劉美冬

（浙江為尚機械有限公司）

當前浙江為尚機械有限公司加工熱處理GCr15鋼套圈用兩臺愛協林箱式多用爐做碳氮共滲處理，在生產過程中檢驗發現表面金相有黑色組織，分析黑色組織可能會導致軸承套圈的疲勞強度和彈性極限降低，因此必須對軸承套圈碳氮共滲進行分析。

經過對軸承套圈碳氮共滲進行金相分析，發現金相組織中除了表面有黑色組織外其余的指標都符合技術要求。為此，技術人員專門對軸承套圈黑色組織進行了分析研究。

1. GCr15軸承鋼的化學成分

GCr15軸承鋼的化學成分如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼的化學成分 （質量分數）  （%）

2. GCr15鋼表面黑色組織

（1）伴隨脫碳層的黑色組織

淬火加熱中，當GCr15鋼表面產生程度不同的脫碳時，淬火后（在一定的冷卻條件下）其表面會產生一層黑色組織。不同的生產批次，黑色組織的形態和深度有所不同。黑色組織輕微時只形成網絡狀，深度為幾十微米到幾百微米，嚴重時則形成層片狀+網絡狀，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（4%硝酸酒精溶液腐蝕）即可將其清楚地顯示出來，如圖1所示。

圖1　GCr15鋼表面脫碳時的網狀黑色組織（500×）

（2）伴隨增碳層的黑色組織

淬火加熱中，當GCr15鋼表面產生不同程度的增碳時，淬火后（在一定的冷卻條件下）其表面產生一層黑色組織，其形態深度與受腐蝕程度（4%硝酸酒精溶液腐蝕）和前述基本相同，如圖2所示。

圖2　GCr15鋼表面增碳時的黑色組織（500×）

3. 黑色組織的本質

（1）形態和組織結構

光學顯微鏡下觀察到的黑色組織具有網絡狀或層片狀+網絡狀的形態，其上分布著剩余碳化物顆粒。黑色組織易受硝酸酒精腐蝕（相當于淬火馬氏體），黑色的網絡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網絡擴大變粗，幾個鄰近的網絡連接成小黑塊，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歷了由網絡狀到小塊狀再到層片狀的發展過程。

（2）硬度

黑色組織的硬度明顯低于馬氏體的硬度，如表2所示。

表2  黑色組織與馬氏體硬度對照

綜合上述分析可以證實，黑色組織是GCr15鋼在淬火時發生的擴散型相變產物，它是珠光體類型中的屈氏體。

4. 黑色組織的形成原因

GCr15鋼的恒溫轉變曲線上有2個奧氏體加速分解的階段。第1階段在650℃附近，第2階段在450～480℃附近，第2階段（中溫轉變）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，在冷卻過程中必須制止鋼中有珠光體形成，因此在連續冷卻時第1階段的轉變具有決定性的作用。

抑制珠光體轉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，淬火時臨界速度的大小隨固溶體中含碳量的多少而變化，當GCr15鋼加熱時表面產生脫碳，則在脫碳區域內固溶體的碳濃度相應降低，此時GCr15鋼正常淬火的冷卻速度對于脫碳區域來說已顯得過小，這個冷卻速度已不能制止珠光體的轉變。這部分碳濃度低的過冷奧氏體處于很不穩定的狀態，在淬火時首先分解成珠光體產物（奧氏體高溫分解產物），也就是臨界冷卻速度標線與“C”曲線相交，而不脫碳的區域（奧氏體碳濃度較高）同樣的冷卻速度已能保證在淬火時發生馬氏體相變，而不使過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定狀態，碳濃度的貧化往往由晶界面發生并向晶內擴展，所以隨碳濃度的貧化程度由輕到重，淬火后出現的黑色組織也由網絡狀（晶界面）擴展為層片狀（晶粒）。

5. GCr15鋼表面增碳時對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，鉻與碳易形成含鉻碳化物，在高溫下碳原子不斷擴散深入GCr15鋼表層，處于不穩定狀態的奧氏體晶界面上的鉻首先與碳結合成為碳化物，從而使晶界面上的鉻濃度降低，隨著碳的擴散含鉻碳化物也不斷增多，貧鉻區域逐步由晶界面向晶粒內發展，導致晶粒內的貧鉻，即所謂“增碳貧鉻”現象。

合金元素鉻具有明顯的增大?冷奧氏體穩定性的作用（特別是抑制奧氏體第1階段分解的作用），貧鉻區域過冷奧氏體變得不穩定，鋼中未溶的剩余碳化物進一步起到加速奧氏體分解的作用，因此當淬火時“增碳貧鉻”區域首先分解得到珠光體產物。

6. 冷卻條件對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表層黑色組織的形成是需要在一定的冷卻條件下才會發生，當冷卻速度增大時，淬火后即不致產生黑色組織。

技術人員做過下述試驗：將加熱時脫碳或增碳的GCr15鋼試樣分別淬入油（N15或N32全損耗系統用油）、硝鹽（50%的NaNO3+50%的KNO3）和水3種冷卻介質中。結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，水冷的試樣表層無黑色組織。

7. 結語

GCr15鋼在淬火加熱過程中，表層產生的黑色組織是GCr15鋼在淬火時發生擴散型相變的產物，屬于珠光體型的屈氏體。由于這層屈氏體硬度低，這就直接影響到磨削加工質量。若成品的工作面上還剩有屈氏體薄層，則會造成早期磨損，導致產品質量下降。

針對不同的GCr15鋼淬火工藝（鹽爐加熱或保護氣體爐加熱），正確控制爐內碳勢，避免加熱過程中產生的脫碳或增碳，選擇適當的冷卻介質（保證足夠的冷卻能力），在淬火過程中可以避免黑色組織的產生，從而達到進一步穩定和提高GCr15鋼熱處理質量的目的。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志