軸承套圈表面脫碳是滾動(dòng)軸承早期失效的重要原因之一，軸承鋼GCr15套圈球化退火過(guò)程局部表層脫碳包括全脫碳和局部脫碳，造成淬火表面硬度不足或淬火軟點(diǎn)，降低軸承耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致早期失效，見(jiàn)圖1。

　　軸承鋼脫碳時(shí)，表層一定厚度的體積內(nèi)碳元素通過(guò)界面反應(yīng)氧化成氣態(tài)CO逸出材料，反應(yīng)速度由爐氣碳勢(shì)所控制；同時(shí)，表面碳原子濃度不斷降低、在表層形成碳濃度梯度的過(guò)程，由碳原子擴(kuò)散速度所控制。從化學(xué)反應(yīng)角度上分析，球化退火溫度下，雖然鐵元素和碳元素均發(fā)生氧化，但是前者反應(yīng)產(chǎn)物是致密氧化鐵膜阻止了進(jìn)一步氧化發(fā)生，而碳的氧化以碳原子被氧化生成CO逸出表面導(dǎo)致表層含碳量降低，因碳元素是鋼的基礎(chǔ)強(qiáng)化元素，金屬學(xué)中特別以脫碳表達(dá)鋼材表面的碳元素氧化過(guò)程，以示與鐵和其他合金元素的氧化過(guò)程區(qū)別。脫碳導(dǎo)致顯微組織變化、強(qiáng)度指標(biāo)降低，惡化工件的服役性能和壽命的作用是很大的。
　　圖2示意說(shuō)明GCr15套圈球化退火表層脫碳過(guò)程，其A1點(diǎn)為760℃，Acm點(diǎn)為900℃。根據(jù)軸承鋼含碳量為0.95~1.05%，套圈球化退火溫度設(shè)定為795℃，即加熱至A點(diǎn)保溫進(jìn)行球化退火。片狀珠光體球化驅(qū)動(dòng)力來(lái)自滲碳體球化使表面能降低，因?yàn)榍蚧昂鬂B碳體的體積不變，在體積恒定前提下，以球體表面積為最小。室溫下晶格中的原子擴(kuò)散能力不夠，片狀滲碳體以亞穩(wěn)態(tài)存在，當(dāng)加熱到設(shè)定球化溫度，晶格原子振動(dòng)頻率和振幅加大，能夠擺脫晶格勢(shì)壘的約束進(jìn)行擴(kuò)散，發(fā)生球化所需的滲碳體相晶格原子的溶解和重構(gòu)。依靠片狀滲碳體的球化過(guò)程是一個(gè)熱力學(xué)自發(fā)過(guò)程，但是僅僅依靠表面能差值驅(qū)動(dòng)，球化驅(qū)動(dòng)力比較小，是一個(gè)比較耗時(shí)的工藝過(guò)程。當(dāng)片狀珠光體在加熱到Ac1（760℃）以上溫度，首先發(fā)生鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變。與鐵素體相比，奧氏體的溶碳能力要大得多，明顯促進(jìn)碳原子的遷移過(guò)程，有利于球化進(jìn)行；球化保溫時(shí)滲碳體首先開(kāi)始局部溶解，使片狀滲碳體斷開(kāi)為若干斷續(xù)片狀滲碳體，碳原子溶入奧氏體基體，通過(guò)奧氏體基體遷移到片狀滲碳體曲率較小處沉積，實(shí)現(xiàn)球化；同時(shí)由于在二相區(qū)保溫，材料處于殘余滲碳體和成分不均勻奧氏體狀態(tài)。在冷卻過(guò)程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體同時(shí)排出過(guò)飽和的碳原子，因?yàn)闅堄酀B碳體表面曲率不同，滲碳體長(zhǎng)大時(shí)曲率小的部位碳元素沉積多、曲率大處沉積少，即傾向于球體方式長(zhǎng)大，最終形成以殘余滲碳體質(zhì)點(diǎn)為核心、均勻而細(xì)小的顆粒狀碳化物。這個(gè)過(guò)程可由圖2在A點(diǎn)保溫并緩冷球化說(shuō)明；得到的金相組織是正常的軸承鋼球化退火組織。

　　如果爐氣碳勢(shì)較低使表面脫碳，表面含碳量進(jìn)入DC范圍，造成殘余滲碳體溶解，表層一定深度形成單相奧氏體。在隨后緩冷過(guò)程中，因?yàn)殇撝泻t量較高，使得過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性高而不發(fā)生先共析析出；繼續(xù)冷卻到圖2所示的灰色的“偽共析區(qū)域”，過(guò)冷奧氏體發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變，形成片狀珠光體，是軸承鋼球化退火部分脫碳的特征金相組織。如果脫碳發(fā)生在D點(diǎn)附近，表層部分區(qū)域進(jìn)入單相奧氏體區(qū)域，其他部分仍舊處于奧氏體加殘余滲碳體的二相區(qū)，冷卻后前者發(fā)生偽共析轉(zhuǎn)變生成片狀珠光體，后者完成滲碳體球化過(guò)程，形成表層發(fā)生部分脫碳。由圖1（c）和（d）可見(jiàn)低倍視場(chǎng)樣品表面沒(méi)有形成厚度均勻的脫碳層或部分脫碳層，脫碳僅僅發(fā)生在表面局部地區(qū)；高倍視場(chǎng)中可見(jiàn)這些局部脫碳區(qū)片狀珠光體發(fā)育完好，層深約100微米，說(shuō)明該體積單相奧氏體從高溫冷卻到A1溫度以下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，因此在球化退火加熱和保溫過(guò)程中，套圈表層這些局部區(qū)域生成單相奧氏體，其冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物僅僅生成珠光體而沒(méi)有先共析相生成，證明這些表層局部區(qū)域奧氏體含碳量處于接近共析成分的DC范圍中。
　　如果爐氣碳勢(shì)低于C，進(jìn)入鐵素體和奧氏體二相區(qū)，在高溫下即生成或多或少鐵素體相。如果碳勢(shì)靠近B點(diǎn)加上保溫時(shí)間較長(zhǎng)，表面下會(huì)生成鐵素體層即全脫碳層見(jiàn)圖1（a），高倍下可見(jiàn)基體外側(cè)存在由奧氏體轉(zhuǎn)變生成的少量珠光體見(jiàn)圖1（b）。碳勢(shì)越低、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，全脫碳層深度越大。