2013年第4期南钢科技与管理11
轴承钢GCr15球化退火工艺研究
李
康
1
赵林
1
侯群峰
1
邱军华
2
(1．棒材厂2．研发中心)
摘要:对轴承钢GCr15在球化退火过程中各工艺参数对组织演变规律的影响进行了系统的试验研究。分析
以制定一种合理的球化退火工艺，使其球化退火级别达到国标规定工艺参数对球化退火组织演变规律的影响，提升产品档次。的2～4级，
关键词:轴承钢球化退火工艺球化级别
StudyonSpheroidizingAnnealingProcessofBearingSteelGCr15
LiKang1
ZhaoLin1
HouQunfeng1
QiuJunhua2
（1．SteelBarPlant2．NewProductDevelopment＆ApplicationCenter）
Abstract：TheeffectofprocessparametersduringspheroidizingannealingonmicrostructureofbearingsteelGCr15isstudied．Bytesting，suitablespheroidizingannealingprocesscanbecarriedout．Thespheroidizingannealinggradecanreach2～4stipulatedinnationalstandard，whichhasupgradedtheproduct．Keywords：bearingsteel；spheroidizingannealingprocess；spheroidizinggrade
引言
GCr15轴承钢碳含量在1．0%左右，Cr的含量在1．5%左右，是一种合金含量少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢。
GCr15经热轧或锻造后，得到的是细片状珠光体组织（索氏体），硬度较高，达255～340HBS，对于难以进行加工，故供切削加工和冷加工的用户来说，
需要进行一次球化退火，以降低硬度，同时也为淬火作好组织上的准备
［1，2］
以提升产品档次。规定的2～4级，
11．1
球化退火工艺试验试验材料
试验材料为棒材厂中型线生产的GCr15轴承
钢，规格为mm。其化学成分如表1。
表1成分标准目标
GCr15钢的化学成分（质量分数，%）C
Si
Mn
Cr
Mo≤
P≤
S≤
。
我厂生产的轴承钢GCr15为热轧状态交货，主要供热压力加工用（如制作轴承套圈），属于较低水平档次的轴承钢。为了形成品牌效应，适应轴承钢棒材厂进行高档次轴承钢的开发，高端市场的需求，
对轴承钢进行球化退火试验，目的是制定一种合理的球化退火工艺，使其球化退火级别达到国家标准
下限0．950．150．251．40
上限1．050．350．451．650．100．0250．025
1．000．250．351．520．060．0150．010
试验设备为棒材厂4#补热台车式退火电阻炉，炉膛尺寸11．8m×4．9m×2．0m；用热电偶控温，在炉内侧墙上装有10支热电偶，炉膛内置气流导流装
12南钢科技与管理2013年第4期
置和搅拌风机，以保证炉膛气氛温度均匀；用ZEISS型金相显微镜及图像分析系统观察金相显微组织，作为工件球化效果的定量指标。
未加入保护钢表面氧化烧损效果图。由图可看出，气体轴承钢表面氧化严重
。
1．2
1．2．1
球化退火试验方案
第一次试验方案
第一次工艺曲线严格遵循了退火工艺的三要即加热温度、保温时间和冷却速度。将GCr15钢素，
