高淬透性軸承鋼等溫淬火工藝研究

孫小東，王云廣，王紅偉，郝奧玄

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471000)

國內(nèi)軸承行業(yè)生產(chǎn)大壁厚軸承套圈，廣泛使用GCr15SiMn高碳鉻軸承鋼，該材料在制備大壁厚、超重載的軸承時很難保證淬硬層深度和表面硬度的要求。為了滿足大壁厚軸承套圈的硬度和使用性能，國外軸承行業(yè)普遍采用比GCr15SiMn淬透性更高的軸承鋼。軸承零件經(jīng)下貝氏體等溫淬火后獲得與馬氏體淬火相近的硬度和耐磨性，同時具備較高的沖擊韌性、斷裂韌性和屈服強度[1]。本文對GCr20SiMo高淬透性軸承鋼進行熱處理工藝研究，通過工藝試驗，以期獲得較優(yōu)的等溫淬火工藝參數(shù)，得到性能良好的貝氏體組織。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為高淬透性軸承鋼GCr20SiMo，加工成尺寸大小為60 mm×40mm×40 mm(L×W×H)的試樣進行工藝試驗。采用ARL4460直讀光譜儀對試樣的化學成分進行檢測，結果見表1。試樣化學成分較普通高碳鉻軸承鋼含有較多的Si、Cr、Mo等元素。

表1 試樣化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方法

高碳鉻軸承鋼采用等溫淬火可以獲得貝氏體組織，這種組織具有較高的使用壽命。加熱溫度的不同會影響鋼的奧氏體化過程，隨著溫度的提高，鋼中奧氏體晶粒不斷長大，溫度越高原子的擴散運動越易進行。而這種粗大奧氏體晶粒在淬火冷卻后會得到同樣粗大的晶粒轉(zhuǎn)變產(chǎn)物[2]，一般在500倍光學顯微鏡中會呈現(xiàn)為粗大的貝氏體，這種組織既不符合技術標準的要求，也會直接影響軸承的使用性能。因此，為了獲得相對較優(yōu)的組織狀態(tài)和材料性能，合理的等溫淬火工藝參數(shù)非常重要。

1.2.1工藝參數(shù)選擇

試樣淬火加熱溫度分別選擇860、865、875和885 ℃；等溫溫度為239 ℃。

采用鹽浴爐對試樣進行加熱，將淬火試樣放入爐內(nèi)加熱時，溫度升至試驗設計溫度時，開始計算保溫時間，保證試樣的表面及心部能夠完全達到試驗設計需要的溫度。

試樣溫度到達試驗溫度后，保溫進行奧氏體組織轉(zhuǎn)變，若保溫時間不足會造成奧氏體組織轉(zhuǎn)變不完全，保溫時間過長，會使奧氏體晶粒粗大。

該鋼種化學成分中含有碳化物形成元素Mo、Cr，它們形成的合金碳化物對奧氏體晶粒長大起到阻礙作用[3]。在加熱過程中保證試樣充分奧氏體化，采用如下公式[4]計算：

T=1.5×D×Kmin/mm

式中：T為試樣的加熱保溫時間；D為試樣的有效壁厚；K為裝爐系數(shù)，由于試樣尺寸小，K值取1。

計算得出保溫時間：

T=1.5×40 mm×1 min/mm=60 min。

1.2.2工藝制定

試驗工藝流程為：試樣淬火加熱保溫→鹽浴淬火→鹽浴等溫。試驗工藝見圖1。

圖1 試驗工藝Fig.1 The experiment process

淬火鹽液及等溫鹽液組成為成分重量比1:1的NaNO2和 KNO3，試樣鹽浴淬火時，在鹽浴中上、下運動，保證淬火冷卻充分。

2 試驗結果

2.1 硬度

采用HR-150洛氏硬度計分別對4組試樣進行硬度檢驗，檢驗結果見表2，符合標準JB/T 1255—2014[7]的要求。

表2 試樣硬度值(HRC)

2.2 顯微組織

將等溫淬火試樣磨制成金相試樣，在OLYMPUS GX51光學顯微鏡下觀察顯微組織。按JB/T 1255—2014標準中第二、第五級別圖進行評定，顯微組織見圖2，金相檢驗結果見表3。由表3可知，860 ℃和865 ℃等溫淬火溫度下，試樣中貝氏體組織<1級，合格；875 ℃和885 ℃等溫淬火溫度下，試樣中貝氏體組織>1級，不合格。不同淬火工藝下，組織中均無屈氏體。

(a)860 ℃；(b) 865 ℃；(c) 875 ℃；(d) 885 ℃圖2 不同等溫淬火溫度試樣顯微組織Fig.2 Microstructure of samples with different austempering temperatures

表3 試樣金相組織

2.3 殘余奧氏體

采用Empyrean X射線衍射儀對試樣殘余奧氏體進行檢測，結果如表4所示，殘余奧氏體含量在8.5%～12.5%之間。

表4 試樣殘余奧氏體含量(%)

3 結論

1)不同淬火加熱溫度下,試樣的硬度均滿足技術要求；

2) 不同淬火加熱溫度下,試樣的殘余奧氏體含量在8.5%～12.5%之間；

3) 淬火加熱溫度為860 ℃或865 ℃，鹽浴等溫溫度為239 ℃時，試樣的顯微組織為細小貝氏體，組織合格；淬火加熱溫度為875 ℃或885 ℃，鹽浴等溫溫度為239 ℃時，試樣的顯微組織為粗大貝氏體，組織不合格；

4)建議采用淬火加熱溫度為860 ℃或865 ℃，鹽浴等溫溫度為239 ℃的等溫淬火工藝進行生產(chǎn)。