第一、二、三代軸承鋼及其熱處理技術(shù)的研究進展(十九)

朱祖昌，楊弋濤，朱聞煒

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620； 2.上海大學(xué)，上海 200072；3.上海軌道交通檢測認證(集團)有限公司，上海 200434)

5.1.6冷處理的安排

(1)冷處理的溫度

冷處理溫度主要根據(jù)鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(Mf)、淬火組織中殘余奧氏體含量、冷處理對力學(xué)性能的影響、零件的技術(shù)要求和形狀復(fù)雜情況而定。GCr15鋼在加熱到正常淬火溫度后連續(xù)冷卻到低溫時，馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(Mf)在-70 ℃左右。低于Mf的冷處理，對減少殘余奧氏體的效果并不顯著。GCr15、GCr15SiMn鋼的冷處理溫度對殘余奧氏體含量的影響見圖138。

GCr15鋼所采用的冷處理溫度：一般精密品多在-20 ℃冷凍室內(nèi)處理；高精品(p2，p4級)產(chǎn)品零件采用-78 ℃(干冰酒精)或低溫箱等其他冷處理方法。此種鋼如采用-183 ℃和-195 ℃冷處理與-80 ℃相比，不僅不能顯著減少，還會加大零件內(nèi)應(yīng)力，會引起超顯微裂紋，從而降低疲勞壽命和沖擊韌性，因而很少采用。如GCr15鋼在-78 ℃時的殘余奧氏體的量為7%，在-196 ℃時大約為5%。

(2)冷處理的保溫時間

僅從馬氏體相變來看，奧氏體轉(zhuǎn)變是冷至Ms～Mf溫度范圍內(nèi)完成的。由于裝入量不同，在生產(chǎn)上冷處理保溫時間通常規(guī)定為1～1.5 h。但應(yīng)指出，深冷處理并不能使殘余奧氏體全部轉(zhuǎn)變(圖138)。

1-GCr15鋼，850 ℃淬火；2-GCr15SiMn鋼，830 ℃淬火圖138 GCr15和GCr15SiMn鋼冷處理溫度對殘留奧氏體含量的影響Fig.138 The affect of cold heat-treatment temperature on the content of retained austenite in the GCr15 and GCr15SiMn steel

(3)冷處理的方法

淬冷后到冷處理之間的停留時間不宜過長。生產(chǎn)中零件淬冷到室溫后，立即在低溫箱或干冰酒精中進行冷處理。從淬冷后到冷處理之間停留時間越短，冷處理的效果越好；停留時間過久，易出現(xiàn)殘余奧氏體的陳化穩(wěn)定，降低冷處理效果。對形狀復(fù)雜的零件淬冷到室溫后立即進行冷處理會產(chǎn)生開裂。因此，對這種零件在淬火和冷到室溫后，可先進行110～130 ℃保溫30～40 min預(yù)回火。然后再進行冷處理，但回火會使殘余奧氏體陳化穩(wěn)定。冷處理后零件應(yīng)放在空氣中恢復(fù)到室溫后立即進行回火，否則會導(dǎo)致零件開裂。一般從深冷處理后至回火的停留時間不應(yīng)超過4 h。

對一些零件的尺寸穩(wěn)定性有特殊要求時，可采用多次冷處理與活化相結(jié)合的工藝，即在第一次冷處理后，待零件溫度恢復(fù)到室溫，進行110～120 ℃加熱保溫1～2 h的活化處理，出爐后冷卻到室溫再進行第二次深冷處理。

5.1.7回火和回火規(guī)范

GCr15和GCr15SiMn軸承鋼的淬火組織中存在馬氏體和殘留奧氏體兩種亞穩(wěn)定組織，具有會自發(fā)轉(zhuǎn)變或誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織的趨勢。同時，零件在淬火后處于高應(yīng)力狀態(tài)，在長時間存放或使用過程中，會容易發(fā)生變形而失去精度，甚至于產(chǎn)生開裂。

通過回火可以減少GCr15和GCr15SiMn鋼中淬火殘余奧氏體Aγ量(見圖139、圖140)。GCr15鋼在850 ℃淬火時Aγ約為12%，170 ℃回火4～8 h時降低為9%，在225 ℃回火時大約降低為0%。GCr15SiMn鋼淬火后Aγ約為9%，170 ℃回火時降低為7.8%，在250 ℃回火時大約降低為0%。GCr15鋼在150 ℃回火5～10 h后硬度為62 HRC，GCr15SiMn鋼在150 ℃回火5～10 h后硬度為63 HRC，見圖141；消除殘留應(yīng)力在100 ℃回火1～10 h時達到90±(2～3)%范圍，見圖142；GCr15鋼的接觸疲勞壽命在150 ℃開始出現(xiàn)下降，數(shù)值為230 h，回火溫度在200 ℃時的數(shù)值為200 h，見圖143。另外回火還影響GCr15鋼的耐磨性，在840 ℃加熱，150 ℃馬氏體分級淬火，-78 ℃×2 h冷處理，不同溫度回火3 h后GCr15鋼的耐磨性見圖144，回火溫度對GCr15鋼力學(xué)性能的影響見圖145，穩(wěn)定組織、提高韌性和獲得良好力學(xué)性能。