加热到800±10℃，保温6h，然后以20℃/h的冷速冷却到720±10℃，保温2h，随炉冷至500℃出炉空退冷。第一次退火工艺如图1所示。此次试验时，火炉内无保护气体
。
图3
退火后轴承钢(未加入保护气体)
轴承钢通过第一次球化退火试验后，得到的显微组织如图4所示。
图4（a）为轴承钢边部球化组织，其组织为片层状珠光体组织和少量的点状珠光体，分布不均，球化级别为＜1．0级。由图可知，片层状珠光体绝大部分分布于0．18mm表层，由于没有通入保护气体，表层出现明显的脱碳层。脱碳层中片状珠光体的出现，
图1第一次球化退火工艺示意图
是因为脱碳造成表面碳含量降低，使得在缓冷时共析渗碳体球化所需的碳化物核心减少，从而产生片状珠光体。
图4（b）为轴承钢心部球化组织，由图可知，其点粒状珠光体以及极少部分棒组织为球状珠光体、
状珠光体，球化级别为2．0级，球化组织很不均匀，说明球化转变时间还不充分
。
1．2．2第二次试验方案
第二次与第一次相比，多了一个均温阶段，工艺为：将GCr15钢加热到600±20℃均温5h，再加热以30℃/h的速度降到720到800±10℃保温10h，
±10℃，保温11h，随炉冷至550℃出炉空冷。第二加入保护次试验方案如图2所示。第二次试验时，气体氮气
。
(a)边部球化组织(b)心部球化组织
图2
第二次球化退火工艺示意图
图4
球化退火后组织(第一次试验)
2．2
22．1
试验结果与分析第一次试验结果
图3为球化退火过程中无保护气体工况下轴承
第二次试验结果
图5为球化退火过程中加入保护气体工况下轴
在退火炉内加入承钢表面氧化烧损效果图。可见，
保护气体，钢材表面只发生了轻微的氧化。试验使
南钢科技与管理用的保护气体为氮气，氮气属于惰性气体，不会与氧气发生反应，在压力作用下，氮气将容器内的氧化性气氛驱赶、稀释掉，达到钢材尽量少与氧气接触的目的。对于氮气保护而言，需要将炉内原有氧气尽量驱逐，否则很难达到保护的目的。
由图3和图5对比，可知，在球化退火过程中加入保护气体，可有效改善轴承钢表层氧化烧损
。
组织为珠光体（铁素体和渗碳体组成的片层状混合Cr）3C。该钢种临界转变组织）和二次碳化物（Fe，
点Ac1采用经验公式Ac1=723－10．7Mn－16．9Ni+29．1Si+16．9Cr+290As［5］计算得752℃，当加热温常规情况下选800℃左右，部分珠光度高于Ac1时，
体会溶入奥氏体，但部分未溶解，而这些大量未溶解的碳化物质点则成为缓冷时碳化物析出的非自发核或由不均匀的奥氏体中的富碳区产生新的碳化心，
物核心，冷却过程中碳化物形成稳定的晶核，并在缓得到均匀分布冷过程中或等温过程中按球形长大，的点、球状珠光体
［6］
。但在冷却过程中，仍有一部分
渗碳体是不可避免的以片状方式生成，形成片状碳化物。其中，尺寸很小的细片状碳化物只作为中间产物存在，随后会溶解并析集到邻近的稳定的球状
图5
退火后轴承钢(加入保护气体)
在碳化物上。而其中部分尺寸较大的片状碳化物，等温过程中，会发生破碎、碎片的变圆和粗化
［2］
轴承钢通过第二次球化退火试验后，得到的显微组织如图6所示。
图6（a）为边部球化组织，其组织为球状珠光体球化级别为3．0级。这是因为和少量片状珠光体，
虽然在球化过程中通入保护气体，但仍会在表层产生微量脱碳，使球化核心减少，在冷却过程产生极少量片状珠光体。
图6（b）为轴承钢心部球化组织，为细化饱满的且分布均匀，球化级别为3．0级
。球状珠光体，
，逐
渐形成更稳定的球状碳化物。在此等温阶段，片状珠光体向粒状珠光体转变的过程，是个自发的过程，这是因为片状珠光体具有较高的表面能，转变为粒状后能量（表面能）降低
［4］
。
