1 引言
鋼珠的主要失效方式是接觸疲勞剝落，但現(xiàn)行的鋼珠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)卻只檢查其壓碎負(fù)荷的大小和硬度，而對(duì)鋼珠的接觸疲勞性能卻未作要求。以自行車鋼珠為例，壓碎負(fù)荷國(guó)標(biāo)為15 500N，部?jī)?yōu)為16 700N，硬度為HRC60～65。生產(chǎn)廠家為了達(dá)到對(duì)壓碎負(fù)荷的高標(biāo)準(zhǔn)要求，均按高溫滲碳、降溫淬火工藝(以下稱原工藝)進(jìn)行生產(chǎn)(圖1)，鋼珠的滲層厚度達(dá)到了1.2～1.4mm。如此厚的滲層，雖使壓碎負(fù)荷達(dá)到了要求，但對(duì)鋼珠的接觸疲勞性能影響如何，尚屬未知。另外由于該工藝采用的是高溫滲碳、降溫淬火，不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高，而且滲層中還析出了不均勻的網(wǎng)狀碳化物，心部析出鐵素體，不利于接觸疲勞性能的提高。
本文將研究在不降低鋼珠壓碎負(fù)荷的前提下，提出新工藝，盡可能提高其疲勞性能，降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。其次將研究盡量采用較低的滲碳溫度，以提高爐罐壽命(因?yàn)樯a(chǎn)所用的滲碳罐是由鋼板焊接而成，滲碳溫度的變化對(duì)其壽命影響很顯著)。
2 研究項(xiàng)目及方法
2.1研究項(xiàng)目
(1)在不同溫度(9000C，9050C，9100C，9200C)對(duì)鋼珠滲碳直接淬火，考查其裂紋傾向。
(2)測(cè)定滲層厚度——滲碳溫度、滲碳時(shí)間的關(guān)系。
(3)滲碳溫度及滲碳深度對(duì)抗壓碎負(fù)荷的影響。
(4)煤油滴量對(duì)壓碎負(fù)荷的影響。
(5)在優(yōu)選溫度下，滲碳層深度對(duì)接觸疲勞性能的影響。
(6)通過上述研究，提出有利于鋼珠質(zhì)量提高、成本降低的新工藝。
2.2試驗(yàn)材料及試樣
試驗(yàn)材料為15號(hào)鋼，其化學(xué)成分為：0.15%C，0.15%Si，0.40%Mn，0.03%S，0.02%P。試樣為該材料加工成型的Ф6鋼珠。
2.3研究方法及設(shè)備
(1)滲碳采用RTS-45-12滾筒式氣體滲碳爐。
(2)采用VWPL型萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)三個(gè)鋼珠進(jìn)行壓碎試驗(yàn)，以平均壓碎值為準(zhǔn)。
(3)接觸疲勞測(cè)定采用KG型疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載200kg，轉(zhuǎn)速2200r/min，每次9粒，滾動(dòng)磨損，以出現(xiàn)針狀麻點(diǎn)為失效標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)檢查1h為合格。 (4)用JXA840掃描電鏡分析斷口。
(5)滲碳層濃度測(cè)定采用Y——2型x射線分析儀。
3 驗(yàn)結(jié)果分析
3.1滲碳后直接淬火的鋼珠的裂紋傾向
對(duì)不同溫度下滲碳后直接淬火的鋼珠及原工藝未淬火的鋼珠分別進(jìn)行酸洗，檢查其裂紋情況，結(jié)果見表1。
表1不同滲碳溫度對(duì)裂紋傾向的影響
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處理?xiàng)l件(0 C)
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900
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905
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910
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915
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920
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930
