回火溫度對GCr15軸承鋼組織和性能的影響

王 桂

(寶塔實(shí)業(yè)股份有限公司，銀川 750021)

回火溫度對GCr15軸承鋼組織和性能的影響

王 桂

(寶塔實(shí)業(yè)股份有限公司，銀川 750021)

GCr15鋼在軸承中廣泛使用，其回火溫度對軸承使用性能有重要影響。研究了不同回火溫度對GCr15軸承鋼的硬度、殘余奧氏體含量、表面殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：當(dāng)GCr15的回火溫度為165～300 ℃時，隨著回火溫度的升高，硬度HRC由61.7降到56.2，殘余奧氏體含量由9.88%下降到3.26%，表面殘余應(yīng)力由706.8 MPa下降至382.2 MPa；其顯微組織主要為針狀馬氏體、顆粒碳化物和少量的亞穩(wěn)定相殘余奧氏體，隨著回火溫度的提高，碳化物逐漸聚集并不斷長大。該研究為GCr15鋼低溫回火工藝的制定提供參考。

GCr15軸承鋼；回火溫度；硬度；殘余奧氏體；表面殘余應(yīng)力

0 引言

鉻軸承鋼的淬火組織是淬火馬氏體、未溶解的二次碳化物和殘余奧氏體。其中馬氏體是C在α-Fe中的過飽和固溶體，是亞穩(wěn)定相，過飽和碳原子有從固溶體中自發(fā)析出的趨勢；奧氏體是高溫穩(wěn)定相，在室溫時不穩(wěn)定，有自發(fā)析出碳化物，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe固溶體的趨勢；碳化物相有聚合長大，自發(fā)降低分散度的趨勢；淬火過程中形成的內(nèi)應(yīng)力和亞晶結(jié)構(gòu)，也處于能量上的不穩(wěn)定，有自發(fā)向穩(wěn)定狀態(tài)過渡的趨勢，這些不穩(wěn)定因素，以及自發(fā)地向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，都是由熱力學(xué)本身決定的，其轉(zhuǎn)變都與擴(kuò)散密切相關(guān)。回火溫度越高，這一過程相對地進(jìn)行得越迅速、越徹底[1-3]。

殘余奧氏體是軸承材料經(jīng)淬回火后少量存在的亞穩(wěn)定相，在軸承貯存、運(yùn)輸和使用過程中將不斷地發(fā)生向馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，由于奧氏體組織與馬氏體組織的比容差異，從而導(dǎo)致軸承零件的尺寸發(fā)生變化，影響軸承的使用壽命[4-5]。

JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》對于馬氏體、屈氏體、殘余奧氏體等方面的檢測，只在光學(xué)顯微鏡下對照標(biāo)準(zhǔn)圖譜判定是否合格。為提高我國軸承的尺寸穩(wěn)定性和綜合性能，JB/T 1255—2014《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》在原標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，增加了軸承零件淬回火后殘余奧氏體含量要求，對于常規(guī)淬回火工藝處理后的零件，殘余奧氏體含量要求一般小于15%[6]。

為此，本研究以深溝球軸承外圈GCr15材料為試驗(yàn)對象，通過改變回火溫度，研究相同時間回火后材料硬度、殘余奧氏體含量、表面殘余應(yīng)力變化的情況，為GCr15鋼低溫回火工藝的制定提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為GCr15鋼車制的套圈，共計(jì)80件，按照GB/T 20066—2006《鋼和鐵化學(xué)成分測定用試樣的取樣和制樣方法》對試驗(yàn)用GCr15鋼取樣，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 GCr15鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

淬火油采用光亮淬火油，其閃點(diǎn)為186 ℃、粘度為23.76 mm2/s、最大冷卻速率Vmax=98.4 ℃/s、特性溫度為593.7 ℃。

將GCr15鋼車制好的外徑為φ160 mm、幅高為37 mm、有效厚度為9.6 mm的深溝球軸承，放進(jìn)型號為RJGD-240輥棒淬、回火生產(chǎn)爐，加熱至850 ℃保溫30 min后油冷淬火后，然后取出5件，將其中1件用線切割機(jī)沿軸向截取4塊試樣，隨后將這4塊試樣和其余4件外圈，按1塊試樣加1件外圈分別在165、200、250、300 ℃進(jìn)行回火處理，保溫時間均為3.5 h，出爐后空冷至室溫。

將經(jīng)過不同溫度回火的軸承外圈按JB/T 1255—2014的要求，用型號為HR150-A 的洛氏硬度計(jì)測量其硬度，用型號為AMI-21的奧氏體測量儀測量其殘余奧氏體含量，用型號為dmax 2500pc的X射線衍射儀測量其表面殘余應(yīng)力。將回火后線切割的試樣經(jīng)磨光、拋光后，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液腐蝕，制成金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察不同回火溫度下材料組織形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 回火溫度對硬度、表面殘余應(yīng)力的影響