1-未冷處理15 ℃;2-冷處理-25 ℃×1 h;3-冷處理-78 ℃×1 h;4-冷處理-196 ℃×1 h(a)回火溫度(保溫8 h);(b)回火時間圖139 回火溫度和時間對GCr15鋼(850 ℃淬火)殘留奧氏體的影響(a)tempering temperature(holding time 8 h)；(b)tempering timeFig.139 The affect of tempering temperatures and tempering time on the content of retained austenite for GCr15 steel(850 ℃ quenched)

1-未冷處理15 ℃;2-冷處理-25 ℃×1 h;3-冷處理-78 ℃×1 h;4-冷處理-196 ℃×1 h(a)回火溫度(保溫8 h);(b)回火時間圖140 回火溫度和時間對GCr15SiMn鋼殘留奧氏體的影響(a)tempering temperature(holding time 8 h)；(b)tempering timeFig.140 The affect of tempering temperatures and tempering time on the content of retained austenite for GCr15SiMn steel

(a)GCr15鋼；(b)GCr15SiMn鋼圖141 回火溫度和時間對GCr15、GCr15SiMn鋼硬度的影響(a)GCr15 steel；(b)GCr15SiMn steelFig.141 The affect of tempering temperatures and tempering time on the hardness of GCr15 and GCr15SiMn steel

圖142 回火溫度和時間對GCr15鋼應(yīng)力消除程度的影響Fig.142 The affect of tempering temperatures and tempering time on the stress elimination degree of GCr15 steel

圖143 回火溫度對GCr15鋼接觸疲勞壽命的影響Fig.143 The affect of tempering temperatures on the contact-fatigue-life of GCr15 steel

鉻軸承鋼的回火工藝應(yīng)該根據(jù)軸承的服役條件和技術(shù)要求確定。通常分為三種：①常規(guī)回火，一般軸承零件的回火；②穩(wěn)定化回火，精密軸承零件的回火；③高溫回火，一些航空軸承和特殊軸承零件的回火。為了保證軸承在使用條件下的尺寸、硬度和性能的穩(wěn)定，回火溫度應(yīng)該比軸承的工作溫度高50～100 ℃。一般的軸承使用溫度在120 ℃以下，因此，常規(guī)回火采用180～200 ℃。對負荷比較輕，尺寸穩(wěn)定性能要求高的軸承可采用200～250 ℃回火。在高溫下工作的軸承，按使用溫度可選用S0(200 ℃)、S1(250 ℃)、S2(300 ℃)或S3(400 ℃)。

圖144 回火溫度對GCr15鋼耐磨性的影響Fig.144 The affect of tempering temperatures on the wear-resistance of GCr15 steel

圖145 回火溫度對GCr15鋼力學(xué)性能的影響Fig.145 The affect of tempering temperatures on the mechanical properaties of GCr15 steel

回火時間按軸承零件尺寸大小和精度加以選擇，一般軸承零件在熱風(fēng)循環(huán)空氣電爐，油浴爐或硝浴爐中進行回火，采用保溫3～5 h；如果在油浴爐或硝浴爐中進行回火，保溫時間可以適當減少；大型和特大型軸承零件的回火時間，根據(jù)其尺寸和壁厚可選6～12 h。

一般軸承零件回火規(guī)范見表32。精密軸承零件回火均在油爐中進行，且回火時間可增加2～3 h。軸承零件高溫回火規(guī)范見表33。

表32 軸承零件回火規(guī)范Table 32 The tempering specification of bearing parts

表33 軸承零件高溫回火規(guī)范Table 33 The high temperature tempering specification of bearing parts

軸承零件回火后硬度要求見表34。高溫回火零件的硬度要求見表35。高于300 ℃回火后零件的硬度按圖樣規(guī)定。

軸承零件回火后的顯微組織、斷口、脫碳、貧碳和畸變等均按淬火后技術(shù)要求。軸承零件的回火穩(wěn)定性應(yīng)小于1 HRC。鋼球的壓碎載荷不得低于表35的規(guī)定(可以見原手冊p141)。

表34 軸承零件回火后的硬度要求Table 34 The hardness requirement after tempering of bearing parts

回火后質(zhì)量檢查除淬火、回火后的檢查項目外，必須進行鋼球壓碎載荷和回火穩(wěn)定性的檢查?；鼗鸱€(wěn)定性檢查主要是檢查回火是否充分，其方法是將已回火零件在原回火溫度重新回火3 h，在原回火硬度測點附近復(fù)測，硬度下降不超過1 HRC為合格。鋼球壓碎載荷試驗可按標準GB/T 308規(guī)定進行。

表35 高溫回火的軸承零件硬度要求Table 35 The hardness requirement after high temperature tempering of bearing parts

(未完待續(xù))