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原工藝未淬火
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百粒裂紋數(shù)(個(gè))
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7
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7
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8
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6
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6
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5
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7
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可見，裂紋個(gè)數(shù)均在5%～8%之間。裂紋形狀、寬度、深度基本一致。這說明裂紋是在軋球過程中產(chǎn)生的，而非淬火產(chǎn)生的，因而采用直接淬火方式應(yīng)是可行的。
3.2 滲碳溫度及滲碳時(shí)間對(duì)滲層厚度的影響
對(duì)于采用不同溫度(9000C，9050C，9100C，9150C，9200C，9300C)、不同滲碳時(shí)間(2.5h，3h，3.5h，4.5h)處理的試樣，測(cè)量其滲碳深度，部分結(jié)果見表2。
表2滲碳溫度、滲碳時(shí)間與滲碳層厚度的關(guān)系
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2.5h
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3.5h
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4.5h
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900℃
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0.55mm
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0.75mm
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0.9mm
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930℃
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0.73mm
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0.93mm
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1.1mm
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由此得出結(jié)論：在同一溫度曲線，開始滲碳速度(V始)較大，隨時(shí)間的增加，滲碳速度(V)下降，滲層隨時(shí)間增加而加厚。現(xiàn)對(duì)此分析。
眾所周知，在滲碳過程中，滲碳速度受煤油的分解、活性碳原子的吸收及碳原子的擴(kuò)散三方面的影響。
(1)煤油的分解溫度在8750C左右，在高于9000C的溫度下，它分解比較完全，可能認(rèn)為不受溫度和時(shí)間的影響。
(2)活性碳原子的吸附主要與滲入鋼中的成分和活性碳原子的析出速度有關(guān)。所以滲速主要取決于擴(kuò)散過程。
(3)根據(jù)菲克第一定律，提高滲層表面的濃度梯度是加快滲速的重要途徑。在滲碳的初始階段，化學(xué)吸附了大量的活性碳原子，被貧碳表面強(qiáng)裂吸附，因此鋼的滲層主要由滲層最外層的高濃度梯度所形成，產(chǎn)生了很高的碳濃度梯度。所以剛開始滲碳階段，滲速比較大，隨碳原子的滲入，碳濃度梯度逐漸下降，這樣，滲速也就減慢。
