屈氏体

铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物

通过奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物。是一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。钢经淬火后在300~450℃回火所得到的屈氏体称为回火屈氏体。

物质介绍

屈氏体也称托氏体。是350-500范围内奥氏体等温转变形成，片层间距平均小于0.1μm，即使在高倍光学显微镜下也无法分辨出片层，只有在电子显微镜下才能分辨出层片，与珠光体、索氏体只有粗细之分，并无本质之分。

在一般光学显微镜下，只能看到如墨菊状的黑色形态。当其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状；当其大量析出时，成大块黑状。屈氏体的耐蚀性较差。

形态和组织结构

屈氏体是铁素体与渗碳体组成的极细混合物, 极易被硝酸酒精腐蚀。为了便于观察屈氏体,采用2%的硝酸酒精对试样进行浅腐蚀后, 放置在1 000倍显微镜下观察, 可清楚地看到距工件表面0 ～ 0.070 mm有较多的细针状屈氏体, 含量大于1%, 而工艺要求表面屈氏体含量≤1%。根据其形态判断, 该类屈氏体属冷却不良所致。

同时, 在显微镜下还观察到网状的黑色组织,其上分布着剩余碳化物颗粒。仔细观察还发现黑色的网络状是沿奥氏体晶界形成的, 距试样表面深度约为0.020 mm, 采用2%的硝酸酒精进行浅腐蚀处理即可将其清晰地显示出来。

黑色组织的硬度

采用HVS-1000 型显微硬度计(试验力为3 N)对不同区域进行硬度检测, 结果表明, 表面黑色组织区域硬度明显低于马氏体区域的硬度。

从组织结构和硬度对比来看, 黑色组织是100Cr6钢在淬火时发生的扩散型相变产物, 其也是珠光体类型中的屈氏体。

超标原因分析

100Cr6钢和GCr15 钢的特性相近, 其恒温转变曲线上有2个奥氏体加速分解的阶段。第1 个阶段在650 ℃附近, 第2个阶段在450 ～ 480 ℃附近。第2个阶段(中温转变阶段)的奥氏体分解速度小于第1个阶段。100Cr6钢淬火是为了得到需要的马氏体组织, 在冷却过程中必须避免钢中有珠光体(屈氏体)形成, 因此在连续冷却时第1 个阶段的转变具有决定性的作用。奥氏体转变为马氏体的临界冷却速度取决于钢的成分, 当钢材成分确定时, 为避免淬火组织中屈氏体含量超标, 应从热处理工艺方面着手解决。

炉内气氛

根据样件检验结果, 该型号套圈表面有0.01 mm的渗碳层。增碳使100Cr6钢表层碳浓度提高, 碳与铬易形成含铬碳化物, 在高温下碳原子不断扩散深入100Cr6钢表层,处于稳定状态的奥氏体晶界面上的铬首先与碳结合成为碳化物, 从而使晶界面上铬浓度降低, 随着碳的扩散含铬碳化物也不断增多, 贫铬区域逐步由晶界面向晶粒内发展, 导致晶粒内贫铬, 即产生所谓的“增碳贫铬”现象。

合金元素铬具有明显的增大奥氏体稳定性的作用(特别是抑制奥氏体第1 个阶段分解的作用), 因此贫铬区域的过冷奥氏体就会变得不稳定, 加上钢中未溶的剩余碳化物进一步起到加速奥氏体分解的作用。所以, 淬火时“增碳贫铬”区域的过冷奥氏体就容易首先分解得到珠光体产物———屈氏体。由于距表面0.02 mm范围内贫铬最为严重, 故在该区域内就会大量出现珠光体形成网状黑色组织;而距表面0.02 ～ 0.07 mm, 因少量贫铬而出现针状屈氏体。为降低工件表面屈氏体含量, 就需要降低炉内碳势。

原工艺采用“ N2 +甲醇+丙烷”保护气氛加热。为降低炉内碳势, 关闭了丙烷, 只通“ N2 +甲醇”, 将氧势从1 000 降为950 (辊底炉选用氧势表)进行试验, 结果工件表面屈氏体含量明显降低, 且表面也没有再出现黑色组织。

淬火油槽搅拌速度

淬火油槽搅拌的作用是加快淬火油的流动, 缩短工件淬火过程中产生蒸气膜的时间, 增强冷却效果。100Cr6钢制工件表面的屈氏体超标, 是在一定的冷却条件下才发生的, 当改变淬火油槽搅拌速度时, 淬火后工件表面屈氏体的含量明显不同。

在下述试验中, 其他淬火参数不变, 将油槽搅拌速度设为25 Hz和45 Hz进行淬火。结果表明,搅拌速度25 Hz时淬火工件屈氏体含量较多, 而搅拌速度45 Hz时淬火工件屈氏体含量较少。

淬火油温度

我公司采用的等温淬火油适合于有效壁厚8 mm以下的轴承套圈淬火。同快速淬火油相比,等温淬火油更有利于控制套圈淬火变形量。等温淬火油的使用温度为80 ～ 140 ℃, 随着油温的升高, 等温淬火油的淬透性提高, 淬火工件表面屈氏体减少。

试验中其他工艺参数不变, 分别采用105 ℃和130 ℃的油温淬火。结果显示, 采用105 ℃油温淬火的工件表面和心部屈氏体含量都较高, 而采用130 ℃油温淬火的工件表面和心部屈氏体含量均较低。但油温过高会加快油品老化, 缩短淬火油使用寿命, 增加生产成本。

新工艺验证

通过以上分析和试验, 确定的新热处理工艺如表4所示。

采用此工艺进行处理并对淬、回火工件进行了检验, 结果表明, 淬火工件的表面屈氏体含量小于1%, 且其他质量指标也均能满足客户要求。

总结

由于屈氏体硬度低, 会直接影响到磨加工质量。若成品的工作面上还剩有屈氏体薄层, 则会造成轴承早期磨损, 甚至会导致轴承早期失效。因此, 100Cr6钢制轴承套圈在淬火加热过程中, 必须严格控制表层的屈氏体含量。