將4種不同溫度回火的試樣，沿外圈的端面一周均勻測量5點(diǎn)硬度值，具體測量結(jié)果見圖1；沿外圈的端面一周均勻測量5點(diǎn)表面殘余應(yīng)力值，具體測量結(jié)果見圖2。

圖1 回火溫度對硬度的影響Fig.1 Effect of the tempering temperatures on hardness

圖2 回火溫度對表面殘余應(yīng)力的影響Fig.2 Effect of the tempering temperatures on residual austenite

從圖1中可以看出，隨著回火溫度的升高，硬度由HRC 61.7下降至HRC 56.2，下降幅度為9.78%。從圖2中可以看出，隨著回火溫度的升高，表面殘余應(yīng)力總體呈下降趨勢，由165 ℃時的706.8 MPa下降至300 ℃時的382.2 MPa，下降幅度為84.9%。硬度的下降是由于馬氏體在回火過程中發(fā)生分解形成共析組織，同時析出的碳化物在回火保溫過程中聚集、粗化，且與基體脫離共格關(guān)系，晶格畸形降低，位錯密度降低[7-8]。且隨回火溫度的升高，馬氏體分解完全，析出的碳與基體的共格關(guān)系消失，應(yīng)力場消失，從而造成材料的軟化現(xiàn)象發(fā)生。此外，回火溫度越高使得淬火應(yīng)力得到釋放，因而表面應(yīng)力也顯著下降[9-10]。250 ℃的表面殘余應(yīng)力高于200 ℃，可能與試驗(yàn)表面加工應(yīng)力較高有關(guān)。

2.2 回火溫度對殘余奧氏體含量的影響

將4種不同溫度回火的試樣，沿外圈的端面一周均勻測量5點(diǎn)殘余奧氏體含量，具體測量結(jié)果見圖3；從圖3中可以看出，隨著回火溫度的提高，殘余奧氏體含量由9.88%下降至3.26%。

將線切割的試樣按JB/T 1255—2014的要求，進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光，并經(jīng)4%的硝酸酒精腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織，如圖4所示。

圖3 回火溫度對殘余奧氏體的影響Fig.3 Effect of the tempering temperatures on residual austenite

圖4 不同回火溫度的顯微組織Fig.4 Microstructure after tempering at different temperatures

油冷試樣淬火態(tài)下組織主要為針狀馬氏體、顆粒碳化物和少量的亞穩(wěn)定相殘余奧氏體。從圖4中可以看出，隨著回火溫度的提高，碳化物逐漸聚集并不斷長大。這是由于隨著回火溫度的升高，碳化物從馬氏體內(nèi)析出轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，呈暗灰針狀，當(dāng)回火溫度達(dá)到300 ℃時，過飽和碳從馬氏體中析出聚集并逐漸長大[11-12]。

3 結(jié)論

1)GCr15鋼隨回火溫度的提高，硬度由165 ℃時的HRC 61.7下降至300 ℃時的HRC 56.2；表面殘余應(yīng)力總體上逐漸降低。

2)GCr15鋼隨回火溫度的提高，殘余奧氏體含量由165 ℃時的9.88%降至300 ℃時的3.26%，且小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小于15%的要求；隨著回火溫度的提高，顯微組織中碳化物逐漸聚集并不斷長大。

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Effect of Tempering Temperature on Microstructure and Properties of GCr15 Bearing Steel

WANG Gui

(BaoTaIndustryCo.,Ltd.,Yinchuan750021,China)

GCr15 steel is widely used in bearing. The tempering temperature has a significant effect on its properties. The effect of different tempering temperature on hardness, residual austenite and surface residual stress of GCr15 steel was investigated. The result shows that with the increasing of tempering temperature in the range of 165～300 ℃, the hardness HRC of the tested steel decreased from 61.7 to 56.2 , the residual austenite from 9.88% to 3.26% and the surface residual stress from 706.8 MPa to 382.2 MPa, accompanied with the gathering and growth of carbide. The microstructure is mainly composed of needle-type martensite, grain-type carbide and little residual austenite. This study provides reference for establishing low-temperature tempering process for GCr15 steel.

GCr15 bearing steel; tempering temperature; hardness; residual austenite; surface residual stress

2016年9月27日

2016年11月3日

王桂(1977年- )，女，工程師，主要從事熱處理工藝制定等方面的研究。

TG156.5

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.006

1673-6214(2016)06-0361-03