加热温度的选择对于轴承钢球化退火后组织的影响十分重要。若加热温度低，为欠热退火组织，只有二次碳化物的断裂而不呈球化，基底珠光体多以片状形式出现，或呈棒锤状珠光体。若加热温度太高，保温时间过长，其球化退火组织中便出现变形的大颗粒碳化物和少量片状珠光体。这是由于奥氏体化温度过高、时间过长，使局部地区奥氏体成分均匀化
［3］
，从而决定冷却后珠光体的形态呈片状出现。保温时间的长短在球化过程中占据重要位置，
(a)边部球化组织(b)心部球化组织图6
球化退火后组织(第二次试验)
直接影响球化效果的好坏。图4（b）中由于保温时冷却过程析出的片状珠光体未能完全溶解破间短，
断，而生成棒状珠光体。
第二次试验与第一次相比，在加热到800℃之(下转第17页)在600±20℃停滞保温一段时间，前，
2．3试验结果分析
球粒状珠光体的形成，是形核、长大的过程。
GCr15钢属于过共析钢，热轧状态下室温时的平衡
南钢科技与管理
经济上合理的目的。3．2
即每吨矿成本上升0．0521元，而生石灰的单价为284．7元/t，2012年平均吨矿单耗84．5kg，吨矿总的费用支出为24．057元。石灰石单价为74．13元/t，吨矿生石灰单耗从84．5kg降低到70．45kg，差值为14．05kg，需用20．075kg石灰石取代，即吨矿的费用支出价差为2．511元。考虑到焦粉单耗上升后引起的费用支出，电耗上升费用支出，则熔剂结构优化后，吨矿可降低成本2．27元。按年产660万t计算，每年的降成本效益为1498万元。
在进行钙质替换过程中，用石灰石替代部分生
石灰，虽然引起焦粉单耗上升0．15kg/t，电耗上升0．881t/kW．h．t，但因石灰石价格便宜，可获得巨大的经济效益。因此，石灰石替代部分生石灰是针对生石灰使用比例较高的厂家有较大的指导意义。再者优质的生石灰虽然价格较高但生产使用量下降，这也是生石灰消耗量下降的另外一个途径。
参考文献：
3
3．1
结论
在烧结生产中，合理的熔剂结构应该是生石灰
［1］代汝昌．烧结生产用熔剂结构优化的工业试验．山2004（2）：40－42．东冶金，
（钙质熔剂）与石灰石相搭配，可以达到技术上可行、
(上接第13页)这样，可在温度不太高的条件下，出现大量二次领先相，然后再升温使领先相长大。以后的冷却在720℃保温一段时间，目的是为了保证残留的奥氏体在共析转变充分转变，这样就可得到优质的退火球化组织。如果仅有800℃的球化退火温度而没有600℃的预先创造大量核心，就会只有二次碳化物的破断但难以成球形，使其球化退火后的组织呈细颗粒状分布。
3）在升温到800℃之前，加一个停滞保温阶段，预先创造大量核心，球化效果会更好。
4）球化退火时加入保护气体，可减少表层氧化脱碳，提高球化级别。
参考文献：
［1］王洪霞．GCr15钢球化退火新工艺的研究［J］．2011：26－29．盐城工学院学报（自然科学版），
［2］戴伟．GCr15钢球化退火工艺设计［J］．武汉理
3结论
1）加热温度的选择对于轴承钢球化退火后组织
2002（2）：930－931．工大学学报，
［3］侯福生，盛志刚，王朝义，等．轴承钢球化退火组J］．黑龙江冶金，2001：12－16．织试验研究［
［4］王永红，李壮，张金明．超快速冷却对轴承钢球J］．热加工工艺，2010，39（10）：169－171．化退火的影响［
［5］干勇，M］．化学等主编．钢铁材料手册（下册）［2009：18．工业出版社，
［6］钟顺思，．冶金工业出王昌生主编．轴承钢［M］2000：53－57．版社，
的影响十分重要。本实验中球化退火工艺加热温度选择在800℃是较合理的。
2）保温时间的长短在球化过程中占据重要位置，直接影响球化效果的好坏。保温时间少，冷却过程析出的片状珠光体未能完全溶解破断，而生成棒状珠光体。
