表面淬火工藝對(duì)大型軸承套圈用42CrMo鋼淬硬層的影響

魏世同， 吳長江,2， 鄭雷剛， 胡小強(qiáng)， 陸善平

(1. 中國科學(xué)院 金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家研究中心， 遼寧 沈陽 110016;2. 沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

大型軸承被廣泛應(yīng)用在風(fēng)電、船舶、航空航天等領(lǐng)域，尤其是連接動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，使用過程中軸承需承受較大力和力矩，受載情況復(fù)雜。由于一些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件在既定使用環(huán)境中不容許失效，因此其軸承的壽命和可靠性直接影響整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用安全性，幾乎等同于整個(gè)機(jī)構(gòu)或部件的壽命[1-3]。隨著各領(lǐng)域大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用量的增加，對(duì)于其中大型軸承的要求也越來越高。我國自有大型軸承的研制起步較晚，無論從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是制造工藝上都缺少系統(tǒng)研究，其壽命和可靠性與國外同類產(chǎn)品相比仍存在很大差距，導(dǎo)致國內(nèi)大型軸承仍依賴進(jìn)口[4]。但由于國外產(chǎn)品生產(chǎn)周期長且價(jià)格昂貴，極大地增加了我國大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及部件的制造成本，并嚴(yán)重制約了國內(nèi)大型軸承技術(shù)的發(fā)展，成為制約我國大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和部件制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此為滿足我國大型工程項(xiàng)目的需求，應(yīng)加快我國大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制造技術(shù)的研究進(jìn)展，其中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵軸承的國產(chǎn)化，將成為促進(jìn)或制約我國大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵因素[5-7]。

表面淬火是軸承制造過程中的主要工藝，其目的是獲得高硬度的表面層和有利的內(nèi)應(yīng)力分布，以提高軸承的耐磨和抗疲勞性能，同時(shí)又保證整體具有良好的塑性和韌性。表面淬火工藝首先通過不同的熱源對(duì)工件進(jìn)行快速加熱，當(dāng)工件表層溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上(此時(shí)工件心部溫度處于臨界點(diǎn)以下)時(shí)迅速冷卻，使工件表層得到淬硬組織而心部仍保持原始組織，為達(dá)到只加熱工件表層的目的，要求所用熱源具有較高的能量密度。根據(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等，每種加熱方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，也會(huì)得到不同的淬火質(zhì)量，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇加熱方法，目前感應(yīng)淬火是生產(chǎn)大型軸承套圈、實(shí)現(xiàn)套圈外強(qiáng)內(nèi)韌而保證軸承壽命的主要熱處理方式[8-10]。

42CrMo鋼淬火回火處理后具有高的屈強(qiáng)比、較高的彈性極限和耐磨性能、良好的抗疲勞和抗多次沖擊性能，且經(jīng)表面淬火后表面硬度高，以及心部韌性好，可使大尺寸的軸承套圈具有良好的綜合力學(xué)性能，近年來42CrMo鋼在大型軸承套圈中得到廣泛應(yīng)用[11-12]。一些學(xué)者對(duì)于中頻感應(yīng)表面淬火工藝對(duì)42CrMo鋼淬硬層深度的影響進(jìn)行了研究，但對(duì)于淬硬層組織和性能關(guān)系的研究還比較少[13-15]。

本文以大型軸承套圈用42CrMo鋼為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析不同表面感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對(duì)42CrMo軸承鋼淬硬層組織及硬度分布的影響規(guī)律，以此確定合適的表面淬火溫度及冷卻介質(zhì)，研究結(jié)果能為中碳軸承鋼表面淬火工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和淬硬層組織性能控制提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用42CrMo中碳軸承鋼采用200 kg真空感應(yīng)熔煉爐制備，化學(xué)成分如表1所示，之后將鑄錠鍛造為φ180 mm的圓棒，然后經(jīng)860 ℃油淬+670 ℃回火熱處理后加工為表面感應(yīng)淬火試樣，試樣為半徑80 mm、厚度40 mm、圓心角60°的扇形。使用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備將試樣表面分別加熱到840、870、900及920 ℃并保溫20 s后，分別進(jìn)行水淬和油淬，試樣加熱過程如圖1所示，具體表面淬火工藝參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 試樣感應(yīng)加熱過程Fig.1 Induction heating process of the specimen

