高碳鉻軸承鋼制軸承套圈熱處理工藝試驗(yàn)

孫小東，王云廣，王紅偉，周鵬龍，郝奧玄

洛陽LYC軸承有限公司 河南洛陽 471003

高碳鉻軸承鋼制特大型軸承套圈有效壁厚大于15mm時(shí)，原材料普遍采用GCr15SiMn鋼制造。但對(duì)于有效壁厚大于50mm的軸承套圈，采用GCr15SiMn鋼制造時(shí)，熱處理后硬度常常無法達(dá)到技術(shù)要求。為了滿足生產(chǎn)需要，提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決特大型軸承套圈硬度不足問題，本文對(duì)GCr15SiMo鋼和GCr15SiMn鋼特大型軸承套圈采用相同的淬火方式進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料

選用GCr15SiMo鋼和GCr15SiMn鋼加工同一個(gè)型號(hào)試驗(yàn)套圈各2件，采用相同的淬火方式進(jìn)行熱處理工藝試驗(yàn)。

試驗(yàn)套圈尺寸：外徑1100mm，高度390mm，有效壁厚65mm。

采用ARL4460直讀光譜儀對(duì)軸承套圈進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)套圈化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2 工藝試驗(yàn)

2.1 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）加熱溫度 GCr15SiMo鋼試驗(yàn)套圈淬火加熱溫度選用865℃，回火溫度選用210℃。GCr15SiMn鋼試驗(yàn)套圈淬火加熱溫度選用825℃，回火溫度選用170℃。

（2）保溫時(shí)間 試驗(yàn)套圈的淬火加熱及回火均在周期井式電阻爐中進(jìn)行。將試驗(yàn)套圈放入電阻爐內(nèi)加熱時(shí)，爐溫會(huì)立即降低，以后爐溫會(huì)逐漸回升，當(dāng)回升至試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，開始計(jì)算保溫時(shí)間，保證試驗(yàn)套圈的表面及心部能夠完全達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫度。

試樣到達(dá)試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度后，保溫一段時(shí)間進(jìn)行奧氏體組織轉(zhuǎn)變，若保溫時(shí)間不足會(huì)造成奧氏體組織轉(zhuǎn)變不完全，保溫時(shí)間過長，會(huì)使奧氏體晶粒粗大。

保溫時(shí)間根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中t——保溫時(shí)間（min）；

α——加熱系數(shù)（min/mm）；

D——試驗(yàn)套圈的有效壁厚（mm）；

K——裝爐系數(shù)。

常用裝爐系數(shù)K值為1.0～1.5。常用材料的加熱系數(shù)α見表2。

表2 常用材料的加熱系數(shù)

GCr15SiMn鋼制試驗(yàn)套圈保溫時(shí)間計(jì)算：t=1.4×1.0×65=91（min），實(shí)際保溫時(shí)間取95min。

GCr15SiMo鋼制試驗(yàn)套圈，由于其化學(xué)成分中含有碳化物形成元素Mo，它形成的合金碳化物對(duì)奧氏體晶粒長大起到阻礙作用[2]。因此，為保證試驗(yàn)套圈加熱充分且奧氏體化均勻，需要延長試驗(yàn)套圈的保溫時(shí)間。

GCr15SiMo鋼制試驗(yàn)套圈保溫時(shí)間計(jì)算：t=1.5×1.0×65=97.5（min），實(shí)際保溫時(shí)間取100mim。

2.2 淬火冷卻

將加熱后的試驗(yàn)套圈平穩(wěn)吊進(jìn)冷卻槽，在油槽中進(jìn)行馬氏體淬火，所用淬火冷卻介質(zhì)為快速淬火油。采用淬火機(jī)床冷卻，冷卻過程中打開底部和四周的壓縮空氣及定向冷卻泵。用紅外測溫儀將試驗(yàn)套圈出油溫度控制在100℃。

