熱處理工藝對(duì)高碳鉻軸承鋼組織和性能的影響

商肇東

摘 要：高碳鉻軸承鋼在現(xiàn)今機(jī)械制造中應(yīng)用較為常見，其在實(shí)際中具有高硬度、耐磨性好、彈性高等優(yōu)點(diǎn)，而且在實(shí)際的生產(chǎn)及加工中有著較為嚴(yán)格的生產(chǎn)要求。目前GCr15高碳鉻軸承鋼是生產(chǎn)量最大的軸承鋼種，本文則根據(jù)此種高碳鉻軸承鋼的性質(zhì)、特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分析，主要研究了不同的熱處理工藝對(duì)高碳鉻軸承鋼所產(chǎn)生的影響，從組織及性能的變化入手，探究熱處理在實(shí)際的生產(chǎn)加工中所產(chǎn)生的功效，以此來(lái)保證在高碳鉻軸承鋼加工中可以對(duì)熱處理工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x用。

關(guān)鍵詞：熱處理工藝；高碳鉻軸承鋼；組織與性能；貝氏體

在制造業(yè)中，需要應(yīng)用軸承的部分較多，同時(shí)也是制造生產(chǎn)中的重要零件，關(guān)系著產(chǎn)品的使用質(zhì)量。目前在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)不斷發(fā)展的推動(dòng)下，為了使高碳鉻軸承鋼的各方面性能得到提升會(huì)采用熱處理工藝來(lái)對(duì)其進(jìn)行改造，目前在對(duì)高碳鉻軸承鋼進(jìn)行改造的熱處理工藝有淬回火、貝氏體等溫淬火等技術(shù)，雖然在實(shí)際的使用中其有效的對(duì)高碳鉻軸承鋼組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改使其具備更高的硬度及強(qiáng)韌性，但是其處理周期卻存在較長(zhǎng)的問(wèn)題，以下則是熱處理工藝對(duì)高碳鉻軸承鋼產(chǎn)生的影響的詳細(xì)分析。

一、試驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)主要選取某工廠所生產(chǎn)的GCr15高碳鉻軸承鋼，其化學(xué)成分主要有C（0.95%）、Si（0.25%）、Mn（0.35%）、S（0.019%）、P（0.023%）、Cr（1.45%）、Fe（Bal.），此次試驗(yàn)主要對(duì)淬回火（工藝1）、貝氏體等溫淬火（工藝2）、馬氏體預(yù)淬火（工藝3）、貝氏體變溫淬火（工藝4）這四種高碳鉻軸承鋼熱處理工藝進(jìn)行研究。熱處理后的試樣在CMT5605型拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；在ZEISSULTRA55型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行組織觀察；在HXD-1000TM型維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行硬度試驗(yàn)，壓力為1000g；在JBDW-300D型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)；在DMAX-RB型X射線衍射儀上進(jìn)行殘留奧氏體分析；在TecnaiF30s型場(chǎng)發(fā)射高分辨透射電子顯微鏡上進(jìn)行相精細(xì)組織觀察與分析；利用ZEISSULTRA55型掃描電子顯微鏡上的輔助配件電子背散射衍射技術(shù)（EBSD）進(jìn)行晶粒尺寸、形狀及分布分析、晶界性質(zhì)分析等；對(duì)熱處理后試樣進(jìn)行組織觀察；熱膨脹試驗(yàn)在DIL805A型膨脹儀上進(jìn)行，模擬上述4種工藝。

二、結(jié)果與分析

1、顯微組織分析

在試樣經(jīng)熱處理后經(jīng)微觀顯示觀察發(fā)現(xiàn)，其組織形貌出現(xiàn)了不同的變化，這四種熱處理工藝使用過(guò)后試樣均為球化退火，終處理則各有不同。工藝1為普通的馬氏體淬火+回火工藝，得到的組織為針狀回火馬氏體+碳化物+殘留奧氏體；工藝2為完全下貝氏體轉(zhuǎn)變工藝，得到的組織為下貝氏體+碳化物+少量殘留奧氏體；工藝3為馬氏體+貝氏體復(fù)合組織淬火工藝，得到的組織為回火馬氏體+下貝氏體+碳化物+少量殘留奧氏體；工藝4為貝氏體變溫淬火工藝，得到的組織為下貝氏體+碳化物+殘留奧氏體。實(shí)驗(yàn)鋼淬回火和貝氏體等溫淬火處理后的試樣能夠在高分辨率透射電鏡下觀察到的馬氏體、貝氏體片和分布在上面的棒狀碳化物。

淬回火處理后，彌散析出的棒狀碳化物在片狀馬氏體內(nèi)呈平行分布，貝氏體等溫淬火處理后彌散析出的碳化物呈細(xì)片狀或細(xì)粒狀在鐵素體基體上與軸向呈55°～60°角分布。下貝氏體鐵素體的亞結(jié)構(gòu)是纏結(jié)位錯(cuò)，未發(fā)現(xiàn)孿晶亞結(jié)構(gòu)，因而與片狀回火馬氏體相比，有可能成為韌性較高的原因之一。