2013年第4期南钢科技与管理11
轴承钢GCr15球化退火工艺研究
李
康
1
赵林
1
侯群峰
1
邱军华
2
(1．棒材厂2．研发中心)
摘要:对轴承钢GCr15在球化退火过程中各工艺参数对组织演变规律的影响进行了系统的试验研究。分析
以制定一种合理的球化退火工艺，使其球化退火级别达到国标规定工艺参数对球化退火组织演变规律的影响，提升产品档次。的2～4级，
关键词:轴承钢球化退火工艺球化级别
StudyonSpheroidizingAnnealingProcessofBearingSteelGCr15
LiKang1
ZhaoLin1
HouQunfeng1
QiuJunhua2
（1．SteelBarPlant2．NewProductDevelopment＆ApplicationCenter）
Abstract：TheeffectofprocessparametersduringspheroidizingannealingonmicrostructureofbearingsteelGCr15isstudied．Bytesting，suitablespheroidizingannealingprocesscanbecarriedout．Thespheroidizingannealinggradecanreach2～4stipulatedinnationalstandard，whichhasupgradedtheproduct．Keywords：bearingsteel；spheroidizingannealingprocess；spheroidizinggrade
引言
GCr15轴承钢碳含量在1．0%左右，Cr的含量在1．5%左右，是一种合金含量少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢。
GCr15经热轧或锻造后，得到的是细片状珠光体组织（索氏体），硬度较高，达255～340HBS，对于难以进行加工，故供切削加工和冷加工的用户来说，
需要进行一次球化退火，以降低硬度，同时也为淬火作好组织上的准备
［1，2］
以提升产品档次。规定的2～4级，
11．1
球化退火工艺试验试验材料
试验材料为棒材厂中型线生产的GCr15轴承
钢，规格为mm。其化学成分如表1。
表1成分标准目标
GCr15钢的化学成分（质量分数，%）C
Si
Mn
Cr
Mo≤
P≤
S≤
。
我厂生产的轴承钢GCr15为热轧状态交货，主要供热压力加工用（如制作轴承套圈），属于较低水平档次的轴承钢。为了形成品牌效应，适应轴承钢棒材厂进行高档次轴承钢的开发，高端市场的需求，
对轴承钢进行球化退火试验，目的是制定一种合理的球化退火工艺，使其球化退火级别达到国家标准
下限0．950．150．251．40
上限1．050．350．451．650．100．0250．025
1．000．250．351．520．060．0150．010
试验设备为棒材厂4#补热台车式退火电阻炉，炉膛尺寸11．8m×4．9m×2．0m；用热电偶控温，在炉内侧墙上装有10支热电偶，炉膛内置气流导流装
12南钢科技与管理2013年第4期
置和搅拌风机，以保证炉膛气氛温度均匀；用ZEISS型金相显微镜及图像分析系统观察金相显微组织，作为工件球化效果的定量指标。
未加入保护钢表面氧化烧损效果图。由图可看出，气体轴承钢表面氧化严重
。
1．2
1．2．1
球化退火试验方案
第一次试验方案
第一次工艺曲线严格遵循了退火工艺的三要即加热温度、保温时间和冷却速度。将GCr15钢素，
