淬火欠热金相显微组织（屈氏体超标）
屈氏体是欠热或冷却不良产生的组织，是奥氏体在冷却过程中发生珠光体转变的产物，是极细的珠光体组织。轴承钢中出现的屈氏体，按金相形态分为块状屈氏体（见图4）、针状屈氏体（见图5）、针状和块状的混合组织（见图6）以及带状屈氏体（见图7）。
图4 金相显微组织有较大团块状屈氏体
图5 金相显微组织有明显针状屈氏体
图6 金相显微组织针状屈氏体与块状屈氏体混合
图7 金相显微组织带状屈氏体
屈氏体组织存在于淬火轴承钢中，会引起钢的硬度和强度的下降，对耐磨性和耐疲劳性也不利，并大大降低轴承钢的防锈性能。零件硬度合格但存在少量的针状、块状屈氏体符合《JB/T1255—2014 滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》标准规定的金相显微组织要求，但大块状和网状屈氏体超过了标准规定，是不合格组织，该组织可能导致零件硬度低，酸洗也容易发现软点。
（1）产生原因
块状屈氏体是由于加热不足（加热温度偏低或者保温时间短）产生的。就是说加热不足或者保温时间不够，使奥氏体合金化浓度低且不均匀，局部区域淬透性低，在正常冷却时该区域发生珠光体转变；针状屈氏体是冷却不良（淬火介质冷却速度不够）引起的。冷速不够，即使在正常加热下，钢中有部分区域未达到临界冷却速度；带状屈氏体是轴承钢原材料中带状碳化物引起并在贫碳区呈条带状分布的。
（2）措施
生产中若出现屈氏体，则要检查其金相显微组织，分析原因并采取相应的措施。如屈氏体为块状的，则要适当提高淬火加热温度，延长保温时间；若是针状屈氏体，则应加大冷却速度。若加热温度、保温、冷却皆正常又出现屈氏体，则要检查原材料问题、控温问题、设备故障等方面，及时找出原因并采取措施。
3.严重的网状碳化物
图8试样是采用4%硝酸酒精溶液深腐蚀后显示的严重网状碳化物。此组织缺陷不是淬火过程中形成的，而是由轧、锻或退火不当形成的，只是在淬火后检查才发现。
图8 网状碳化物
（1）产生原因
网状碳化物将增大钢中化学成分的不均匀性，在热处理淬火时易造成很大的组织应力，导致零件的变形及开裂。网状碳化物的存在大大削弱了基体晶粒间的联系，使钢材的力学性能、尤其是冲击性能降低，且随着网状碳化物级别的增大，冲击性能则不断降低。网状碳化物对抗弯强度和抗拉强度也有着显著的影响。另外，随着钢材中网状碳化物级别的增加，接触疲劳强度降低，存在有粗大网状碳化物的纵向试样的接触疲劳强度约降低30％。网状碳化物级别每增高一级，零件的使用寿命降低约1/3。
严重的网状碳化物在随后的球化退火过程中无法将其消除，只有通过正火工艺才能消除或改善网状碳化物的组织。如果网状碳化物较轻，在球化退火过程中部分网络可以断开，而且可以被球化。但造成碳化物的颗粒较大和球化退火组织中的碳化物颗粒不均匀。
（2）措施
严格控制轴承钢原材料存在的网状碳化物，使其网状碳化物级别不能超过《GB/T18254—2016 高碳铬轴承钢》标准规定的级别。控制轴承锻件锻造加工过程中的冷却速度，避免因冷速过慢产生网状碳化物，必要时采用风冷方式，加快锻件的冷却速度，防止产生网状碳化物。
4.结语
以上对高碳铬轴承钢零件淬火后产生的显微组织主要缺陷产生原因进行了深入的分析，并针对性地提出预防纠正措施，期望对提高高碳铬轴承钢零件淬火质量期望起到抛砖引玉的作用。在生产实践中情况十分复杂，必须对不同的情况做具体的分析，只有这样才能保证高碳铬轴承钢零件淬火的质量，为轴承产品的内在质量提供可靠保证。
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