摘  　要：主要研究了采用GCr15軸承鋼的出油閥座淬火后其表面產(chǎn)生的黑色組織，分析和探尋了黑色組織的本質(zhì)和成因，認(rèn)為：選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸸に嚲涂梢员苊夂谏M織的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高出油閥座的熱處理質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞：黑色組織；脫碳；增碳；冷卻

　　引　言

　　當(dāng)前無(wú)錫威孚集團(tuán)公司生產(chǎn)的柴油機(jī)泵體上有相當(dāng)一部分零件所用的材料是GCr15鋼，如出油閥座就是其中之一。出油閥座在平磨后表面經(jīng)常會(huì)有磨損現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致該種零件的疲勞強(qiáng)度和彈性極限降低，因此必需對(duì)出油閥座的材料GCr15鋼進(jìn)行了分析研究。

　　1　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

　　經(jīng)過(guò)對(duì)表面有磨損的出油閥座進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)金相組織中除了表面有黑色組織外其余的指標(biāo)都符合技術(shù)要求，為此，技術(shù)人員專門對(duì)軸承鋼黑色組織進(jìn)行了分析研究。

　　1.1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分

　　GCr15軸承鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1：

　　1.2 GCr15鋼表面黑色組織

　　1.2.1 伴隨脫碳層的黑色組織

　　淬火加熱中，當(dāng)GCr15鋼表面產(chǎn)生程度不同的脫碳時(shí)，淬火后(在一定的冷卻條件下)其表面會(huì)產(chǎn)生一層黑色組織。不同的生產(chǎn)批次，黑色組織的形態(tài)和深度有所不同。黑色組織輕微時(shí)只形成網(wǎng)絡(luò)狀，深度為幾十微米到幾百微米，嚴(yán)重時(shí)則形成層片狀+網(wǎng)絡(luò)狀，深度幾百微米。因黑色組織易受硝酸酒精腐蝕變黑，故采用淺腐蝕處理即可將其清楚地顯示出來(lái)(如圖1所示)。

　 
　圖1　GCr15鋼表面脫碳時(shí)的網(wǎng)狀黑色組織
(500×，4%硝酸酒精溶液腐蝕)

　 
圖2　GCr15表面增碳時(shí)的黑色組織
(500×，4%硝酸酒精溶液腐蝕)

　　1.2.2　伴隨增碳層的黑色組織

　　淬火加熱中，當(dāng)GCr15鋼表面產(chǎn)生不同程度的增碳時(shí)，淬火后(在一定的冷卻條件下)其表面產(chǎn)生一層黑色組織，其形態(tài)深度與受腐蝕程度和前述基本相同(如圖2所示)。

　　1.3　黑色組織的本質(zhì)

　　1.3.1　形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)

　　光學(xué)顯微鏡下觀察到的黑色組織具有網(wǎng)絡(luò)狀或?qū)悠瑺?網(wǎng)絡(luò)狀的形態(tài)，其上分布著剩余碳化物顆粒。黑色組織易受硝酸酒精腐蝕(相當(dāng)于淬火馬氏體)，黑色的網(wǎng)絡(luò)狀是沿奧氏體晶界形成的。從圖1，圖2可以看出，層片狀黑色組織正是由黑色的細(xì)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大變粗，幾個(gè)鄰近的網(wǎng)絡(luò)連接成小黑塊，再由小黑塊間彼此連接成層片狀而形成，所以黑色組織的形成經(jīng)歷了由網(wǎng)絡(luò)狀到小塊狀再到層片狀的發(fā)展過(guò)程。

　　1.3.2　硬度

　　黑色組織的硬度明顯低于馬氏體的硬度(如下表2所示)：

　　綜合上述分析可以證實(shí)，黑色組織是GCr15鋼在淬火時(shí)發(fā)生的擴(kuò)散型相變產(chǎn)物，它是珠光體類型中的屈氏體。

　　1.4　黑色組織的形成原因

　　GCr15鋼的恒溫轉(zhuǎn)變曲線上有2個(gè)奧氏體加速分解的階段[1]。第1階段在650℃附近，第2階段在450～480℃附近，第2階段(中溫轉(zhuǎn)變)的奧氏體分解速度小于第1階段的奧氏體分解速度。

　　GCr15鋼的淬火是為了得到需要的馬氏體淬火組織，在冷卻過(guò)程中必須制止鋼中有珠光體形成，因此在連續(xù)冷卻時(shí)第1階段的轉(zhuǎn)變具有決定性的作用。