(4)在同一滲碳的時(shí)間下隨溫度的升高，滲層增厚。這是由于隨溫度的升高，活性碳原子的活性提高，因此擴(kuò)散速度也提高了。因此，滲層深度隨滲碳時(shí)間的增加而增加，隨滲碳溫度的升高而加深，但滲速隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減慢。
3.3 滲碳溫度、滲層厚度對(duì)抗壓負(fù)荷的影響
對(duì)不同滲碳溫度及不同滲碳層深的試樣進(jìn)行壓碎試驗(yàn)，測(cè)其抗壓碎值，得到以下結(jié)論：滲碳溫度下降，碳層變薄，但其抗壓碎值不下降。
出現(xiàn)這種情況的原因是滲碳淬火鋼珠的抗壓碎負(fù)荷取決于滲層(厚度及濃度梯度)和心部?jī)刹糠值膹?qiáng)度。采取較低溫度(9150C)薄層(0.8mm)滲碳直接淬火，一方面表層獲得了較細(xì)的馬氏體組織，改善了表層組織，提高了滲層的強(qiáng)韌性；另一方面心部可得到全部高強(qiáng)度的低碳馬氏體組織(HRC45左右)，也有利于壓碎負(fù)荷的提高。而原工藝用較高的溫度(9300C)長(zhǎng)時(shí)間滲碳，隨后隨爐降溫至820℃淬火，這不但明顯粗化了滲層的馬氏體組織，而且在隨爐降溫過程中，表層析出網(wǎng)狀碳化物，使表層組織惡化，硬度降低，脆性增大；在心部析出較多的鐵素體或生成屈氏體，心部組織為粗板條的馬氏體及托氏體，硬度為HRC36左右。綜上所述，采用較低的溫度薄層滲碳，直接淬火，有利于鋼珠抗壓碎負(fù)荷的提高。
另外，波譜分析表明，在低溫(9150C)滲碳5h的試樣滲層碳濃度平緩。而原工藝滲層碳濃度過高，雖經(jīng)1.25h擴(kuò)散，濃度梯度仍不夠平緩。試驗(yàn)斷口分析也可證明這一點(diǎn)。
新工藝的壓碎斷口是典型的韌性準(zhǔn)解理，有撕裂棱和韌離，裂紋沿過渡層發(fā)展，且它的濃度梯度過渡比較平緩，這樣滲碳層和心部基體結(jié)合比較緊密。當(dāng)受外力時(shí)，不易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，這就降低了裂紋的擴(kuò)展能力，使抗壓強(qiáng)度提高。裂紋是沿晶界產(chǎn)生并擴(kuò)展的，距表面約0.5mm。相反，原工藝的斷口是脆性準(zhǔn)解理，斷口裂紋從表層至過渡層，然后沿過渡層擴(kuò)展，經(jīng)歷沿晶發(fā)展準(zhǔn)解理，使抗壓強(qiáng)度降低，裂紋有一部分是沿晶斷裂，另一方面是脆性斷裂，斷裂距離表面約為0.6mm。
3.4 滴量對(duì)抗壓碎值的影響
對(duì)優(yōu)選的溫度進(jìn)行變滴量試驗(yàn)，測(cè)其抗壓碎值，得出表3和圖2。該試驗(yàn)條件為9150C，滲碳5h。可見煤油滴量在6ml/min的抗壓碎值較高。
表3滴量與抗壓碎值的關(guān)系
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ml/min
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4
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6
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8
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N
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17800
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18000
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1750
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煤油是一種含碳的有機(jī)液體，其中烷烴CnH2n+2占60%～65%，環(huán)烷烴CnH2n占20%～30%，其它烴CnH2n-6占7%～10%。它在高溫下才能裂解(下限8750C)，裂解后的過剩碳較多，易于形成碳黑和結(jié)焦。滴量增加，碳勢(shì)增加，加快了滲速，提高了滲碳層的厚度，使它的抗壓碎值提高。但這不是說滴量越大越好，當(dāng)?shù)瘟刻髸r(shí)，爐內(nèi)碳勢(shì)增加的同時(shí)，將產(chǎn)生碳黑，包圍在滲碳鋼珠的周圍，使?jié)B速降低；還由于碳勢(shì)增加，造成滲碳和表層的過渡區(qū)產(chǎn)生過大的濃度梯度，裂紋在過渡區(qū)易產(chǎn)生和擴(kuò)展。由于薄層滲碳時(shí)間較短，且在碳勢(shì)不平衡的情況下進(jìn)行，零件表面要求達(dá)到共析濃度，所以在剛滲碳時(shí)，可適當(dāng)增加滴量(7ml/min)。當(dāng)?shù)瘟刻r(shí)，碳勢(shì)濃度不夠，使?jié)B碳不均勻，造成抗壓碎負(fù)荷不穩(wěn)定。
