預(yù)處理對(duì)GCr15軸承鋼淬火組織與性能的影響

張大偉，張新平，潘曉銘，謝曉文，陳旭光，趙文勝

(1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2.溫州人本軸承有限公司，浙江溫州 325011)

預(yù)處理對(duì)GCr15軸承鋼淬火組織與性能的影響

張大偉1，張新平1，潘曉銘1，謝曉文1，陳旭光2，趙文勝2

(1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2.溫州人本軸承有限公司，浙江溫州 325011)

研究了球化退火和固溶+高溫回火兩種預(yù)熱處理工藝對(duì) GCr15軸承鋼淬火組織、硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明，兩種預(yù)處理工藝都明顯地細(xì)化了碳化物顆粒，其中經(jīng)固溶+高溫回火預(yù)處理的軸承鋼具有較好的碳化物細(xì)化效果和細(xì)小晶粒的終處理組織，并獲得了較高的硬度和抗拉強(qiáng)度值.在預(yù)處理都為球化退火工藝、終處理回火溫度不同時(shí)，經(jīng)較低回火溫度（160℃）處理的軸承鋼可獲得良好的強(qiáng)韌性能.

預(yù)熱處理；GCr15軸承鋼；淬火；組織；力學(xué)性能

GCr15鋼是軸承鋼中的典型鋼種，在各種機(jī)械零部件上都有廣泛應(yīng)用，許多材料工作者已對(duì)其熱處理工藝、組織成分與性能等進(jìn)行了大量的研究[1-5]，這對(duì)于延長(zhǎng)軸承類(lèi)零部件的使用壽命起到了很好的作用.影響軸承壽命的因素很多，就材料因素而言，有淬回火馬氏體、未溶碳化物、殘余奧氏體、殘余應(yīng)力和鋼中雜質(zhì)含量等[6].為使不利影響程度降至最低，應(yīng)控制鋼淬火前的原始組織.有效的預(yù)熱處理可使鋼中的碳化物球化、細(xì)小且均勻分布，對(duì)獲得良好的淬火組織具有重要作用.本文對(duì)球化退火和雙細(xì)化處理兩種預(yù)熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究，以考察其對(duì)GCr15鋼淬火組織和性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

試樣基材為GCr15軸承鋼，其化學(xué)成分（Wt %）：1.0 C，1.49 Cr，0.31 Mn，0.26 Si，0.009 P，0.004 S.

試樣的熱處理工藝條件如表1所示.預(yù)熱處理和終處理均在箱式電阻爐中加熱，淬火冷卻介質(zhì)采用40 – 60℃的N32機(jī)油.

在蔡司金相顯微鏡上觀察試樣的金相組織形貌，用 4%硝酸酒精溶液腐刻試樣，用過(guò)飽和苦味酸水溶液+適量十二烷苯磺酸鈉溶液熱浸蝕，觀察奧氏體晶粒度.

沖擊試樣為55 mm × 10 mm × 10 mm的無(wú)缺口試樣，試驗(yàn)設(shè)備為JB-300B型機(jī)械式半自動(dòng)沖擊試樣機(jī)；拉伸試樣為φ6 mm的標(biāo)準(zhǔn)短試樣，試驗(yàn)在WEW-300型屏顯式液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.每種工藝條件下的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度值取 4個(gè)試樣測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值.硬度試驗(yàn)在HBRVU-187.5型布洛維氏硬度計(jì)上完成，每個(gè)硬度值取3次測(cè)量的平均值.

表1 GCr15鋼試樣的熱處理工藝Table 1 Heat-treatment Technology of GCr15 Specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 組織分析

圖1 試樣經(jīng)不同預(yù)處理工藝后的組織形貌(500x)Fig 1 Microstructure of Specimens Pretreated with Different Technologies (500x)

2.1.1 預(yù)處理工藝組織

GCr15軸承鋼是過(guò)共析鋼，常采用球化退火作為預(yù)熱處理工藝，這樣一方面可以降低鋼的硬度，以利于后續(xù)切削加工，更重要的是還可獲得球狀珠光體組織，為淬回火做好組織準(zhǔn)備.試樣經(jīng)不同預(yù)處理工藝后的組織形貌如圖1所示.圖1中（a）和（b）分別是工藝1和工藝3的預(yù)熱處理球化退火組織，由細(xì)的球狀珠光體以及均勻分布的過(guò)剩碳化物組成，但碳化物顆粒大小不均，在珠光體晶界上可以看見(jiàn)有少量較粗大的不規(guī)則顆粒碳化物，如圖1（b）所示.圖1中的（c）和（d）是工藝 2雙細(xì)化（碳化物細(xì)化和奧氏體晶粒細(xì)化）預(yù)處理的組織形貌.試樣經(jīng)高溫固溶奧氏體化后淬火得到針狀馬氏體+殘余奧氏體，因淬火溫度較高，淬火后得到的馬氏體針較粗大，并且有較多的殘余奧氏體，如圖1（c）所示.淬火后經(jīng)高溫回火，碳化物呈彌散析出，得到的組織為回火索氏體+細(xì)小彌散分布的碳化物，如圖1（d）所示.比較起來(lái)，工藝2雙細(xì)化處理的碳化物顆粒較為細(xì)小.這種以高溫固溶處理作為軸承鋼預(yù)熱處理的工藝在生產(chǎn)中常用來(lái)消除由于鍛坯過(guò)熱產(chǎn)生的粗大網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物被溶解之后，冷卻時(shí)要快速通過(guò)Acm和Ar1溫區(qū)，以避免碳化物再次以網(wǎng)狀形式析出.

