球化退火之影響碳化物球化的因素

球化退火的目的，我們都知道是希望獲得球狀珠光體，以便于工件冷整型或者為了減少最終熱處理時(shí)的變形趨勢(shì)。而球化退火工藝常用的有一次球化退火、等溫球化退火和循環(huán)球化退火，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

      本期文章主要和大家分享幾點(diǎn)影響鋼中碳化物球化的因素，以便于我們能夠深入的理解球化退火工藝。

      碳對(duì)鋼中碳化物球化具有重要影響。一般而言，鋼中含碳越高、碳化物數(shù)量越多，可在較寬的奧氏體化溫度范圍內(nèi)加熱并易于球化。高碳鋼較低碳鋼更容易獲得球狀珠光體，此點(diǎn)也可通過下列實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明。

圖1 不同含碳量鋼循環(huán)球化退火的效果

○-一次循環(huán)；△-二次循環(huán)；□-三次循環(huán)

      圖1是不同含碳量的鋼循環(huán)球化退火次數(shù)對(duì)球化后硬度的影響。先將試樣在950℃或850℃奧氏體化后，再快冷到700℃，保溫一定時(shí)間，再重新加熱到760℃，停留，作為一個(gè)循環(huán)周期，冷速控制在1℃/min。經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)退火后，從硬度的變化可以明顯看出，含碳量大于0.80%時(shí)，一次循環(huán)退火與三次循環(huán)退火的效果比較接近，說明高碳鋼更容易實(shí)現(xiàn)碳化物的球狀化。

     合金元素對(duì)碳化物球化過程影響的規(guī)律比較復(fù)雜，因?yàn)楹辖鹪兀ㄌ貏e是形成碳化物的合金元素）將影響碳化物的成分、結(jié)構(gòu)，和在奧氏體中的溶解度，碳在鋼中的擴(kuò)散以及合金元素本身的再分配等過程，從而對(duì)球化過程發(fā)生復(fù)雜影響。

      在含有合金元素硅、鎳、錳、鉻、銅、鋁、鉬、鈷、釩、鎢（含量0.5-2%）的過共析鋼（含碳0.9-1.0%）中，對(duì)碳化物球化的一般規(guī)律研究表明，鋼中若沒有碳化物形成元素，則球化較快；反之，加入碳化物形成元素將使球化變慢。其阻礙作用的程度與合金元素形成碳化物的強(qiáng)烈程度成正比。顯然，減慢作用首先是由于合金元素本身在奧氏體中的擴(kuò)散激活能較高；其次，它們將降低碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。

     球化退火前原始組織的類型、晶粒粗細(xì)、以及自由鐵素體、碳化物的大小、形狀、數(shù)量和分布等均顯著影響球化過程。

      淬火馬氏體是均勻的過飽和固溶體，在A₁以下的較高溫度回火時(shí)將使碳化物析出，并聚集長(zhǎng)大而獲得球狀碳化物。在這種狀態(tài)下，球化速度比較快，而且球化組織均勻。當(dāng)采用緩慢冷卻法進(jìn)行球化退火時(shí)，球化退火的效果與原始組織有很大關(guān)系，如亞共析鋼原始組織為大塊狀鐵素體與珠光體的混合組織，經(jīng)過緩冷球化退火后，在組織中碳化物分布極不均勻。

      增加循環(huán)退火的次數(shù)可使晶粒細(xì)化，并使亞共析鋼碳化物分布有所改善。原始組織為貝氏體、屈氏體時(shí)，則比粗片狀珠光體容易獲得均勻細(xì)小的球狀碳化物。

圖2 含碳1.2%鋼的球化退火組織

左邊——球化不完全，二次滲碳體仍呈網(wǎng)狀斷續(xù)分布；右邊——球化不均勻，二次滲碳體呈塊狀分布

      過共析鋼中的二次碳化物呈網(wǎng)狀存在時(shí)很難球化（如圖2所示）。為了消除網(wǎng)狀碳化物，可在球化退火前進(jìn)行一次正火處理或高溫固溶處理。球化處理后的組織見圖3所示。

