碳化物不均勻性的形成原因及消除方法

高碳鋼及高碳合金鋼中的碳化物常常表現(xiàn)出不均勻性，這種不均勻性主要表現(xiàn)為碳化物液析、碳化物帶狀和碳化物網(wǎng)狀。

1　碳化物液析

碳化物液析是液相中碳及合金元素富集而產(chǎn)生的亞穩(wěn)工晶萊氏體。熱加工時，碳化物液析被破碎成不規(guī)則的碎塊，沿壓延方向呈鏈狀或條狀分布，如圖1所示。

圖1 軸承鋼中的碳化物液析 100X

碳化物液析是由于熔煉時鋼液過熱、澆注溫度偏高、鋼錠冷卻太慢，以及鉻元素降低碳在奧氏體中的Z大固溶度的綜合結(jié)果。一般認為碳化物液析屬于三角晶系碳化物，硬度極高，它的存在會使軸承零件在熱處理過程中產(chǎn)生淬火裂紋；在使用過程中因表皮碳化物的剝落而降低耐磨性，處于內(nèi)部的液析碳化物會導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生而降低疲勞壽命。

2　碳化物帶狀

碳化物帶狀是鋼液在凝固過程中形成的結(jié)晶偏析（晶間偏析），造成碳高低濃度不同的偏析帶。

軋制延伸后，在冷卻過程中從高濃度區(qū)域析出大量過剩的二次碳化物，從而形成黑白（高低碳）相間的碳化物條帶組織，如圖2所示。

圖2 W18Cr4V鋼中的帶狀碳化物 100X

在鋼錠或鑄坯的Z后凝固區(qū)富集著大量的合金元素即硫、磷等雜質(zhì)，是非金屬夾雜物和碳化物Z為聚集的區(qū)域。冷卻過程中碳化物析出的總量和分布狀態(tài)，主要取決于原始偏析程度。隨著碳化物帶狀偏析的加劇，熱處理的裂紋敏感性增強，高低碳帶之間的顯微硬度差增大，影響接觸疲勞壽命。帶狀碳化物可根據(jù)GB/T 1299《合金工具鋼》評定。

3　碳化物網(wǎng)狀

碳化物網(wǎng)狀是在過共析鋼中沿奧氏體晶粒邊界析出的呈網(wǎng)絡(luò)狀分布的過剩二次碳化物，它與鋼的化學(xué)成分和偏析程度有關(guān)，和碳化物液析、碳化物帶狀不均勻性一樣是影響零件使用壽命的因素。碳化物網(wǎng)狀可根據(jù)GB/T 1298《碳素工具鋼》評定。

圖3 鋼中的網(wǎng)狀二次碳化物 400X

圖3所示為T12鋼完全退火的顯微組織，圖中深色片層狀是珠光體，其周圍的白色網(wǎng)狀是二次滲碳體。

綜上所述，高碳鋼和高碳高合金鋼中的碳化物不均勻性，實質(zhì)上是鋼液在冷卻過程中宏觀和微觀偏析的結(jié)果，三者之中以碳化物液析Z為有害。雖然碳化物液析在本質(zhì)上和成因上與非金屬夾雜物截然不同，但就其危害性而言，可把碳化物液析歸并到夾雜物的檢驗范疇。消除碳化物液析，從本質(zhì)上講就是要降低鋼中樹枝狀偏析的程度，使鋼中偏析Z嚴重的區(qū)域無法形成共晶萊氏體。

4　軸承鋼網(wǎng)狀碳化物的形成及危害

網(wǎng)狀碳化物是終軋溫度較高、軋后慢冷過程中在奧氏體晶界形成的。網(wǎng)狀碳化物一旦形成，尤其是碳化物完整地包圍晶界且又寬厚時，就會在以后的加工和使用過程中產(chǎn)生不良后果。首先，軸承鋼中嚴重的碳化物網(wǎng)狀并不能在以后的球化退火中完全消除，這樣，在軸承加工的研磨過程中就易產(chǎn)生磨削裂紋，也稱為龜裂；其次，如果碳化物網(wǎng)狀嚴重，不但球化退火不能消除，甚至在以后的淬火組織中仍有保留，在這種情況下很容易產(chǎn)生淬火裂紋，即使在淬火時沒有產(chǎn)生龜裂，在以后的使用過程中碳化物網(wǎng)狀也將容易引起疲勞裂紋。

軸承鋼中存在碳化物網(wǎng)狀組織時，將會增加鋼的脆性，降低軸承零件的疲勞壽命。因此，在使用狀態(tài)下的軸承鋼組織中不允許有嚴重的碳化物網(wǎng)狀組織存在。

5　消除碳化物網(wǎng)狀的方法

高碳鉻軸承鋼的含碳量較高，并且含有一定數(shù)量的碳化物形成元素。鋼液在凝固過程中，這些元素很容易發(fā)生偏析，導(dǎo)致鋼中的碳化物分布不均勻。

在生產(chǎn)過程中對消除碳化物網(wǎng)狀采取的措施如下：

1）在冶煉高碳鉻軸承鋼時，嚴格控制碳、鉻含量以達到要求。

2）在鋼錠的凝固過程中，應(yīng)降低鋼中樹枝狀偏析，降低碳化物的級別。

3）控制較低的終軋溫度，并加快軋后的冷卻速度，降低軸承鋼的碳化物級別。

隨著軋制技術(shù)的不斷發(fā)展，軋后冷卻的方法逐漸被廣泛應(yīng)用，即在降低終軋溫度的基礎(chǔ)上，軋后采用風(fēng)冷、噴水或讓鋼材通過水槽進行冷卻。實踐證明，終軋溫度低于850℃時，奧氏體晶粒細小，同時軋后快冷，防止了在奧氏體晶界上網(wǎng)狀碳化物的析出，整個組織為細片狀的珠光體，對于消除網(wǎng)狀碳化物?果較好。

6　結(jié)束語

和大家分享了碳化物不均勻的幾種形態(tài)形成原因及消除方法。這幾種缺陷組織，在高碳鋼和模具鋼中是很容易出現(xiàn)的，應(yīng)盡量避免。

（來源：熱處理）