GCr15軸承鋼真空淬火組織與性能*

余松平，楊 闖2▲，甘 露，張興國，林 鈺

(1.中航力源液壓股份有限公司，貴州 貴陽 550018；2.貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550025)

GCr15軸承鋼是一種常用的高鉻軸承鋼，淬火加回火后具有較高的硬度和耐磨性、良好的尺寸穩(wěn)定性及優(yōu)異的接觸疲勞性等在各種機械零部件上得到了廣泛的應用[1-3]。由于軸承的使用工作環(huán)境日益復雜，在工作的過程中要承受拉伸、壓縮、彎曲、剪切、交變等復雜的應力狀態(tài)，受力情況復雜，對軸承材料的高質量、可靠性和綜合性能提出了更高的要求[4-5]。GCr15軸承鋼屬于高碳鋼，普通的淬火處理表面易發(fā)生氧化脫碳現(xiàn)象，極大影響GCr15軸承鋼的使用性能[6-7]，其應用范圍受到很大的限制。本文根據GCr15軸承鋼的性能特點，采用真空油淬的方法對GCr15軸承鋼進行熱處理，重點研究了油面壓強和淬火轉移時間對GCr15軸承鋼組織和性能的影響，為提高GCr15軸承鋼的性能及應用提供參考。

1 實驗材料及方法

實驗材料為GCr15鋼，尺寸為Ф50 mm×Ф15 mm×60 mm，主要成分如表1。

表1 GCr15鋼的化學成分(質量分數，%)

真空淬火在真空油淬爐中進行，淬火溫度為860 ℃，淬火加熱時間為2 h，真空油淬后采用兩種方案進行冷卻：① 淬火冷卻傳輸機構為機械傳動，油面未充氣加壓，淬火油面壓強為1～10 Pa，轉移時間為30 s；② 真空油淬爐采用液壓傳動，配置加壓系統(tǒng)，淬火油面充入高純氮氣，淬火油面壓強為1.5×105Pa，轉移時間為13 s。真空淬火油冷后，迅速在冷凍箱中進行深冷處理，深冷處理溫度為-70 ℃，深冷處理時間為1 h，深冷處理后立刻在烘箱中進行低溫回火，低溫回火溫度為160 ℃，回火時間為2 h。利用OLYMPUS型光學顯微鏡進行組織分析，采用洛氏硬度計進行硬度測試。真空油淬工藝流程如圖1。

圖1 GCr15鋼真空油淬工藝曲線

2 實驗結果

2.1 GCr15鋼的過冷奧氏體冷卻轉變曲線

當鋼加熱至臨界點以上進行保溫，將形成穩(wěn)定的奧氏體組織[8]。奧氏體冷卻至臨界點以下將不再穩(wěn)定，在不同的冷卻條件下，過冷奧氏體將轉變?yōu)椴煌慕M織，根據冷卻速度的不同，將轉變?yōu)橹楣怏w、貝氏體、馬氏體以及混合組織，冷卻后獲得不同的性能。GCr15鋼屬于過共析鋼，淬火加熱溫度在Ac1～Acm之間，此時組織為奧氏體+未溶碳化物兩相狀態(tài)，加熱溫度越接近Acm，滲碳體溶解越多，奧氏體中的碳含量越高，其馬氏體轉變點(Ms點)越低。因此，根據GCr15鋼的成分特點，本文采用真空淬火溫度為860℃，為保證碳化物充分溶解，淬火保溫時間為2 h。

圖2為GCr15鋼的過冷奧氏體冷卻轉變曲線。由圖2可知，GCr15按①曲線進行較快冷卻，在高溫區(qū)短時停留時間短于珠光體的孕育時間約12 s，在低溫區(qū)短時停留時間短于貝氏體的孕育時間約1 min，過冷奧氏體全部過冷至馬氏體轉變溫度240 ℃以下后，主要轉變?yōu)殡[晶馬氏體。GCr15按②較慢冷卻曲線進行冷卻，在高溫區(qū)短時停留時間長于珠光體的孕育時間約12 s，在低溫區(qū)短時停留時間短于貝氏體的孕育時間約1 min，過冷奧氏體全部過冷至馬氏體轉變溫度約240 ℃以下后，主要轉變?yōu)殡[晶馬氏體+珠光體。GCr15按③最慢冷卻曲線進行冷卻，在高溫區(qū)短時停留時間長于珠光體的孕育時間約12 s，在低溫區(qū)短時停留時間長于貝氏體的孕育時間約1 min，過冷奧氏體全部過冷至馬氏體轉變溫度約240 ℃以下時，主要轉變?yōu)殡[晶馬氏體+珠光體+貝氏體。

2.2 組織分析

圖3為GCr15鋼真空油淬后經不同油面壓強和轉移時間冷卻后的低溫回火組織。由圖3可知，當真空油淬的油面壓強為1～10 Pa，淬火轉移時間為30 s時，油淬冷卻速度接近圖2中較慢冷卻曲線②，

