軸承鋼熱處理工藝及組織分析

鄭慶行

【摘 要】本試驗(yàn)采用GCr15鋼，分別對(duì)其進(jìn)行了不同的熱處理工藝試驗(yàn)，對(duì)其處理后的組織觀察與分析，并進(jìn)行了試樣硬度的測定。

【關(guān)鍵詞】GCr15鋼；正火；等溫球化退火；淬火

軸承鋼是指用于制作在不同環(huán)境中工作的各類滾動(dòng)套圈和滾動(dòng)體的鋼的統(tǒng)稱。高碳鉻軸承鋼自上世紀(jì)初問世至今已有100多年的歷史。從它誕生至今，化學(xué)元素的含量幾乎沒有變化，但其疲勞壽命卻成倍甚至幾十倍的提高，原因就在于軸承材料的純凈度提高了。軸承鋼純凈度的提高，主要依賴于冶金工藝的現(xiàn)代化、爐外精煉技術(shù)的普遍采用[2]。

熱處理是通過加熱和冷卻的方法使金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)（有的包括表面化學(xué)成分）發(fā)生變化，以獲得預(yù)期性能的工藝方法。這些性能包括工藝性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能，在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中主要指材料的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性等。因此進(jìn)行熱處理是提高零件使用性能、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改造加工工藝性、發(fā)揮材料潛力和節(jié)約原材料的重要途徑。

本試驗(yàn)針對(duì)GCr15鋼制訂不同的熱處理工藝并采用RSX-2.5-10實(shí)驗(yàn)箱式電阻爐對(duì)其進(jìn)行處理，然后制備金相試樣，對(duì)磨拋后的試樣用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)金相顯微鏡上對(duì)其組織進(jìn)行觀察與分析，在硬度試驗(yàn)計(jì)上測定試樣硬度，最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

一、試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)用材為供貨態(tài)GCr15鋼棒材。將其加工成Φ15×25（mm）試樣，其化學(xué)成分和臨界點(diǎn)。

二、試驗(yàn)設(shè)備

采用UJ-37型測溫直流電位差計(jì)進(jìn)行爐溫校核，熱處理加熱設(shè)備采用RSX-2.5-10型箱式電阻爐，在M3225型臺(tái)式砂輪機(jī)上進(jìn)行試樣打磨，分別用200#、400#、600#、800#、1000#帆船牌水砂紙磨制金相試樣，在P-2型拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，在OLYMPUS PMG3型光學(xué)金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察與分析，在HB-3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)和HRD-150型電動(dòng)洛氏硬度試驗(yàn)計(jì)上測定試樣的硬度值。

三、參數(shù)擬定

GCr15鋼完全退火、正火、高溫淬火工藝，都是將工件加熱到單相奧氏體區(qū)，然后根據(jù)不同性能的需求進(jìn)行冷卻，其具體工藝見下表。

GCr15鋼的正常淬火工藝是將工件加熱到Ac1以上50～80℃、等溫球化退火工藝是將工件加熱到Ac1以上20～30℃然后在Ar1以下10～20℃等溫一定時(shí)間[1]，根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)及試驗(yàn)?zāi)康囊螅渚唧w工藝見表2。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）供貨態(tài)組織、完全退火組織的分析

GCr15鋼供貨態(tài)組織為索氏體+斷續(xù)細(xì)網(wǎng)狀滲碳體。

GCr15鋼經(jīng)930℃×40min退火的組織為粗大片狀珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體。與T10鋼的完全退火組織相比，珠光體片間距減小，沿晶界析出的網(wǎng)狀滲碳體變細(xì)，主要原因是GCr15中含有碳化物形成元素Cr，在隨爐冷卻過程中碳原子擴(kuò)散受阻，因此從奧氏體中析出量減少，而形成片間距較細(xì)的珠光體及沿其晶界析出的細(xì)網(wǎng)狀滲碳體 [4]。

（二）正火組織、等溫球化退火組織的分析

GCr15鋼經(jīng)930℃×40min正火處理后的組織與T10鋼相比，除屈氏體外+沿晶界分布的滲碳體顆粒更細(xì)小而又少。其原因是冷速快，該鋼的C曲線與T10鋼相比右移，實(shí)際相變速度減緩，在相同的冷速下碳從過冷奧氏體中的析出量少所致。

等溫球化退火所得組織為球狀珠光體，其組織中的碳化物顆粒與T10鋼相比更細(xì)小。原因是鋼中含有鉻元素，碳原子聚集長大傾向較T10鋼小，故形成的顆粒狀滲碳體較小。

（三）正常淬火組織、高溫淬火組織的分析

正常淬火的組織為細(xì)小針狀馬氏體和殘余奧氏體及未溶的顆粒狀的碳化物。

軸承鋼淬火溫度雖比T10鋼高出50℃左右，但該組織中的馬氏體針卻很短。因?yàn)檩S承鋼中含有碳化物形成元素Cr，Cr有抑制奧氏體晶粒長大的作用，故在加熱時(shí)形成的奧氏體晶粒細(xì)小，淬火后獲得細(xì)小針狀的馬氏體。

高溫淬火組織為粗大針狀馬氏體和比較多的殘余奧氏體。與T10鋼相比臨界冷速較慢，也就是說過冷奧氏體的穩(wěn)定性比較好，故淬火后得到粗大的馬氏體和殘余的奧氏體。

（四）不同回火溫度下組織的分析

正常淬火+低溫回火組織為隱針回火馬氏體和細(xì)小粒狀的未溶碳化物。

由此可看出，正常淬火+中溫回火組織為回火屈氏體+細(xì)小未溶的粒狀碳化物。正常淬火+高溫回火組織為回火索氏體+細(xì)小粒狀的碳化物。正常淬火+更高溫回火組織為回火球狀珠光體。

GCr15鋼經(jīng)不同工藝處理后試樣，進(jìn)行硬度測定的結(jié)果見表3。

五 結(jié)論

本文以GCr15軸承鋼為研究對(duì)象，通過不同的熱處理工藝對(duì)其進(jìn)行處理，通過金相分析和硬度測試得出以下結(jié)論：

1.GCr15鋼經(jīng)正常淬火后，隨著回火溫度的增加，淬火馬氏體將分別轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體、回火屈氏體、回火索氏體和回火球狀珠光體組織。其硬度隨著回火溫度的升高而降低。

2.GCr15鋼隨著淬火溫度的增加，奧氏體晶粒長大，淬火后得到的馬氏體針也變得粗大，且殘余奧氏體量也隨之增加，其硬度隨之降低。

3.GCr15鋼在低于臨界點(diǎn)（Ac1）30℃左右進(jìn)行回火，其回火組織為球狀珠光體組織。

參考文獻(xiàn)：

[1]《鋼鐵材料手冊(cè)》總編輯委員會(huì).工具鋼[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：3.

[2] 鐘順?biāo)?，王昌?軸承鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000：7～8.

[3]《鋼鐵材料手冊(cè)》總編輯委員會(huì).軸承鋼[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：36.

[4] 李炯輝，施友方，高漢文.鋼鐵材料金相圖譜[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1981：316.