2.1.2 終處理工藝組織

各試樣預(yù)熱處理后經(jīng)不同終處理獲得的組織形貌如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，經(jīng)工藝1、工藝2和工藝3處理后，試樣的碳化物均得到了不同程度的細(xì)化效果.其中，工藝3的球化退火+馬氏體淬火+低溫回火的碳化物顆粒平均直徑較小，如圖2（c）所示；工藝2的固溶+高溫回火+馬氏體淬火+低溫回火處理后的碳化物細(xì)化效果較為明顯，碳化物顆粒細(xì)小且均勻彌散分布，如圖2（b）所示.碳化物是GCr15軸承鋼的重要組成相，它具有耐磨、抑制晶粒長(zhǎng)大等作用.粗大、多角狀及偏析碳化物的外形圓整度較差，易在其尖銳或凸凹邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而萌發(fā)微裂紋，從而降低軸承的韌性和抗疲勞性能，縮短其使用壽命；細(xì)小碳化物的外形較為圓滑，減小了應(yīng)力集中，同時(shí)碳化物的細(xì)化及彌散分布，又釘扎位錯(cuò)，也阻止了它的運(yùn)動(dòng)，從而提高了其塑變抗力，推遲了疲勞裂紋源的成核過(guò)程，延長(zhǎng)了裂紋起始階段的疲勞期.由于產(chǎn)生裂紋所需的應(yīng)力提高，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力也相應(yīng)提高，因而使裂紋擴(kuò)展相應(yīng)緩慢，裂紋擴(kuò)展速率da/dN下降.因此，軸承鋼中呈現(xiàn)尺寸細(xì)小、分布均勻且為球形的未溶碳化物是較為理想的終處理組織，對(duì)于提高軸承鋼的強(qiáng)韌性是有利的.

圖2 試樣經(jīng)不同終處理工藝后的組織形貌(500x)Fig 2 Microstructure of Specimens Final-treated with Different Technologies (500x)

2.1.3 晶粒度比較

圖3表示不同終處理工藝處理的試樣的晶粒度.比較起來(lái)，工藝3的球化退火+馬氏體淬火+160℃低溫回火的晶粒平均直徑較大，工藝2的固溶+高溫回火+馬氏體淬火+低溫回火處理的晶粒平均直徑最小，工藝1的球化退火+馬氏體淬火+180℃低溫回火的晶粒平均直徑居中.

在預(yù)處理的金相組織中，采用雙細(xì)化工藝處理的碳化物粒徑比球化退火的要細(xì)小.細(xì)小的碳化物在終處理淬火時(shí)可阻礙晶界移動(dòng)，限制奧氏體晶粒長(zhǎng)大.有研究表明，當(dāng)?shù)诙囿w積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，碳化物粒子半徑減小，奧氏體晶粒平均極限半徑也隨之減小[2].因此，預(yù)處理時(shí)將碳化物充分細(xì)化并使其均勻、彌散分布，可使終處理淬火時(shí)的奧氏體晶粒不致長(zhǎng)大.此外，雙細(xì)化處理中淬火前充分預(yù)熱和縮短淬火保溫時(shí)間，都使得奧氏體晶核不致長(zhǎng)大，從而快速冷卻后獲得了細(xì)小的馬氏體晶粒.

圖3 不同終處理工藝試樣的晶粒度(500x)Fig 3 Grain Fineness of Specimens Final-treated with Different Technologies (500x)

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

2.2.1 硬度測(cè)試

不同熱處理工藝處理的軸承鋼試樣的硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示.由表2可見(jiàn)，3種工藝處理的軸承鋼硬度值都在60 HRC以上，其中，工藝2雙細(xì)化處理的硬度平均值為63.2 HRC；工藝3球化退火+淬火+ 160℃低溫回火的為61.9 HRC；工藝1球化退火+淬火+180℃低溫回火的為60.7 HRC.工藝2試樣的硬度值高于其它兩種工藝的硬度值，是因?yàn)槠浼?xì)小的碳化物均勻且彌散地分布于組織中，晶粒的細(xì)小使其在同等體積下具有更多的晶界總面積；另外，高溫固溶處理使得奧氏體中溶入了較多的碳，鋼淬火后的馬氏體中就具有了較高的含碳量，含碳量的增加提高了馬氏體的硬度.工藝1和工藝3的預(yù)處理相同但終處理的回火溫度不同，較低回火溫度的工藝3試樣比工藝1的硬度值稍高，這是由于較低溫度回火使得馬氏體中保留了相對(duì)較多的碳含量.