2、力學(xué)性能

下貝氏體的硬度低于馬氏體的硬度，GCr15鋼的硬度隨著馬氏體量的減少和貝氏體量的增加而降低。經(jīng)過(guò)貝氏體變溫淬火工藝處理后，其硬度與全下貝氏體處理工藝獲得的硬度相當(dāng)。下貝氏體、下貝氏體/馬氏體復(fù)合組織的強(qiáng)度均高于回火馬氏體，分析原因有：一方面，下貝氏體組織中碳化物為均勻彌散析出，而使貝氏體組織強(qiáng)化；另一方面，從熱處理后的應(yīng)力狀態(tài)考慮，馬氏體淬回火處理后，表面為拉應(yīng)力，心部為壓應(yīng)力，這種應(yīng)力分布不合理。而貝氏體處理后的工件表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力，顯然后者對(duì)提高強(qiáng)度有利；最后，對(duì)于下貝氏體/馬氏體復(fù)合組織，先析出的下貝氏體分割了未轉(zhuǎn)變的過(guò)冷奧氏體，細(xì)化奧氏體晶粒，從而使后面轉(zhuǎn)變的馬氏體細(xì)化，同時(shí)，由于馬氏體比容比奧氏體大，過(guò)冷奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程中，下貝氏體會(huì)受到馬氏體膨脹的擠壓而產(chǎn)生一定的形變強(qiáng)化。

3、殘留奧氏體分析

為了對(duì)不同熱處理工藝條件下殘留奧氏體進(jìn)行定量分析，本文在X射線衍射儀上進(jìn)行了物相分析，在球化退火狀態(tài)下，組織主要為珠光體基體上分布著球狀碳化物，在XRD圖譜上主要有珠光體（P）和碳化物（M3C）兩種峰。工藝1處理后殘留奧氏體（RA）量最多，達(dá)到12.5%，主要組織為回火馬氏體+殘留奧氏體+碳化物；工藝2處理后，殘留奧氏體含量較少，為3.88%，組織主要為貝氏體+碳化物；工藝3處理后，殘留奧氏體含量?jī)H為3.50%；工藝4處理后，殘留奧氏體含量為7.80%，室溫組織主要為貝氏體+碳化物+殘留奧氏體。

貝氏體處理短時(shí)化及尺寸穩(wěn)定性通過(guò)對(duì)膨脹儀模擬的工藝2和工藝3溫度-膨脹量曲線處理，可得貝氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線?？芍?，預(yù)先在較低溫度下部分發(fā)生轉(zhuǎn)變形成少量馬氏體，可以加速隨后在較高溫度進(jìn)行的貝氏體轉(zhuǎn)變，這可能與預(yù)轉(zhuǎn)變組織引起的應(yīng)變促發(fā)形核有關(guān)，由于過(guò)冷奧氏體所受應(yīng)變促發(fā)作用，加速了貝氏體中α相的形核，從而加速貝氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)，使其孕育期大為縮短。貝氏體變溫處理在不影響性能的情況下，很明顯也縮短了貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間。高碳鉻軸承鋼尺寸穩(wěn)定性可分為熱處理過(guò)程中穩(wěn)定性和服役過(guò)程中的穩(wěn)定性。一般熱處理過(guò)程中穩(wěn)定性可以由熱處理前后尺寸變化量來(lái)衡量，而服役過(guò)程中穩(wěn)定性往往由殘留奧氏體量和殘留奧氏體含碳量來(lái)表征。

結(jié)語(yǔ)：

依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知在淬回火熱處理后高碳鉻軸承鋼的組織結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)馬氏體組織，經(jīng)過(guò)貝氏體等溫淬火處理后會(huì)的出現(xiàn)貝氏體組織，而這兩種熱處理工藝在結(jié)合使用后會(huì)生成兩種組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合體。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)表明，在高碳鉻軸承鋼中可以應(yīng)用的熱處理工藝的其在實(shí)際中表現(xiàn)出的特點(diǎn)也有一定的區(qū)別，根據(jù)其表現(xiàn)性能來(lái)看，貝氏體組織性能具有更強(qiáng)的使用優(yōu)勢(shì)，高碳鉻軸承鋼綜合性能有著明顯的提升，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、耐磨性、韌性等方面。因此為了保證熱處理工藝的使用性能，必須要對(duì)熱處理工藝對(duì)高碳鉻軸承鋼組織及性能的影響進(jìn)行全面的分析及掌控。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張國(guó)宏，張志成，吳開明.高碳鉻軸承鋼的成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝的研究進(jìn)展[J].特殊鋼，2015，36（3）：9-13；

[2] 時(shí)曉飛，宋延沛，程相振，等.熱處理工藝對(duì)高碳高鉻鋼組織和性能的影響[J].鑄造，2013，62（6）：537-540；

[3] 張玲，孫小東，王玉杰，等.淬火工藝對(duì)新型高碳鉻軸承鋼GCr17Mo組織與硬度的影響[J].金屬熱處理，2016（12）：145-148；

[4] 張玲，孫小東，王玉杰，等.淬火工藝對(duì)新型高碳鉻軸承鋼GCr17Mo組織與硬度的影響，2016（12）：145-148.