　　抑制珠光體轉(zhuǎn)變的臨界速度取決于鋼的成分，首先取決于碳在固溶體中的濃度，淬火時(shí)臨界速度的大小隨固溶體中含碳量的多少而變化，當(dāng)GCr15鋼加熱時(shí)表面產(chǎn)生脫碳，則在脫碳區(qū)域內(nèi)固溶體的碳濃度相應(yīng)降低，此時(shí)GCr15鋼正常淬火的冷卻速度對(duì)于脫碳區(qū)域來(lái)說(shuō)已顯得過(guò)小，這個(gè)冷卻速度已不能制止珠光體的轉(zhuǎn)變。這部分碳濃度低的過(guò)冷奧氏體處于很不穩(wěn)定的狀態(tài)，在淬火時(shí)首先分解成珠光體產(chǎn)物(奧氏體高溫分解產(chǎn)物)，也就是臨界冷卻速度標(biāo)線與“C”曲線相交，而不脫碳的區(qū)域(奧氏體碳濃度較高)同樣的冷卻速度已能保證在淬火時(shí)發(fā)生馬氏體相變，而不使過(guò)冷奧氏體早期分解成珠光體。

　　由于奧氏體的晶界面處于能量較高的不穩(wěn)定狀態(tài)，碳濃度的貧化往往由晶界面發(fā)生并向晶內(nèi)擴(kuò)展，所以隨碳濃度的貧化程度由輕到重，淬火后出現(xiàn)的黑色組織也有網(wǎng)絡(luò)狀(晶界面)擴(kuò)展為層片狀(晶粒)。

　　1.5 GCr15鋼表面增碳時(shí)對(duì)黑色組織形成的影響

　　增碳使GCr15鋼表層碳濃度提高。鉻能使合金元素形成碳化物[2]，鉻與碳易形成含鉻碳化物，在高溫下碳原子不斷擴(kuò)散深入GCr15鋼表層，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體晶界面上的鉻首先與碳結(jié)合成為碳化物，從而使晶界面上的鉻濃度降低，隨著碳的擴(kuò)散含鉻碳化物也不斷增多，貧鉻區(qū)域逐步由晶界面向晶粒內(nèi)發(fā)展，導(dǎo)致晶粒內(nèi)的貧鉻，即所謂“增碳貧鉻”現(xiàn)象。

　　合金元素鉻具有明顯的增大過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性的作用(特別是抑制奧氏體第1階段分解的作用)，貧鉻區(qū)域過(guò)冷奧氏體變得不穩(wěn)定，鋼中未溶的剩余碳化物進(jìn)一步起到加速奧氏體分解的作用。所以當(dāng)淬火時(shí)“增碳貧鉻”區(qū)域首先分解得到珠光體產(chǎn)物。

　　1.6　冷卻條件對(duì)黑色組織形成的影響

　　GCr15鋼表層由于脫碳或增碳引起淬火時(shí)表層黑色組織的形成是需要在一定的冷卻條件下才會(huì)發(fā)生，當(dāng)改變冷卻條件使冷卻速度增大，淬火后即不致產(chǎn)生黑色組織。

　　技術(shù)人員做過(guò)下述試驗(yàn)：將加熱時(shí)脫碳或增碳的GCr15鋼試樣分別淬入油(10#或20#國(guó)產(chǎn)機(jī)械油)、硝鹽(50%的NaNO3+50%的KNO3)和水__3種冷卻介質(zhì)中。結(jié)果是油冷的試樣表層有較多的黑色組織，硝鹽冷卻的試樣表層黑色組織較少，水冷的試樣表層無(wú)黑色組織。

　　2　結(jié)束語(yǔ)

　　GCr15鋼在淬火加熱過(guò)程中，表層產(chǎn)生的黑色組織是GCr15鋼在淬火時(shí)發(fā)生擴(kuò)散型相變的產(chǎn)物，屬于珠光體型的屈氏體。由于這層屈氏體硬度低，這就直接影響到磨加工質(zhì)量。若成品的工作面上還剩有屈氏體薄層，則會(huì)造成早期磨損，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。

　　針對(duì)不同的GCr15鋼淬火工藝(鹽爐加熱或保護(hù)氣體爐加熱)，正確控制爐內(nèi)碳勢(shì)，避免加熱過(guò)程中產(chǎn)生的脫碳或增碳，選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)(保證足夠的冷卻能力)，在淬火過(guò)程中是可以避免黑色組織的產(chǎn)生，從而達(dá)到進(jìn)一步穩(wěn)定和提高GCr15鋼熱處理質(zhì)量的目的的。