綜上所述，在9150C，5h滲碳情況下，滴量以6ml/min為適宜。
3.5 接觸疲勞強(qiáng)度與滲層深度的關(guān)系
這是需要重點(diǎn)分析的。
在9150C下，對(duì)不同滲層深度的鋼珠進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨滲層的增加，疲勞壽命提高。到達(dá)一定值后，隨之下降。滲層深度為0.8mm(9150C滲碳5h直接淬火)的疲勞強(qiáng)度是原工藝的10倍。經(jīng)分析，鋼珠疲勞強(qiáng)度提高的原因歸納如下。
(1)提高了表面殘余壓應(yīng)力
鋼珠經(jīng)淺層滲碳直接淬火后獲得了較高的表面殘余壓應(yīng)力。表面殘余應(yīng)力是由于心部與滲層的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N組織的順序不同和表面高碳馬氏體的比容不同而形成的。
具體而言，當(dāng)鋼珠受到一定的壓力后，裂紋垂直于受力方向開裂。如果滲碳層表面有較高的殘余應(yīng)力，則可與外加載荷產(chǎn)生的使鋼珠開裂的力相抵抗，從而提高抗壓碎值。當(dāng)滲層過深時(shí)會(huì)有過量的殘余奧氏體游離碳化物出現(xiàn)，這些產(chǎn)物對(duì)殘余壓應(yīng)力有害。如果滲層表層碳含量過高，存在大量殘余奧氏體及其它異常組織，則滲層表層出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力。滲層馬氏體中碳含量越高，比容越大，滲層壓應(yīng)力越大。
試驗(yàn)證明，低碳鋼滲碳層需經(jīng)2.5～3h，表面碳濃度才趨于飽和。當(dāng)滲層深小于0.65mm時(shí)，滲層碳濃度沒有達(dá)到飽和，此時(shí)馬氏體的比容隨滲層含碳量的增加而增加，殘余壓應(yīng)力又隨馬氏體比容的增加而增加。當(dāng)滲層深大于0.65mm時(shí)，隨含碳量的增加，表層殘余奧氏體量增加，表層馬氏體轉(zhuǎn)變量相對(duì)減少，殘余壓應(yīng)力降低，且此時(shí)滲層深，心部低碳馬氏體量相對(duì)減少，表層高碳馬氏體量大大增加，也使表面殘余壓應(yīng)力降低。原工藝處理的鋼珠接觸疲勞性能不好，即屬后一種情況。
形成機(jī)理：滲層與心部相比，存在著化學(xué)成分的很大差異，造成滲層中馬氏體MS的變化。在淬火冷卻過程中往往是心部首先轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而表層尚未達(dá)到MS點(diǎn)仍處于塑性的過冷奧氏體狀態(tài)，心部轉(zhuǎn)變所造成的體積膨脹引起的應(yīng)力極易被表層的塑性變形所吸收。當(dāng)溫度降至表層MS點(diǎn)時(shí)，滲層馬氏體轉(zhuǎn)變所引起的體積膨脹受已強(qiáng)化的心部制約，造成表面受壓，心部受拉的狀態(tài)。
(2)細(xì)化了滲碳層馬氏體及殘余奧氏體
高碳馬氏體以共格切變方式形成，當(dāng)它長(zhǎng)大到與其它馬氏體片或晶界相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，形成應(yīng)力場(chǎng)。由于高碳馬氏體很脆，不能通過變形或滑移消除應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生。且隨馬氏體針長(zhǎng)度的增加，裂紋的敏感度也增加。熱處理原理認(rèn)為，表面針狀馬氏體的粗細(xì)，將直接影響滲層表面的接觸疲勞壽命。粗針狀馬氏體中的微裂紋是引起接觸疲勞破壞的天然裂紋源。