加热到800±10℃，保温6h，然后以20℃/h的冷速冷却到720±10℃，保温2h，随炉冷至500℃出炉空退冷。第一次退火工艺如图1所示。此次试验时，火炉内无保护气体
。
图3
退火后轴承钢(未加入保护气体)
轴承钢通过第一次球化退火试验后，得到的显微组织如图4所示。
图4（a）为轴承钢边部球化组织，其组织为片层状珠光体组织和少量的点状珠光体，分布不均，球化级别为＜1．0级。由图可知，片层状珠光体绝大部分分布于0．18mm表层，由于没有通入保护气体，表层出现明显的脱碳层。脱碳层中片状珠光体的出现，
图1第一次球化退火工艺示意图
是因为脱碳造成表面碳含量降低，使得在缓冷时共析渗碳体球化所需的碳化物核心减少，从而产生片状珠光体。
图4（b）为轴承钢心部球化组织，由图可知，其点粒状珠光体以及极少部分棒组织为球状珠光体、
状珠光体，球化级别为2．0级，球化组织很不均匀，说明球化转变时间还不充分
。
1．2．2第二次试验方案
第二次与第一次相比，多了一个均温阶段，工艺为：将GCr15钢加热到600±20℃均温5h，再加热以30℃/h的速度降到720到800±10℃保温10h，
±10℃，保温11h，随炉冷至550℃出炉空冷。第二加入保护次试验方案如图2所示。第二次试验时，气体氮气
。
(a)边部球化组织(b)心部球化组织
图2
第二次球化退火工艺示意图
图4
球化退火后组织(第一次试验)
2．2
22．1
试验结果与分析第一次试验结果
图3为球化退火过程中无保护气体工况下轴承
第二次试验结果
图5为球化退火过程中加入保护气体工况下轴
在退火炉内加入承钢表面氧化烧损效果图。可见，
保护气体，钢材表面只发生了轻微的氧化。试验使
南钢科技与管理用的保护气体为氮气，氮气属于惰性气体，不会与氧气发生反应，在压力作用下，氮气将容器内的氧化性气氛驱赶、稀释掉，达到钢材尽量少与氧气接触的目的。对于氮气保护而言，需要将炉内原有氧气尽量驱逐，否则很难达到保护的目的。
由图3和图5对比，可知，在球化退火过程中加入保护气体，可有效改善轴承钢表层氧化烧损
。
组织为珠光体（铁素体和渗碳体组成的片层状混合Cr）3C。该钢种临界转变组织）和二次碳化物（Fe，
点Ac1采用经验公式Ac1=723－10．7Mn－16．9Ni+29．1Si+16．9Cr+290As［5］计算得752℃，当加热温常规情况下选800℃左右，部分珠光度高于Ac1时，
体会溶入奥氏体，但部分未溶解，而这些大量未溶解的碳化物质点则成为缓冷时碳化物析出的非自发核或由不均匀的奥氏体中的富碳区产生新的碳化心，
物核心，冷却过程中碳化物形成稳定的晶核，并在缓得到均匀分布冷过程中或等温过程中按球形长大，的点、球状珠光体
［6］
。但在冷却过程中，仍有一部分
渗碳体是不可避免的以片状方式生成，形成片状碳化物。其中，尺寸很小的细片状碳化物只作为中间产物存在，随后会溶解并析集到邻近的稳定的球状
图5
退火后轴承钢(加入保护气体)
在碳化物上。而其中部分尺寸较大的片状碳化物，等温过程中，会发生破碎、碎片的变圆和粗化
［2］
轴承钢通过第二次球化退火试验后，得到的显微组织如图6所示。
图6（a）为边部球化组织，其组织为球状珠光体球化级别为3．0级。这是因为和少量片状珠光体，
虽然在球化过程中通入保护气体，但仍会在表层产生微量脱碳，使球化核心减少，在冷却过程产生极少量片状珠光体。
图6（b）为轴承钢心部球化组织，为细化饱满的且分布均匀，球化级别为3．0级
。球状珠光体，
，逐
渐形成更稳定的球状碳化物。在此等温阶段，片状珠光体向粒状珠光体转变的过程，是个自发的过程，这是因为片状珠光体具有较高的表面能，转变为粒状后能量（表面能）降低
［4］
。