工藝1為GCr15SiMo鋼制特大型試驗(yàn)套圈馬氏體淬火、回火工藝，工藝曲線如圖1所示。

圖1 GCr15SiMo鋼工藝1曲線

工藝2為GCr15SiMn鋼制特大型試驗(yàn)套圈馬氏體淬火、回火工藝，工藝曲線如圖2所示。

圖2 GCr15SiMn鋼工藝2曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

（1）硬度 用TIME-5330里氏硬度計(jì)分別對(duì)試驗(yàn)套圈工作面熱處理后及成品表面硬度進(jìn)行檢測，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1255—2014[3]，硬度要求58～63HRC，檢測結(jié)果見表2。

由表2可以看出，依據(jù)JB/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，GCr15SiMo鋼制及GCr15SiMn鋼制試驗(yàn)套圈熱處理后硬度均合格；GCr15SiMo鋼制試驗(yàn)套圈成品硬度100%合格， GCr15SiMn鋼制成品硬度100%不合格。

表2 試驗(yàn)套圈表面硬度檢測 （HRC）

（2）顯微組織 對(duì)成品試驗(yàn)套圈切取樣塊，磨制端面金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后在GX-51奧林巴斯金相顯微鏡下檢驗(yàn)顯微組織，馬氏體按照J(rèn)B/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)第二級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定，屈氏體按照J(rèn)B/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)第三級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定。

GCr15SiMo鋼制試驗(yàn)套圈顯微組織（見圖3a）為細(xì)小隱晶馬氏體組織，細(xì)小碳化物均勻分布在馬氏體基體上，馬氏體3級(jí)、無屈氏體，組織合格。高碳鉻軸承鋼采用馬氏體淬火、回火工藝獲得細(xì)小結(jié)晶馬氏體組織，在馬氏體基體上有大量細(xì)小碳化物均勻分布，這種組織具有較高的使用壽命[4]。GCr15SiMn鋼制試驗(yàn)套圈金相組織（見圖3b）中存在大量屈氏體，屈氏體組織大于2級(jí)，不合格。

圖3 兩種材料的金相組織

（3）裂紋檢測 軸承套圈磨加工至成品尺寸后，采用CDW-9000型熒光磁粉檢測設(shè)備，利用復(fù)合磁化法對(duì)成品軸承套圈進(jìn)行熒光磁粉檢測。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 5000.15—2007。對(duì)軸承套圈各表面進(jìn)行熒光磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)檢測表面有缺陷磁痕顯示，檢測結(jié)果合格。

3.2 分析

1）GCr15SiMo鋼化學(xué)成分中在Mn含量減少后用增加Mo含量來提高淬透性，且可改善固溶體成分的不均勻性，并形成含Mo的碳化物，使鋼中碳化物顆粒細(xì)小、彌散。而在有Mo存在的條件下，由于Cr、Mo與Si相互激發(fā)作用，硅對(duì)提高軸承鋼淬透性強(qiáng)化因子可成倍地增加[5]。因此，GCr15SiMo鋼比GCr15SiMn鋼淬透性好，熱處理后保證了GCr15SiMo鋼制試驗(yàn)套圈的成品硬度同時(shí)能得到更優(yōu)顯微組織。

2）GCr15SiMn鋼制試驗(yàn)套圈化學(xué)成分中Mo含量較少，淬透性差，淬火過程中冷卻不良產(chǎn)生大量屈氏體，組織不合格。

試驗(yàn)工藝已成功應(yīng)用于GCr15SiMo鋼制特大型軸承套圈50余件，經(jīng)檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求，按每件產(chǎn)品價(jià)值1.2萬元計(jì)算，創(chuàng)造價(jià)值60余萬元。

4 結(jié)束語

1）GCr15SiMo鋼特大型試驗(yàn)套圈熱處理后各項(xiàng)性能均滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

2）GCr15SiMn鋼特大型試驗(yàn)套圈熱處理后硬度不合格，不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

3）試驗(yàn)工藝已成功應(yīng)用于GCr15SiMo鋼制特大型軸承套圈，經(jīng)檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求。