表2 表面淬火工藝參數(shù)

對(duì)不同表面淬火工藝所得試樣進(jìn)行組織及性能分析，首先使用線切割機(jī)切取金相試樣，試樣經(jīng)研磨、拋光及用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，分別采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察，并使用透射電鏡分析表面淬火試樣不同區(qū)域組織結(jié)構(gòu)及析出相情況，之后使用洛氏硬度計(jì)測試試樣不同區(qū)域的硬度，由試樣表面淬火面開始向內(nèi)部方向進(jìn)行連續(xù)硬度測試，間隔2 mm。根據(jù)結(jié)果確定表面淬火工藝參數(shù)與組織和硬度的關(guān)系，為合理制定42CrMo中碳軸承鋼表面淬火工藝提供理論參考和實(shí)際指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面淬火工藝對(duì)洛氏硬度的影響

根據(jù)硬度值的差異，表面淬火試樣可分為3個(gè)區(qū)域，按硬度由大到小依次為淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體，不同表面淬火工藝參數(shù)條件下42CrMo鋼的硬度分布如圖2所示，結(jié)果表明，隨著表面淬火加熱溫度的升高，表面淬硬層的深度增加，并且相對(duì)于水淬，油淬的淬硬層深度顯著減小，因此實(shí)際應(yīng)用中為保持一定量的淬硬層深度，應(yīng)采用水淬方式。為分析不同表面淬火工藝對(duì)試樣硬度分布的影響原因，需要對(duì)不同表面淬火工藝試樣不同區(qū)域的組織進(jìn)行系統(tǒng)分析。

圖2 表面淬火工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)鋼硬度分布的影響Fig.2 Effect of surface quenching parameters on hardness distribution of the tested steel

圖3 不同表面淬火工藝下試驗(yàn)鋼的淬硬區(qū)組織(a)920 ℃水淬；(b)900 ℃水淬；(c)870 ℃水淬；(d)840 ℃水淬；(e)870 ℃油淬Fig.3 Microstructure of hardened zones of the tested steel under different surface quenching processes (a) 920 ℃ water quenching； (b) 900 ℃ water quenching； (c) 870 ℃ water quenching； (d) 840 ℃ water quenching； (e) 870 ℃ oil quenching

2.2 表面淬火工藝對(duì)微觀組織的影響

不同表面淬火工藝條件下42CrMo鋼淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體顯微組織如圖3～圖5所示。由圖3(a～d)可知，在840～920 ℃水淬(1～4號(hào))工藝條件下，淬硬區(qū)組織均為馬氏體組織，而870 ℃油淬(5號(hào))工藝相對(duì)于水淬工藝，冷速較慢，部分奧氏體發(fā)生了鐵素體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致淬硬層組織為馬氏體+鐵素體組織(見圖3(e))。不同表面淬火工藝條件下過渡區(qū)組織均為馬氏體+回火索氏體組織，如圖4所示，基體仍保持原始調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體組織，如圖5所示。淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體的組織差異也反應(yīng)出硬度的差異，840～920 ℃水淬(1～4號(hào))試樣淬硬區(qū)為全馬氏體組織，導(dǎo)致該區(qū)域硬度很高，而且隨著淬火溫度的升高，試樣表面奧氏體化區(qū)域的深度增加，導(dǎo)致淬火后表面淬硬層的深度增加，對(duì)于870 ℃油淬(5號(hào))試樣，由于冷速較慢，淬硬區(qū)為馬氏體+鐵素體，導(dǎo)致該區(qū)域硬度相對(duì)于水淬試樣有所降低。不同表面淬火工藝試樣的過渡區(qū)加熱溫度均處于兩相區(qū)(Ac1～Ac3)，保溫過程中組織為奧氏體+原始的回火索氏體，在隨后的淬火過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，最終形成馬氏體+回火索氏體復(fù)相組織，因此其硬度相對(duì)于淬硬層有所降低，而且隨著過渡區(qū)深度的增加，加熱溫度降低，奧氏體化程度降低，將導(dǎo)致最終組織中馬氏體含量降低，因此硬度也逐漸降低，直至加熱溫度低于Ac1，進(jìn)入基體區(qū)，硬度降為最低，深度繼續(xù)增加，組織和硬度均保持穩(wěn)定。

