深冷處理對GCr15軸承鋼組織及力學(xué)性能的影響

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(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135)

0 引 言

GCr15軸承鋼具有硬度高、組織均勻、耐磨性和接觸疲勞性能良好等優(yōu)點，主要用于制作滾珠及軸承套圈等零件，是目前應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。在GCr15軸承鋼服役過程中，疲勞和磨損是其主要失效形式[1-2]，因此如何提高GCr15軸承鋼的耐磨性和抗疲勞性能一直是學(xué)者們研究的熱點。深冷處理是傳統(tǒng)熱處理的一種延伸，該工藝將材料置于-130 ℃以下的低溫環(huán)境中進行冷處理，以改善材料的顯微組織，提高力學(xué)性能[3]。

研究表明，深冷處理可以通過相變強化和析出強化來顯著提高材料的硬度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命等，且高效無污染，生產(chǎn)成本相對較低，具有廣闊的市場應(yīng)用前景[4-8]。李輝等[9]研究了不同深冷時間對GCr15軸承鋼性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著深冷時間的延長，殘余奧氏體含量大幅下降，鋼的強度和耐磨性顯著提高。李士燕等[10]研究了深冷處理對GCr15軸承鋼組織穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)深冷處理可以減少淬火鋼中殘余奧氏體的含量，同時降低鋼中點缺陷的密度，從而提高其強度和尺寸穩(wěn)定性。但是，目前深冷處理工序?qū)Cr15軸承鋼組織和性能的影響尚不明確，因此作者在常規(guī)熱處理的不同階段增加了深冷處理工序并對GCr15軸承鋼進行了處理，對比研究了不同處理工藝對GCr15軸承鋼組織和性能的影響，為優(yōu)化深冷處理工藝流程提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為球化退火后的GCr15軸承鋼棒，直徑為22 mm，化學(xué)成分如表1所示，硬度為226 HB，顯微組織如圖1所示。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of GCr15 bearingsteel (mass) %

圖1 退火態(tài)GCr15軸承鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of GCr15 bearing steel in annealing state

將GCr15軸承鋼棒沿直徑切開，制成高度相同、截面為半圓的試樣，分別對試樣進行3種處理：(1)淬火+回火(Q+T)；(2)淬火+回火+深冷處理(Q+T+C)；(3)淬火+深冷處理+回火(Q+C+T)；(4)淬火+回火+深冷處理+回火(Q+T+C+T)。使用YFX12-160-Y型箱式電阻爐進行淬火和回火處理，淬火溫度840 ℃，保溫30 min后油淬；回火溫度150 ℃，保溫2 h。深冷處理的工藝參數(shù)為液氮溫度-196 ℃，深冷時間36 h。

不同工藝處理后的試樣經(jīng)打磨、拋光，用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在NIKON MA100型倒置光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。在X-350A型X射線應(yīng)力儀上測定殘余奧氏體含量，采用鉻靶，Kα射線，管電壓為20 kV，管電流為5 mA，馬氏體掃描范圍為169°～134°，奧氏體掃描范圍為142°～123°，測馬氏體(211)晶面和奧氏體(220)晶面的衍射峰。

將不同工藝處理后的試樣線切割成10 mm×10 mm×10 mm的塊狀試樣，經(jīng)砂磨機磨光后，采用69-1型洛氏硬度計測其硬度，載荷為490 N，加載時間為5 s，每個試樣測3個點取平均值。在MH-3型顯微硬度計上進行顯微硬度測試，每個試樣上隨機測100個點，載荷為0.98 N，加載時間為5 s。

按照GB/T 12444—2006，在MM-200型環(huán)塊磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，試樣尺寸為3 mm×7 mm×30 mm，對磨環(huán)采用M2鋼，其硬度為62.5～63.0 HRC，試驗載荷為300 N，磨損時間為60 min。采用精度為0.000 1 g的E120AII型電子天平測摩擦磨損試驗前后試樣的質(zhì)量，其質(zhì)量差為試樣的磨損量；對試樣進行超聲波清洗，使用HITACHI SU-1500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：不同工藝處理后試樣的顯微組織均由回火馬氏體(灰黑色)、殘余奧氏體以及碳化物(白色顆粒)組成，殘余奧氏體在顯微鏡下難以分辨；經(jīng)Q+C+T工藝處理后試樣中的碳化物較多且分布更加均勻。

由表2可知：增加深冷處理工序后鋼中殘余奧氏體的含量明顯降低，Q+C+T工藝處理后試樣中殘余奧氏體含量最低，這說明淬火后直接深冷處理使GCr15軸承鋼中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變量最多。這是由于GCr15軸承鋼的Mf點(馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)在-120 ℃，當GCr15軸承鋼在-196 ℃的液氮中進行深冷處理時，殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體，但深冷處理36 h后殘余奧氏體并未全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。