原工藝生產(chǎn)的鋼珠，不僅滲層馬氏體粗大(6～7級(jí))，且殘留奧氏體也呈粗大狀，分布也不均勻。同時(shí)由于降溫，析出非均勻的網(wǎng)狀K，使表層馬氏體轉(zhuǎn)變量相對(duì)減少，表面的碳濃度為1.0%左右，這將進(jìn)一步降低滲層的強(qiáng)韌性。新工藝生產(chǎn)的鋼珠，表層針狀馬氏體較細(xì)(5級(jí))，表面濃度0.8%左右，幾乎看不出K存在，少量殘留奧氏體也較均勻分布于細(xì)針狀馬氏體基體中，從而使表層的脆性降低，疲勞性能提高。
形成機(jī)理：滲碳表面的接觸疲勞壽命與M有關(guān)，高碳馬氏體是針片狀，硬而脆，針越粗，越脆，并常伴隨顯微裂紋產(chǎn)生。在外加負(fù)荷作用下，它的裂紋迅速擴(kuò)展。由于殘余奧氏體的存在，使受負(fù)荷的表面產(chǎn)生了一定的塑性變形，接觸面的寬度增加，從而相應(yīng)地降低了接觸面的壓應(yīng)力，提高了壽命。另一方面，由于塑性變形的作用，誘發(fā)奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，使之產(chǎn)生加工硬化，同樣提高了壽命。還由于在斷裂過程中，裂紋主要是沿馬氏體區(qū)域擴(kuò)展，很難穿過殘余奧氏體，因此在一定應(yīng)力作用下，沿馬氏體發(fā)展的裂紋一旦到達(dá)馬氏體與殘余奧氏體面，裂紋就會(huì)停止發(fā)展。只有在提高外加負(fù)荷時(shí)，裂紋才會(huì)產(chǎn)生分岔，繞過殘余奧氏體繼續(xù)發(fā)展。因?yàn)榱鸭y產(chǎn)生分岔吸收能量，有利于韌性的提高。相反，如果表面存在拉應(yīng)力，則促進(jìn)產(chǎn)生因相互滑動(dòng)引起的切應(yīng)力，則促進(jìn)產(chǎn)生因相互滑動(dòng)引起的切應(yīng)力。所以，有一定分布于馬氏體周圍的殘余奧氏體能提高材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。
新工藝處理的試樣經(jīng)疲勞磨損后，其殘余奧氏體比原試樣明顯減少，形成的馬氏體較細(xì)小。因而馬氏體細(xì)小且韌性好可強(qiáng)化表面，使之形成壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高其疲勞強(qiáng)度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試樣在發(fā)生疲勞破壞時(shí)，仍有部分殘余奧氏體存在，它對(duì)韌性仍有利。
原工藝處理的試樣表層殘余奧氏體過量，呈塊狀分布于粗大M針和邊緣，發(fā)生疲勞破壞時(shí)，基本上看不出殘余奧氏體量的變化，相變強(qiáng)化效果大大降低，影響了壽命。
(3)有效硬化層的提高有利于疲勞性能的提高
鋼珠發(fā)生交變接觸應(yīng)力時(shí)，其最大應(yīng)力往往在表層或次表層。疲勞裂紋源一般產(chǎn)生在0.1mm～0.3mm的表層，這點(diǎn)被試驗(yàn)所證明。所以為了提高疲勞性能，應(yīng)著重于提高危險(xiǎn)層的硬度和強(qiáng)度，而不一定要加厚滲層。由試驗(yàn)得知：滲層厚小于0.75mm時(shí)，比原工藝的硬度提高4～5HRC，從而提高了危險(xiǎn)層的強(qiáng)度，進(jìn)而疲勞性能也提高，疲勞破壞的表面形貌分析也證實(shí)了這一點(diǎn)。
接觸疲勞損傷實(shí)際上是裂紋萌生和擴(kuò)展的過程，通過斷口分析可以了解整個(gè)斷裂過程。根據(jù)裂紋萌生及剝落的特征，接觸疲勞可分為點(diǎn)蝕和剝落兩類。凡裂紋萌生于表面的呈纖維狀剝落為點(diǎn)蝕，新工藝的鋼珠加負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)13.5h后表面麻點(diǎn)屬于此類；裂紋萌生于表面呈片狀剝落的為剝落，原工藝處理的鋼珠加負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)1.5h后其表面因強(qiáng)度不足產(chǎn)生大片的深層剝落屬此類。