加热温度的选择对于轴承钢球化退火后组织的影响十分重要。若加热温度低，为欠热退火组织，只有二次碳化物的断裂而不呈球化，基底珠光体多以片状形式出现，或呈棒锤状珠光体。若加热温度太高，保温时间过长，其球化退火组织中便出现变形的大颗粒碳化物和少量片状珠光体。这是由于奥氏体化温度过高、时间过长，使局部地区奥氏体成分均匀化
［3］
，从而决定冷却后珠光体的形态呈片状出现。保温时间的长短在球化过程中占据重要位置，
(a)边部球化组织(b)心部球化组织图6
球化退火后组织(第二次试验)
直接影响球化效果的好坏。图4（b）中由于保温时冷却过程析出的片状珠光体未能完全溶解破间短，
断，而生成棒状珠光体。
第二次试验与第一次相比，在加热到800℃之(下转第17页)在600±20℃停滞保温一段时间，前，
2．3试验结果分析
球粒状珠光体的形成，是形核、长大的过程。
GCr15钢属于过共析钢，热轧状态下室温时的平衡
南钢科技与管理
经济上合理的目的。3．2
即每吨矿成本上升0．0521元，而生石灰的单价为284．7元/t，2012年平均吨矿单耗84．5kg，吨矿总的费用支出为24．057元。石灰石单价为74．13元/t，吨矿生石灰单耗从84．5kg降低到70．45kg，差值为14．05kg，需用20．075kg石灰石取代，即吨矿的费用支出价差为2．511元。考虑到焦粉单耗上升后引起的费用支出，电耗上升费用支出，则熔剂结构优化后，吨矿可降低成本2．27元。按年产660万t计算，每年的降成本效益为1498万元。
在进行钙质替换过程中，用石灰石替代部分生
石灰，虽然引起焦粉单耗上升0．15kg/t，电耗上升0．881t/kW．h．t，但因石灰石价格便宜，可获得巨大的经济效益。因此，石灰石替代部分生石灰是针对生石灰使用比例较高的厂家有较大的指导意义。再者优质的生石灰虽然价格较高但生产使用量下降，这也是生石灰消耗量下降的另外一个途径。
参考文献：
3
3．1
结论
在烧结生产中，合理的熔剂结构应该是生石灰
［1］代汝昌．烧结生产用熔剂结构优化的工业试验．山2004（2）：40－42．东冶金，
（钙质熔剂）与石灰石相搭配，可以达到技术上可行、
(上接第13页)这样，可在温度不太高的条件下，出现大量二次领先相，然后再升温使领先相长大。以后的冷却在720℃保温一段时间，目的是为了保证残留的奥氏体在共析转变充分转变，这样就可得到优质的退火球化组织。如果仅有800℃的球化退火温度而没有600℃的预先创造大量核心，就会只有二次碳化物的破断但难以成球形，使其球化退火后的组织呈细颗粒状分布。
3）在升温到800℃之前，加一个停滞保温阶段，预先创造大量核心，球化效果会更好。
4）球化退火时加入保护气体，可减少表层氧化脱碳，提高球化级别。
参考文献：
［1］王洪霞．GCr15钢球化退火新工艺的研究［J］．2011：26－29．盐城工学院学报（自然科学版），
［2］戴伟．GCr15钢球化退火工艺设计［J］．武汉理
3结论
1）加热温度的选择对于轴承钢球化退火后组织
2002（2）：930－931．工大学学报，
［3］侯福生，盛志刚，王朝义，等．轴承钢球化退火组J］．黑龙江冶金，2001：12－16．织试验研究［
［4］王永红，李壮，张金明．超快速冷却对轴承钢球J］．热加工工艺，2010，39（10）：169－171．化退火的影响［
［5］干勇，M］．化学等主编．钢铁材料手册（下册）［2009：18．工业出版社，
［6］钟顺思，．冶金工业出王昌生主编．轴承钢［M］2000：53－57．版社，
的影响十分重要。本实验中球化退火工艺加热温度选择在800℃是较合理的。
2）保温时间的长短在球化过程中占据重要位置，直接影响球化效果的好坏。保温时间少，冷却过程析出的片状珠光体未能完全溶解破断，而生成棒状珠光体。