表2 不同工藝處理試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical Properties of Specimens Treated with Different Technologies

2.2.2 沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度測(cè)試

由表2可見(jiàn)，3種工藝條件處理試樣的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度值有所不同.其中，工藝2雙細(xì)化處理的試樣的沖擊韌性平均值最低，但其抗拉強(qiáng)度平均值最高；工藝1處理的試樣的沖擊韌性平均值最高，但其抗拉強(qiáng)度平均值最低；工藝3處理的試樣的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度平均值大小處于以上兩者之間.試驗(yàn)表明，與球化退火預(yù)處理工藝相比，工藝2雙細(xì)化處理試樣的抗拉強(qiáng)度雖高，但其沖擊韌性值偏低，這主要與未溶碳化物和馬氏體中的高碳量有關(guān).一般說(shuō)來(lái)，淬火鋼中未溶碳化物少量存在是必要的，它不但可以增加鋼的耐磨性，還可使其獲得細(xì)晶粒隱晶馬氏體，但未溶碳化物是硬脆相，承載時(shí)其與基體界面會(huì)由于應(yīng)力集中而易萌發(fā)微裂紋，尤其是碳化物呈非球狀時(shí)這種情況更易發(fā)生，從而導(dǎo)致軸承鋼的韌性和疲勞抗力下降.影響未溶碳化物數(shù)量、形貌、大小、分布的因素主要有鋼成分、淬火前原始組織因素、奧氏體化條件等[6].從工藝2雙細(xì)化終處理金相照片中可見(jiàn)，該工藝處理的試樣比球化退火工藝處理的試樣有較多的未溶碳化物，這是由于為獲得細(xì)小的奧氏體晶粒而采用了很少的奧氏體化保溫時(shí)間，溶入奧氏體中的碳量較少，未溶碳化物較多.另外，固溶處理使奧氏體中溶入較多的碳，淬火馬氏體中碳量增高也是引起韌性下降的原因.從綜合性能來(lái)看，工藝3球化退火+淬火低溫回火（160℃）處理的試樣的強(qiáng)韌性適中，而工藝1的強(qiáng)度偏低、工藝2的韌性偏低，這表明未溶碳化物含量、分布以及殘余奧氏體含量和奧氏體晶粒度都對(duì)軸承鋼的強(qiáng)韌性有影響.

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)條件下，1 050℃固溶油淬+720℃高溫回火與800℃球化退火作為GCr15軸承鋼的兩種預(yù)處理工藝，都有不同程度的碳化物細(xì)化效果，其中，前者處理試樣的碳化物較為細(xì)小且呈均勻、彌散分布.650℃ × 1 h預(yù)熱+840℃ × 1 min油淬+ 180℃ × 2 h回火與840℃ × 15 min油淬+ 180℃× 2 h回火及840℃ × 15 min油淬+ 160℃ × 2 h回火3種終處理工藝，前者處理試樣的晶粒較為細(xì)小.

與采用球化退火+淬回火工藝處理的GCr15軸承鋼相比，采用固溶+高溫回火+淬回火工藝處理的GCr15軸承鋼具有較高的硬度和抗拉強(qiáng)度值，但其沖擊韌性偏低.GCr15軸承鋼高強(qiáng)度和高硬度的獲得歸結(jié)于其組織中細(xì)小、均勻彌散分布的碳化物和細(xì)小晶粒的隱晶馬氏體；較低韌性與組織中過(guò)多的未溶碳化物及馬氏體中較高的含碳量有關(guān).預(yù)處理都為球化退火、終處理回火溫度不同時(shí)，較低回火溫度（160℃）工藝處理的GCr15軸承鋼可獲得良好的強(qiáng)韌性能.

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Effect of Pretreatment Technology on Quenched Structure and Properties of GCr15 Bearing Steel

ZHANG Dawei1, ZHANG Xinping1, PAN Xiaoming1, XIE Xiaowen1, CHEN Xuguang2, ZHAO Wensheng2
(1. School of Mechatronics Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035; 2. Wenzhou C & U Bearing Co., Ltd, Wenzhou, China 325011)

The effect of two preheat treatment technologies, spheroidizing annealing and solid solution hardening + high temperature tempering, on quenched structure, hardness, impact toughness and tensile strength of GCr15 bearing steel was investigated in this paper. The results showed that the carbide particles were refined obviously by two kind of pretreatment technologies. Comparing with spheroidizing annealing technology, the finer carbide and finer grains structure for final heat treatment were obtained in the steel by the solid solution hardening + high temperature tempering technology, which brought about a higher hardness and strength value in the steel. In the condition that the same spheroidizing annealing technology is used in the pretreatment stage and the tempering temperature of the final treatment is different, a result could be achieved that a better combination in strength and toughness can be obtained at a low tempering temperature of 160℃.

Preheat Treatment; GCr15 Bearing Steel; Quenching; Structure; Mechanical Property

(編輯：王一芳)

TG142.1

A

1674-3563(2011)02-0030-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.02.006 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

2010-08-08

溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(G20100112)

張大偉(1954- )，男，黑龍江大慶人，教授，博士，研究方向：金屬熱處理，激光表面改性