造成這種情況的原因是原工藝鋼珠的表面硬度低，這是由滲碳層中含有大量殘余奧氏體且呈不規(guī)則分布所導(dǎo)致的。濃度分析表明：該鋼珠表層碳濃度為1.0%左右，滲碳溫度又高，故產(chǎn)生大量殘余奧氏體。在接觸應(yīng)力作用下，盡管存在誘變馬氏體，但數(shù)量較少，相變強(qiáng)化作用不明顯，在應(yīng)力作用下，軟的殘余奧氏體與硬的馬氏之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，使裂紋萌生并擴(kuò)展至沿晶斷裂，最后出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口。原工藝鋼珠經(jīng)歷滑移——沿晶斷裂——準(zhǔn)解理，出現(xiàn)疲勞剝落。新工藝鋼珠表層殘余奧氏體誘變馬氏體轉(zhuǎn)變，表層強(qiáng)韌性好，在發(fā)生疲勞破壞時(shí)，只出現(xiàn)淺層準(zhǔn)解理斷口。
以上試驗(yàn)表明，殘余奧氏體的強(qiáng)韌作用取決于殘余奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性，即一方面要存在一定數(shù)量的殘余奧氏體，另一方面在接觸應(yīng)力下誘發(fā)馬氏體相變。
總之，提高受應(yīng)力作用大的表層或次表層的硬度，是提高疲勞壽命的有效途徑，而不是靠提高滲層深度。
用于自行車的鋼珠破壞的主要形式是疲勞破壞，但因疲勞破壞試驗(yàn)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，故企業(yè)大多采用壓碎負(fù)荷來檢測(cè)。但兩者之間卻沒有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果來看，新工藝疲勞強(qiáng)度值在滲層厚度等于0.75mm時(shí)最大，而抗壓碎值隨滲層的增厚而增加，也即隨滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但疲勞強(qiáng)度卻同時(shí)降低了。以后輪載重500kg計(jì)算可知，鋼珠的負(fù)荷不超過2 250N，這就是為什么不選用抗壓碎負(fù)荷較高的長(zhǎng)時(shí)間滲碳方法而采用疲勞強(qiáng)度較高而抗壓碎負(fù)荷較低的熱處理方法的原因。
4 鋼珠熱處理新工藝
綜合考察抗壓碎負(fù)荷和接觸疲勞強(qiáng)度，根據(jù)上述的試驗(yàn)分析，從既經(jīng)濟(jì)又提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量、壽命的原則出發(fā)，確定的熱處理工藝是9150C滲碳5h、直接淬火，見圖3。
5 經(jīng)濟(jì)效益分析
(1)鋼珠原工藝生產(chǎn)需7.25h，新工藝為5.67h，縮短了1.58h，生產(chǎn)效率提高了1.58/7.25=21%。
(2)滲碳溫度由9300C降為9150C，且時(shí)間縮短，延長(zhǎng)了滲碳爐的使用壽命。
(3)時(shí)間縮短，滴量降低，減少了煤油和甲醇的用量。
(4)磨損試驗(yàn)的使用壽命由原來的平均1.5h提高到13.5h，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
6 結(jié)論
(1)鋼珠薄層滲碳新工藝經(jīng)試驗(yàn)證明比原工藝具有許多優(yōu)越性，對(duì)生產(chǎn)是有利的。
(2)新藝改善了鋼珠的組織，心部得到了高強(qiáng)度的全部低碳馬氏體組織，使?jié)B層獲得了強(qiáng)韌性好的細(xì)針狀馬氏體，減少了高碳馬氏體造成的脆性及表層的殘余奧氏體含量，使殘余壓應(yīng)力增加，提高了抵抗表面裂紋的能力，且由于馬氏體的誘發(fā)強(qiáng)化，提高了滲層表面強(qiáng)韌性和疲勞強(qiáng)度，從而以較薄的滲層得取了較高的抗壓碎負(fù)荷。
(3)新工藝使鋼珠獲得了良好的金相組織及合理的滲碳層且濃度梯度平緩。采用直接淬火，增加淬火介質(zhì)水的流速，使心部強(qiáng)度提高，增大了對(duì)硬化層的支撐作用。良好的滲層性能和心部性能保證了在滲層較薄的情況下疲勞強(qiáng)度有較大提高，同時(shí)壓碎負(fù)荷降低。
(4)有效硬化層硬度提高，強(qiáng)化了易產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)區(qū)域的強(qiáng)度，有效地提高了疲勞強(qiáng)度。
(5)新工藝使生產(chǎn)周期縮短，生產(chǎn)效率提高，同時(shí)降低了物耗，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，具有較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。