表2 不同工藝處理后GCr15軸承鋼中殘余奧氏體的體積分數(shù)Tab.2 Volume fraction of retained austenite of GCr15bearing steel after treatment with different processes %

圖2 不同工藝處理后GCr15軸承鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of GCr15 bearing steel after treatment with different processes

2.2 硬 度

由表3可知:淬火后試樣的硬度為64.7 HRC,經(jīng)Q+T工藝處理后，硬度降低至63.0 HRC左右；經(jīng)Q+C 工藝處理后，硬度最大，為66.3 HRC，再進行回火后，硬度有所降低,為64.3 HRC。這是因為馬氏體是在較大冷卻速率下獲得的非平衡組織，在低溫回火時碳原子會發(fā)生偏聚并析出，馬氏體的固溶碳減少、正方度降低，因此回火后GCr15軸承鋼的硬度降低。經(jīng)深冷處理后硬度有所增大，這是由于馬氏體的硬度比奧氏體的高很多，深冷處理后鋼中一部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[11-12]，同時深冷處理會促進碳化物的偏聚，使得在之后的回火過程中更容易析出細小且彌散分布的碳化物[13]，從而導(dǎo)致硬度升高。

表3 不同工藝處理后GCr15軸承鋼的洛氏硬度Tab.3 Rockwell hardness of GCr15 bearing steel treatedwith different processe HRC

由測試結(jié)果知，經(jīng)Q+T、Q+T+C、Q+C+T、Q+T+C+T工藝處理后，試樣的平均顯微硬度分別為794.0,800.4,822.6,795.4 HV0.1,可以看出增加深冷處理后試樣的平均顯微硬度都增大，其中Q+C+T工藝處理試樣的平均顯微硬度最大，為822.6 HV0.1，比Q+T工藝處理試樣的提高了28.6 HV0.1。這是由于在深冷處理的等溫過程中，時間效應(yīng)、應(yīng)力效應(yīng)以及形成低溫馬氏體所帶來的高位錯密度使碳原子容易在位錯等缺陷處聚集，為升溫回火過程中碳化物的形核提供了基礎(chǔ)，導(dǎo)致碳化物的形核率增加[6]。因此，在傳統(tǒng)的淬火+回火熱處理工藝中增加深冷處理后，鋼在相同回火溫度下形成了更多的碳化物，提高了鋼的硬度。

2.3 耐磨性

經(jīng)Q+T、Q+T+C、Q+C+T、Q+T+C+T工藝處理后，試樣的磨損量分別為18.47，18.20，17.33，18.30 mg，增加深冷處理工序后試樣的耐磨性均有不同程度的提高，Q+C+T工藝處理后試樣的耐磨性最好，其磨損量比Q+T工藝處理后的降低了6%。

由圖3可知：Q+T工藝處理試樣的磨損面出現(xiàn)了大塊的疲勞剝落，并存在疲勞裂紋，同時剝落處周圍分布著明顯的凹坑、塑性變形區(qū)和犁溝，磨損形式為疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損；Q+T+C工藝處理試樣磨損面中的犁溝形貌比較明顯，并且可觀察到犁溝周圍散落的磨粒，磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損；Q+C+T工藝處理試樣磨損面中的犁溝比Q+T工藝處理和Q+C+T工藝處理試樣的細且淺，磨粒磨損有所改善，但仍伴隨著黏著磨損；Q+T+C+T工藝處理試樣磨損面中的犁溝也較細而淺，但黏著磨損嚴重。

圖3 不同工藝處理后GCr15軸承鋼的磨損形貌Fig.3 Wear morphology of GCr15 bearing steel treated with different processes

綜上所述，在常規(guī)熱處理工藝中增加深冷處理能夠改善GCr15軸承鋼的耐磨損性能，主要提高的是其抗疲勞磨損和磨粒磨損的能力。這是由于：一方面，深冷處理提高了GCr15軸承鋼的硬度，增強了基體抗磨粒磨損的能力；另一方面，深冷處理使更多的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體[11-12]，可細化馬氏體組織[13]，促進細小碳化物的析出[14]以及改善殘余應(yīng)力[15]，從而有利于提高抗接觸疲勞能力。

3 結(jié) 論

(1) 在常規(guī)熱處理工藝中增加深冷處理后，GCr15軸承鋼中殘余奧氏體含量明顯降低，其中Q+C+T工藝處理試樣中的殘余奧氏體含量最低。

(2) 增加深冷處理工序后，試樣的平均顯微硬度都增大，其中Q+C+T工藝處理試樣的平均顯微硬度最大，為822.6 HV0.1，比Q+T工藝處理試樣的提高了28.6 HV0.1。

(3) 增加深冷處理工序后，GCr15軸承鋼的耐磨性均有不同程度的提高，Q+C+T工藝處理試樣的耐磨性最好，其磨損量比Q+T工藝處理試樣的降低了6%；深冷處理主要提高了GCr15軸承鋼的抗疲勞磨損和磨粒磨損的能力。

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