GCr15軸承鋼中殘余奧氏體含量影響因素及其控制方法

榮治明 蔣月靜

摘 要：本文首先說(shuō)明了GCr15高碳鉻軸承鋼最終熱處理方案，分析殘余奧氏體在淬火鋼中的形成機(jī)理；繼而，闡述殘余奧氏體含量對(duì)進(jìn)行熱處理零件性能的影響，分析了影響原理，及其控制方法；最后，介紹鋼中殘余奧氏體含量的測(cè)定方法。

關(guān)鍵詞：高碳鉻軸承鋼；殘余奧氏體；下貝氏體；馬氏體

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.016

GCr15作為高碳鉻軸承鋼的代表鋼種，因較低的合金含量、優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于制造中、小型軸承，還可以制造冷沖模、精密模具、機(jī)床絲杠等。目前國(guó)內(nèi)對(duì)GCr15軸承鋼的最終熱處理所常采用：方案一是860℃油淬及160 ±5℃進(jìn)行（2至4h）回火工藝。GCr15軸承鋼在經(jīng)過(guò)淬火處理后，其顯微組織為隱晶馬氏體基體，同時(shí)得到奧氏體晶粒，并在上面分布著均勻細(xì)小的碳化物。經(jīng)過(guò)低溫回火后，顯微金相組織為回火馬氏體，碳化物和殘余奧氏體均勻分布，如圖1所示，硬度61～65HRC。方案二是選用工藝為240 ℃貝氏體等溫淬火處理，下貝氏體組織能提高高碳鉻軸承鋼GCr15的屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率等，下貝氏體組織與淬回火馬氏體組織相比，前者具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性及尺寸穩(wěn)定性，表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力；經(jīng)過(guò) 160 ℃預(yù)先淬火，之后進(jìn)行 240 ℃貝氏體等溫處理過(guò)程中可得到馬氏體+貝氏體復(fù)合組織，這樣的貝氏體變溫處理以后其組織由下貝氏體、馬氏體和殘余碳化物組成，如圖2所示，具有20～30%的下貝氏體+馬氏體復(fù)合組織具有最佳的強(qiáng)韌性配合[1]。

殘余奧氏體的含量多少與軸承鋼零部件的性能、失效行為等密切相關(guān)，一直以來(lái)，人們對(duì)GCr15軸承鋼淬火、回火處理后殘余奧氏體體積含量，給予了極大的關(guān)注，殘余奧氏體含量對(duì)進(jìn)行熱處理零件性能的影響：

1 尺寸的穩(wěn)定性

GCr15軸承鋼尺寸穩(wěn)定性可分兩個(gè)方面。一方面，熱處理前后尺寸變化量，被稱為熱處理過(guò)程中穩(wěn)定性，另一方面，通常由殘余奧氏體量和殘余奧氏體含碳量來(lái)表征服役過(guò)程中穩(wěn)定性，當(dāng)奧氏體的冷卻速度大于vk并過(guò)冷到Ms以下時(shí)，就開(kāi)始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變 [2]。由于GCr15軸承鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變Mf點(diǎn)是處在較低的溫度，普通的淬火跟隨低溫回火的熱處理工藝處理，通常得到的殘余奧氏體一般在15%以上（體積分?jǐn)?shù)），含量比較高，進(jìn)行低溫回火時(shí)，亦不易分解。因此，較高含量的殘余奧氏體對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求較高的精密軸承來(lái)說(shuō)是不利的。軸承成品零件在庫(kù)存堆放一定時(shí)間后，如果熱處理后組織中殘余奧氏體量較多，也會(huì)導(dǎo)致由殘余奧氏體轉(zhuǎn)變引起的尺寸脹大現(xiàn)象。

要達(dá)到減少殘余奧氏體的含量，使零件尺寸穩(wěn)定化的目的，應(yīng)進(jìn)行必要的冷處理，殘余奧氏體的緩慢轉(zhuǎn)變隨之發(fā)生。試樣經(jīng)過(guò)不同工藝處理后結(jié)果表明，殘余奧氏體在低溫下（低于室溫）是不穩(wěn)定成分，對(duì)于軸承零部件的尺寸改變量影響，貝氏體轉(zhuǎn)變工藝的影響低于馬氏體淬火、回火轉(zhuǎn)變的影響，可知，采用不同程度的貝氏體轉(zhuǎn)變可以提高GCr15軸承鋼尺寸穩(wěn)定性[3]。

2 疲勞壽命

高碳鉻軸承鋼GCr15采用深冷處理的疲勞壽命并不高，反而是部件進(jìn)行200～250℃熱液淬火時(shí)，當(dāng)其中殘余奧氏體量在15%左右時(shí)，零件的疲勞壽命略有增加[4]；此外采用等溫淬火工藝時(shí)，獲得完全下貝氏體組織基體的軸承的使用壽命，也不低于馬氏體基體的軸承的壽命，文獻(xiàn)中已經(jīng)指出了材料熱處理后有9%殘余奧氏體的疲勞壽命最高，可以利用及發(fā)揮殘余奧氏體在5～10%時(shí)影響疲勞壽命，對(duì)軸承壽命影響有益的作用[5]。

關(guān)于含量較高的殘余奧氏體適量提高軸承部件疲勞壽命的原因有如下解釋：

（1）使用中的軸承部件在外加交變接觸應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致殘余奧氏體誘發(fā)產(chǎn)生馬氏體相變，從而提高相變區(qū)域的基體硬度，而次表面的最大切應(yīng)力處正處于發(fā)生相變之區(qū)域內(nèi)，從而相應(yīng)的提高了軸承鋼GCr15疲勞壽命[6]。

（2）殘余奧氏體可以通過(guò)松弛裂紋尖端應(yīng)力，來(lái)對(duì)細(xì)微裂紋起阻止或緩和作用，這恰恰與殘余奧氏體特性有關(guān)。

研究表明，亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的力學(xué)表征是精確捕獲典型載荷下微機(jī)械行為的重要組成部分。傳統(tǒng)的機(jī)械表征技術(shù)不能離散地量化奧氏體的微機(jī)械響應(yīng)，因此，計(jì)算預(yù)測(cè)很大程度上依賴于奧氏體相的試驗(yàn)和誤差或定性描述。為了克服這一點(diǎn)，采用原位中子衍射法，結(jié)合晶體塑性模型，可以成功地預(yù)測(cè)軸承鋼的微觀力學(xué)和宏觀力學(xué)響應(yīng)，同時(shí)考慮殘余奧氏體的馬氏體相變。

參考文獻(xiàn)：

[1]弓自潔，曹必剛.GCr15軸承鋼的熱處理發(fā)展動(dòng)向[J].金屬熱處理，1992（09）：3-6.

[2]楊光華.軸承鋼中殘留奧氏體含量與熱處理的關(guān)系[J].金屬加工（熱加工），2014（09）：69.

[3]孔永華，袁俊，常鵬鵬，李思貝，朱世根.減少GCr15軸承鋼領(lǐng)熱處理變形的工藝研究[J].熱加工工藝，2015，44（10）：201-203.

[4]李凡.GCr15軸承鋼熱軋及球化退火組織性能研究[D].東北大學(xué)，2014.

[5]柴澤.GCr15軸承鋼殘余奧氏體定量測(cè)試標(biāo)樣制備方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院，2014.

[6]王洪剛.GCr15軸承鋼的接觸疲勞壽命影響因素[J].黑龍江冶金，

2009，29（04）：1-3+6.