圖3 含碳1.2%鋼的球化退火組織

左邊——正火+球化退火，二次滲碳體已呈顆粒狀；右邊——＞A_cm高溫固溶處理，＜A₁高溫回火，完全均勻的球化組織

     原始組織若經(jīng)過冷變形、溫鍛形變加工，將顯著促進(jìn)球狀碳化物的形成。

提高加熱溫度及延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可增加碳化物在鋼中固溶度，殘余碳化物減少，有可能導(dǎo)致形成層狀珠光體。因此，若采用緩冷，等溫退火或循環(huán)退火等球化工藝時(shí)，務(wù)必嚴(yán)格控制奧氏體化溫度使其在最適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

圖4 含碳1.06%、含鉻1.40%鋼，930℃正火后在不同溫度下奧氏體化，進(jìn)行等溫球化退火時(shí)，球狀珠光體可能形成的溫度范圍

圖4表示含碳量1.06%、含鉻量1.40%的軸承鋼，經(jīng)930℃正火，再在不同奧氏體化溫度加熱并過冷到不同溫度進(jìn)行等溫球化退火對(duì)珠光體組織形態(tài)的影響?？梢钥闯?，奧氏體化溫度從760℃提高到840℃時(shí)將全部得到層狀珠光體。

      不同含碳量的碳鋼合適的球化溫度見圖5。虛線部分是推薦的球化溫度范圍。鋼的含碳量愈高，允許的球化加熱溫度范圍愈寬。

圖5 含碳量與最佳球化溫度范圍的關(guān)系

      若采用＜A₁溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫的球化退火，升高球化溫度，則球化速度可增加，特別當(dāng)原始組織是馬氏體或貝氏體時(shí)尤為顯著。片狀珠光體在＜A₁溫度長(zhǎng)期保溫進(jìn)行球化，則較上述組織要困難得多，除非經(jīng)過冷加工形變使片狀碳化物預(yù)先碎化。

圖6 含碳0.89%的鋼，球化退火時(shí)間與退火后硬度的關(guān)系（在600-700℃不同溫度下等溫）

      圖6是含碳0.89%鋼在不同球化溫度下球化退火時(shí)間與退火后硬度的關(guān)系。當(dāng)球化溫度一定時(shí)，球化退火時(shí)間過長(zhǎng)，碳化物粒度變粗，硬度下降；相同的球化時(shí)間，球化溫度低的硬度較高。

用緩冷法進(jìn)行球化退火時(shí)，冷卻速度是能否得到球化組織的重要因素之一。由于冷卻速度決定了過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度A_r1。冷速快，轉(zhuǎn)變溫度低，此時(shí)碳及鐵原子的擴(kuò)散就更加困難，從而使碳化物球化時(shí)的臨界擴(kuò)散距離減少。相關(guān)文獻(xiàn)指出，在鋼中也存在著形成球狀-層狀（板狀、桿狀）碳化物的臨界冷速。奧氏體化溫度升高時(shí)，該臨界冷速減小，使球化更加困難。在工業(yè)上采用的緩冷球化退火的冷速控制在10-20℃/h之間。

圖7 含碳0.99%、鉻1.40%鋼，在冷卻過程中碳化物尺寸的變化（780℃加熱5h，10-100℃/h冷速冷卻到上述橫坐標(biāo)指示溫度）

      緩冷球化退火工藝的冷卻速度還影響到球狀碳化物形成的尺寸。圖7的橫坐標(biāo)表示冷卻到的溫度，縱坐標(biāo)表示碳化物粒子尺寸（直徑）。隨冷卻速度逐步下降，碳化物粒子尺寸逐漸增大，特別是在740-720℃之間長(zhǎng)大最快。當(dāng)冷卻到小于680-700℃時(shí)長(zhǎng)大趨于平衡。在曲線上表明的是不同冷速的數(shù)字。碳化物粒子尺寸依冷卻速度增加而減小，這顯然是由于在快冷時(shí)擴(kuò)散收到抑制的結(jié)果。

      層狀珠光體經(jīng)過塑性變形可以加速球化過程。表1是用含碳0.8%碳鋼在1040℃奧氏體化后，再經(jīng)過700℃4小時(shí)的等溫退火獲得層狀珠光體組織，然后在室溫下進(jìn)行20%、40%、50%的冷加工變形使層狀珠光體碎化，并分別在600℃、650℃、700℃進(jìn)行球化退火，用球化率（e）達(dá)到95%時(shí)所需的時(shí)間表示。可以看出增加形變度及提高退火溫度，均提高球化速度。