高碳鉻軸承鋼網(wǎng)狀碳化物的析出規(guī)律研究

楊晨星，宋華華，李付偉，劉匯河，徐保中

(1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039； 2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高端軸承產(chǎn)業(yè)研究院，河南 洛陽(yáng) 471039； 4.河南省軸承技術(shù)創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471039)

軸承的應(yīng)用已滲入國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域[1]，軸承鋼作為制造軸承的主要材料，組織特征對(duì)軸承的壽命有著至關(guān)重要的影響。網(wǎng)狀碳化物主要是在熱加工過(guò)程中溫度過(guò)高或冷卻不足時(shí)碳化物沿晶界析出而形成的[2]，網(wǎng)狀碳化物會(huì)增加鋼的脆性，降低鋼的韌性[3-4]。軸承零件的網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)將會(huì)使零件產(chǎn)生早期失效[5]。俞峰等[6]通過(guò)控冷技術(shù)，使終軋后快速冷卻至碳化物析出溫度以下，從而抑制網(wǎng)狀碳化物的析出。況作田等[7]認(rèn)為只要材料加熱過(guò)程不過(guò)熱、球坯不高溫堆積，網(wǎng)狀碳化物仍為細(xì)網(wǎng)。孫艷坤等[8]通過(guò)軋后快冷抑制網(wǎng)狀碳化物的析出。

本文通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，針對(duì)影響網(wǎng)狀碳化物的主要因素，探究網(wǎng)狀碳化物的形成規(guī)律，將鋼球中網(wǎng)狀碳化物控制在合格范圍，為鋼球生產(chǎn)制造過(guò)程中提供工藝參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼為退火態(tài)GCr15軸承鋼鋼球，采用電渣重熔工藝冶煉，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。鋼球直徑為φ40 mm，碳化物均勻分布在基體上，未形成網(wǎng)狀碳化物，如圖1所示。表2為不同溫度和不同冷卻方式的熱處理工藝參數(shù)，冷卻至室溫后按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》要求進(jìn)行網(wǎng)狀碳化物評(píng)級(jí)。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 試驗(yàn)鋼退火態(tài)組織

表2 熱處理工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加熱溫度對(duì)網(wǎng)狀碳化物的影響

GCr15軸承鋼在900 ℃保溫3 h，爐冷后試樣的網(wǎng)狀碳化物組織如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，900 ℃時(shí)鋼中有大量碳化物析出，但未形成網(wǎng)狀碳化物，這說(shuō)明加熱溫度不超過(guò)900 ℃時(shí)，不具備析出網(wǎng)狀碳化物條件。這是由于GCr15鋼Acm為900 ℃，在900 ℃加熱溫度下仍有少部分碳化物未溶入奧氏體，未達(dá)到網(wǎng)狀碳化物析出的飽和度，在冷卻的過(guò)程中不會(huì)析出網(wǎng)狀碳化物。

GCr15軸承鋼在910～950 ℃保溫3 h，爐冷后試樣的網(wǎng)狀碳化物組織如圖2(b)～2(f)所示。910 ℃時(shí)網(wǎng)狀碳化物>3級(jí)；920 ℃時(shí)晶界處析出大量網(wǎng)狀碳化物(>3級(jí))，晶內(nèi)析出少量碳化物，片層珠光體組織明顯可見(jiàn)；930～950 ℃時(shí)碳化物主要沿晶界析出，呈網(wǎng)狀分布(>3級(jí))，碳化物的析出導(dǎo)致晶界明顯可見(jiàn)，晶內(nèi)有極少量可見(jiàn)碳化物，顯微組織為片層珠光體。這說(shuō)明加熱溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，在隨爐冷卻的條件下，奧氏體基體中的碳化物沿晶界大量析出，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)的現(xiàn)象。

(a)900 ℃；(b)910 ℃；(c)920 ℃；(d)930 ℃；(e)940 ℃；(f)950 ℃

2.2 冷卻方式對(duì)網(wǎng)狀碳化物的影響

GCr15軸承鋼在940 ℃保溫3 h后，分別進(jìn)行灰冷、爐冷、開(kāi)爐門(mén)冷卻、空冷、風(fēng)冷和水淬，冷卻后網(wǎng)狀碳化物組織如圖3所示。網(wǎng)狀碳化物評(píng)級(jí)見(jiàn)表3?；依?、爐冷和開(kāi)爐門(mén)冷卻后晶界析出大量碳化物，網(wǎng)狀碳化物嚴(yán)重超標(biāo)；空冷后網(wǎng)狀碳化物為2.5級(jí)，金相組織主要為片層珠光體；風(fēng)冷后晶界僅有少量碳化物析出，網(wǎng)狀碳化物為2.0級(jí)，金相組織主要為片層珠光體；水冷后晶界網(wǎng)狀碳化物<1級(jí)，金相組織主要為淬火馬氏體。

表3 不同冷卻方式條件下試樣的網(wǎng)狀碳化物評(píng)級(jí)

(a)灰冷；(b)爐冷；(c)開(kāi)爐門(mén)冷卻；(d)空冷；(e)風(fēng)冷；(f)水淬

3 結(jié)論

1)GCr15軸承鋼在900 ℃保溫3 h，爐冷后未出現(xiàn)超標(biāo)的網(wǎng)狀碳化物，910～950 ℃時(shí)碳化物主要沿晶界析出，網(wǎng)狀碳化物>3級(jí)。在爐冷條件下，加熱溫度在910 ℃以上不是影響網(wǎng)狀碳化物析出的主要原因。

2)GCr15軸承鋼在940 ℃保溫3 h，灰冷、爐冷、開(kāi)爐門(mén)冷卻和空冷后出現(xiàn)超標(biāo)的網(wǎng)狀碳化物，風(fēng)冷和水冷后未出現(xiàn)超標(biāo)的網(wǎng)狀碳化物。隨著冷卻速度的降低，冷卻后網(wǎng)狀碳化物越來(lái)越嚴(yán)重。