圖2 GCr15鋼的過冷奧氏體轉變曲線

在高溫冷卻區(qū)域，短時停留時間長于珠光體孕育期12 s，冷卻后出現(xiàn)了珠光體組織，碳化物較為粗大，數量較少，且分布不均勻，經160 ℃低溫回火后的組織為隱晶馬氏體+珠光體+碳化物(見圖3(a))。當真空油淬爐的傳動系統(tǒng)采用液壓傳動，配置加壓系統(tǒng)，淬火油面充1.5×105Pa高純氮氣，此時淬火壓強遠高于臨界淬火壓強(通常為5×104Pa)，淬火轉移時間為13 s時，油淬冷卻速度接近圖2中冷卻曲線①，在高溫冷卻區(qū)域，短時停留時間短于珠光體孕育期12 s，低溫冷卻區(qū)域，短時停留時間短于貝氏體孕育期1 min，與真空淬火油面壓強為1～10 Pa，淬火轉移時間為30 s時的冷卻組織相比，冷卻后未發(fā)現(xiàn)珠光體組織，碳化顆粒細小，數量明顯增多，呈均勻分布，經160 ℃低溫回火后的組織為完全的隱晶馬氏體+彌散分布粒狀碳化物(見圖3(b))。

圖3 GCr15鋼真空淬火經低溫回火后的顯微組織

2.3 硬度分析

表2為GCr15鋼真空淬火后經兩種油面壓強和轉移時間淬火油冷，并經低溫回火后的硬度值，圖4為兩種狀態(tài)油冷并經低溫回火后的硬度曲線。由表2和圖4可知，當真空淬火油面壓強為1.5×105Pa，淬火轉移時間為13 s時，試樣硬度較高，且硬度較為均勻，平均硬度值為63.2 HRC。當真空淬火油面壓強為1～10 Pa，淬火轉移時間為30 s時，試樣硬度較低，且硬度均勻性較差，平均硬度值僅為51.2 HRC。由此可知，增加真空淬火油面壓強，縮短淬火轉移時間，能極大提高GCr15鋼的硬度，獲得均勻的硬度。

表2 GCr15鋼真空油淬后的硬度值

GCr15鋼真空淬火后的硬度與淬火后所獲得的組織類型及碳化物的分布密切相關，當GCr15鋼真空淬火油面壓強為1～10 Pa，淬火轉移時間為30 s，經160 ℃低溫回火后組織中出現(xiàn)了珠光體組織，碳化物較為粗大，且分布不均勻，因此淬火加低溫回火后硬度較低，且試樣硬度不均勻。而當淬火油面壓強為1.5×105Pa，淬火轉移時間為15 s時，經160 ℃低溫回火后組織未見珠光體組織，碳化物分布均勻且較為細小，因此淬火加低溫回火后能獲得較高的硬度，且試樣硬度均勻。

圖4 GCr15鋼經不同真空油淬后的硬度曲線

3 討論

GCr15鋼真空油淬的組織與性能，取決于真空油淬的冷卻能力，而真空油淬冷卻能力受淬火油面壓強和轉移時間兩方面影響。轉移時間就是加熱室門開啟距淬火料框入油的間隔，淬火冷卻速度快慢除了受淬火油本身冷卻特性影響外，油面壓強是非常關鍵的影響因素，低壓強下，油的蒸汽膜存在的時間較長[9]，真空淬火油的冷卻能力明顯下降。因此，要提高真空油淬冷卻能力，必須加快淬火轉移速度，提高淬火油面的壓強，即向淬火室充入一定壓力的中性或惰性氣體，在油面上造成一定的壓強，該壓強應大于臨界淬火壓強(淬透性較差鋼，通常為5×104Pa)[10]，方能實現(xiàn)鋼的充分淬火，獲得理想的GCr15鋼真空淬火組織，達到較高且均勻的硬度。

4 結論

(1)真空油淬的油面壓強為1～10 Pa，淬火轉移時間為30 s時，GCr15鋼淬火經低溫回火后的組織為隱晶馬氏體+珠光體+碳化物，碳化物較為粗大且分布不均勻。當真空淬火油面壓強為1.5×105Pa，淬火轉移時間為13 s時，GCr15鋼淬火經低溫回火后的組織為隱晶馬氏體+彌散分布粒狀碳化物，碳化物細小，呈均勻分布。

(2)真空油淬的油面壓強為1～10 Pa，淬火轉移時間為30 s時，GCr15鋼淬火經低溫回火后的平均硬度為51.2 HRC，硬度均勻性較差。當淬火油面壓強為1.5×105Pa，淬火轉移時間為13 s時，試樣平均硬度為63.2 HRC，硬度均勻性好。提高淬火油面壓強和縮短淬火轉移時間，能極大提高GCr15鋼的硬度，獲得均勻的硬度。