摘要：临界区等温球化退火是实现高碳轴承钢中片状珠光体球化的主要热处理方式，其将片状珠光体转变为粒状珠光体，改善轴承件的可加工性及组织均匀性。研究了临界区等温球化退火工艺对低密度含Al轴承钢微观组织演化及硬度的影响。研究结果表明，轴承钢钢中高含量Al的添加可以提高临界区等温球化退火温度，缩短球化时间，将珠光体的硬度降低至300HV以下。但是，临界区等温球化保温过程中有石墨颗粒形成，石墨颗粒的产生虽然能够有效地降低球化后钢材硬度，但是部分石墨颗粒在最终的奥氏体化过程中难以溶解进入钢材基体，未溶解的石墨颗粒不仅增加了组织的不均匀性，而且降低了轴承钢硬度。所以，较长时间退火保温的临界区球化退火方式并不适用于低密度高碳高Al轴承钢。

　　关键词：低密度轴承钢；临界区等温球化退火；石墨；均匀性

　　前言： 高碳钢是制备具有高强度的轴承等结构材料的主要原材料，高碳轴承钢应用时的微观组织为马氏体，其高硬度及高强度能够满足轴承应用对耐磨性及滚动接触疲劳性能的要求。高强的马氏体难以实现结构件制备初期的机加工，所以为了获得良好的可加工性，通常采用球化退火的方式将高碳钢软化，降低其强度及硬度。高碳钢的铸态或轧态组织通常由片状珠光体及沿着原奥氏体晶界形成的网状碳化物组成，此组织结构的高硬度及强度主要由碳化物与铁素体的体积分数及强度决定。铁素体的强度由其晶粒尺寸、合金元素的固溶强化作用决定；碳化物对片状珠光体硬度的提升由其体积分数及片间距决定。

       球化退火处理是将片状珠光体转变为由粒状碳化物与铁素体组成的粒状珠光体，增加碳化物的颗粒间距，弱化其对位错的阻碍作用而降低硬度。临界区等温球化退火是实现珠光体球化的最常用的方式，其工艺过程是将钢材加热到Ac1以下某一温度，退火保温十几小时或者几十小时，保温结束后冷却到室温。等温球化退火的热力学驱动力源于温度的降低带来的碳化物与基体间的界面能降低，动力学驱动力源于碳化物与铁素体基体上因为不均匀的成分分布、不均匀的晶粒尺寸而产生的合金元素的扩散。临界区等温球化退火过程可以分为2个阶段：首先是片状结构因为温度变化产生界面能降低逐渐割断形成短棒状；接下来，细小碳化物颗粒逐渐聚集形成粒状碳化物。片状珠光体球化效率由元素的扩散速度及片间距决定。 

        近年来，含有质量分数为4%～8%Al的高强钢及超高强钢因具有良好的力学性能而逐渐受到关注。含有质量分数为4%Al的δ-TIRP钢具有良好的力学性能及焊接性能。含有质量分数为5%Al的“1.2C-1.5Cr-5Al”低密度轴承钢钢较常规的GCr15轴承钢具有更高硬度及更低密度。此外，Al的加入提高了共析温度从而提高了珠光体相变的过冷度，细化了珠光体片间距，片间距的细化能够缩短元素扩散的时间，有效提高片状珠光体的球化效率。易红亮等人研究了质量分数4%的Al对高碳钢球化效率的影响。研究结果表明，质量分数为4%Al的添加将临界区等温球化退火的保温时间由32 h降低至24 h，极大地提高了球化效率。

       但是，截止到目前为止，几乎所有含Al钢球化的研究工作都是针对单一碳化物球化所进行的。Al含量较低时，研究了Al质量分数的变化对C质量分数为0.78%～1.5%钢的片状渗碳体球化的影响；当Al质量分数较高时，研究了Al的加入对C质量分数为0.55%的κ-珠光体球化的影响。对于含有高质量分数C及Al，片状珠光体由θ-珠光体及κ珠光体组成的混合珠光体低密度钢的球化处理却鲜有研究。本文将研究临界区球化退火处理方式对低密度轴承钢球化的影响，以及球化处理对其最终硬化热处理之后获得的组织及性能的影响。

　　结语：

　　（1）“1.25C-5Al-1.5Cr”钢的实际奥氏体转变Ac1温度在800～810℃区间内，较热力学计算相图计算的相变开始温度高约20℃，以Ac1温度点设计等温球化退火工艺，经过临界区等温球化退火处理之后，片状珠光体转变为粒状珠光体。

　　（2）片状珠光体的等温球化效果随着退火温度的升高而增加。800℃下保温10h后获得了由铁素体及弥散分布在铁素体上的粒状渗碳体及粒状κ碳化物组成的粒状珠光体。钢材硬度由热轧态时的476HV20±3HV20降低至236HV20±2HV20。

　　（3）临界区等温球化退火过程中部分碳化物发生石分解形成石墨颗粒，石墨颗粒的尺寸范围是4～10μm，其体积分数随着退火温度升高而增加。等温球化过程中当退火温度由750℃升高至800℃时，石墨的体积分数由1%升高至3.5%。

　　（4）临界区等温球化退火过程中形成的石墨颗粒在最终奥氏体化热处理过程中不能完全溶解进入钢材基体中，奥氏体化保温淬火后仍然有体积分数约1.3%的未溶解石墨颗粒。含有石墨颗粒时钢材的淬火态硬度为61.9HRC±0.5HRC，较“1.2C-5Al-1.5Cr”钢无石墨颗粒存在时的淬火态硬度65.2HRC±0.4HRC低约3HRC。

                                                                                                                                          摘自：钢铁研究学报