圖4 不同表面淬火工藝下試驗(yàn)鋼的過渡區(qū)組織(a)920 ℃水淬；(b)900 ℃水淬；(c)870 ℃水淬；(d)840 ℃水淬；(e)870 ℃油淬Fig.4 Microstructure of transition zones of the tested steel under different surface quenching processes (a) 920 ℃ water quenching； (b) 900 ℃ water quenching； (c) 870 ℃ water quenching； (d) 840 ℃ water quenching； (e) 870 ℃ oil quenching

圖5 不同表面淬火工藝下試驗(yàn)鋼的基體組織(a)920 ℃水淬；(b)900 ℃水淬；(c)870 ℃水淬；(d)840 ℃水淬；(e)870 ℃油淬Fig.5 Microstructure of the tested steel base material under different surface quenching processes (a) 920 ℃ water quenching； (b) 900 ℃ water quenching； (c) 870 ℃ water quenching； (d) 840 ℃ water quenching； (e) 870 ℃ oil quenching

使用掃描電鏡觀察870 ℃水淬(3號(hào))和油淬(5號(hào))試樣不同區(qū)域的顯微組織，結(jié)果如圖6所示，與光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果一致，水淬試樣淬硬區(qū)組織為馬氏體，如圖6(a)所示，而油淬試樣淬硬區(qū)組織為馬氏體+鐵素體，如圖6(d)所示，水淬和油淬試樣的過渡區(qū)均為馬氏體+回火索氏體組織，如圖6(b，e)所示，基體均為原始的回火索氏體組織，如圖6(c，f)所示。

圖6 870 ℃水淬(a～c)與油淬(d～f)條件下試驗(yàn)鋼的SEM照片(a,d)淬硬區(qū);(b,e)過渡區(qū);(c,f)基體 Fig.6 SEM images of the tested steel under 870 ℃ water quenching(a-c) and oil quenching(d-f) conditions(a,d) hardened zone； (b,e) transition zone; (c,f) base material

為進(jìn)一步分析表面淬火試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征，使用透射電鏡對(duì)基體和淬硬層組織進(jìn)行對(duì)比研究(見圖7)，結(jié)果表明，基體組織內(nèi)部包含大量大尺寸的析出相，衍射分析表明析出相為M23C6碳化物，EDS分析表明M23C6主要含有Fe、Cr、Mo、C元素。利用TEM組織觀察及衍射分析淬硬區(qū)，表明該區(qū)域?yàn)槿R氏體組織。

圖7 870 ℃水淬試樣基體(a～c)和淬硬區(qū)(d, e)的TEM分析結(jié)果(a,d) TEM照片；(b,e)電子衍射斑點(diǎn)；(c)EDS能譜Fig.7 TEM analysis results of the base material(a-c) and hardened zone(d,e) of the 870 ℃ water quenched specimen(a,d) TEM images; (b,e) electron diffraction spots; (c) EDS spectrum

3 結(jié)論

1) 對(duì)42CrMo中碳軸承鋼進(jìn)行不同溫度及淬火介質(zhì)的表面淬火處理，根據(jù)硬度值的差異，表面淬火試樣可分為3個(gè)區(qū)域，按硬度由大到小依次為淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體，隨著表面淬火加熱溫度的升高，表面淬硬層的深度增加，并且相對(duì)于水淬，油淬的淬硬層深度顯著減少。

2) 水淬淬硬區(qū)組織均為馬氏體組織，而油淬工藝由于冷速較慢，淬硬層組織為馬氏體+鐵素體組織，不同表面淬火工藝條件下過渡區(qū)組織均為馬氏體+回火索氏體組織，基體為原始調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體組織。淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體的組織差異導(dǎo)致硬度的差異。

3) 實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)所需淬硬層深度選擇合適的加熱溫度并水淬。