G95Cr18鋼不同回火溫度下的沖擊韌度與斷口形貌

李紅濤，葉健熠，曾獻(xiàn)智，王鑫

(1.空軍駐洛陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471039；2.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

目前，G95Cr18或G102Cr18Mo高碳鉻不銹軸承鋼是制造耐腐蝕滾動(dòng)軸承的主要材料，廣泛用于制造航空航天、石油機(jī)械、化工機(jī)械、食品機(jī)械、船舶工業(yè)和某些儀器儀表的軸承，也用于制造高、低溫下工作的軸承。軸承使用環(huán)境介質(zhì)大多具有腐蝕作用，諸如海水、河水、硝酸及海洋性氣候等。

G95Cr18鋼制零件常用的熱處理方式為馬氏體淬回火，回火溫度通常根據(jù)零件的工作溫度、鋼材的性能及其具體要求而確定。據(jù)文獻(xiàn)[1]介紹，G95Cr18鋼淬火后，經(jīng)150～160 ℃回火，綜合力學(xué)性能較好。但用該鋼制造的零件有時(shí)會(huì)在高溫下使用，且使用中還會(huì)受到一定的沖擊載荷作用。文獻(xiàn)[1]只給出了100，150和200 ℃回火溫度下的沖擊韌度，因此，有必要對(duì)該軸承鋼在更高回火溫度下的沖擊性能進(jìn)行研究。

下文對(duì)G95Cr18鋼在不同回火溫度下的沖擊性能做了較詳細(xì)的試驗(yàn)研究，并對(duì)其沖擊斷口的特征進(jìn)行了觀察與分析。

1 試樣的加工及熱處理

試驗(yàn)材料為按GB/T 3086—2008標(biāo)準(zhǔn)交貨的φ45 mm規(guī)格的G95Cr18鋼棒料，狀態(tài)為退火磨光材。經(jīng)檢測(cè)分析，其退火組織為均勻的粒狀珠光體+共晶碳化物，退火硬度為223～225 HBW，化學(xué)成分見表1，非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度見表2。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 w,%

表2 非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度 級(jí)

由表2可知，試驗(yàn)材料化學(xué)成分、非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

把φ45 mm的G95Cr18鋼退火棒料加工成10 mm×10 mm×55 mm的無缺口沖擊試樣，然后將其分成6組，每組數(shù)量為4～5個(gè)。

試樣淬火在真空爐中進(jìn)行，回火在箱式爐中進(jìn)行，熱處理工藝及流程為：850 ℃×45 min預(yù)熱→1 070 ℃×35 min油淬→-78 ℃×1 h冷處理→不同回火溫度×3 h回火(回火溫度分別為150，200，250，300，350和400 ℃)，試樣回火處理后的硬度見表3。

表3 試樣回火處理后的硬度

由表3可知，G95Cr18鋼在250～400 ℃回火，硬度值保持在54.0～55.5 HRC，表明該軸承鋼具有良好的抗回火穩(wěn)定性。

2 沖擊韌度試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)在PTM-2100型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為常溫。不同回火溫度下的沖擊韌度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同回火溫度下試樣的沖擊韌度ak

由表4可知，G95Cr18鋼在150～300 ℃回火，沖擊韌度隨回火溫度的升高而增大，回火溫度至300 ℃時(shí)，沖擊韌度達(dá)到最大值。在350 ℃回火時(shí)，沖擊韌度出現(xiàn)一個(gè)低值拐點(diǎn)，然后，隨回火溫度升高又呈上升趨勢(shì)。

3 不同回火溫度下的斷口特征

分別選取沖斷后的1-1#試樣、4-4#試樣和5-1#試樣，觀察其斷口宏觀形貌,結(jié)果如圖1所示。

圖1 沖擊斷口宏觀形貌

3個(gè)試樣的斷口形貌特征基本為纖維區(qū)+放射區(qū)+剪切唇區(qū)，圖2所示為斷口示意圖。

圖2 斷口示意圖

仔細(xì)觀察3個(gè)試樣的斷口，可以看出纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)所占斷口的面積是不同的，經(jīng)估算其結(jié)果為：(1)1-1#試樣的纖維區(qū)+放射區(qū)的面積約占斷口面積的50%，剪切唇區(qū)約占斷口面積的50%；(2)4-4#試樣的纖維區(qū)+放射區(qū)的面積約占斷口面積的70%以上，剪切唇區(qū)占斷口面積的比例接近30%；(3)5-1#試樣的纖維區(qū)+放射區(qū)的面積約占斷口面積的50%以上，剪切唇區(qū)占斷口面積的比例接近50%。由此可見，相對(duì)面積的估算結(jié)果與其各自對(duì)應(yīng)的沖擊韌度值基本吻合(1-1#試樣ak值為49.7 J/cm2；4-4#試樣ak值為79.7 J/cm2；5-1#試樣ak值為 55.3 J/cm2)。

4 結(jié)果分析

通常經(jīng)淬火的鋼在回火時(shí)，隨著回火溫度的升高，其硬度降低、韌性增加，但是在許多鋼的回火溫度與沖擊韌度的關(guān)系曲線中會(huì)出現(xiàn)2個(gè)低谷，一個(gè)在200～350 ℃，另一個(gè)在450～650 ℃[2]。這種隨著回火溫度升高，沖擊韌度反而降低的現(xiàn)象稱為鋼的回火脆性。前者稱為第一類回火脆性，也叫低溫回火脆性；后者稱為第二類回火脆性，也叫高溫回火脆性。因鋼的含碳量和合金元素的含量不同，回火脆性溫度區(qū)間也會(huì)有差異。文獻(xiàn)[2]的研究認(rèn)為，由于鋼中的ε-FexC轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe3C或X-Fe5C2的溫度與產(chǎn)生脆性的溫度相近，故認(rèn)為鋼的第一類脆性是新生成的碳化物沿板條馬氏體的板條、束的邊界或在片狀馬氏體的孿晶帶和晶界上析出，因而導(dǎo)致鋼的韌性明顯降低。繼續(xù)升高回火溫度，由于碳化物的聚集、長(zhǎng)大和球化，改善了各類界面的脆化性質(zhì)，因而又使鋼的沖擊韌度提高。試驗(yàn)中G95Cr18鋼在350 ℃回火后的沖擊韌度出現(xiàn)了最低值(除常規(guī)的150 ℃回火外)，故該軸承鋼的第一類回火脆性溫度在350 ℃左右。

5 結(jié)論

(1)G95Cr18鋼在150～300 ℃回火時(shí)，沖擊韌度隨回火溫度的升高不斷增大，至300 ℃回火時(shí)，沖擊韌度達(dá)到最大值。

(2)G95Cr18鋼在350 ℃回火后沖擊韌度最低(除常規(guī)的150 ℃回火外)，因此，該鋼的第一類回火脆性溫度在350 ℃左右。

(3)通過觀察沖擊斷口可知，纖維區(qū)(含裂紋源區(qū))+放射區(qū)在斷口上所占面積的比例與相應(yīng)回火溫度下的沖擊韌度值基本一致。