GCr15軸承鋼雙細(xì)化工藝研究

■ 王艷山，陳小超，尤蕾蕾，郝奧玄

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由于高檔機(jī)械軸機(jī)床主軸軸承極其特殊的工作環(huán)境對(duì)軸承的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、沖擊韌度以及接觸疲勞壽命等指標(biāo)的要求特別高，按照軸承鋼常規(guī)的熱處理工藝根本無(wú)法滿(mǎn)足其極高的要求，因此必須對(duì)高檔機(jī)械軸機(jī)床主軸軸承的熱處理工藝進(jìn)行深入的研究，以達(dá)到大幅度提高其質(zhì)量、壽命以及可靠性，并滿(mǎn)足高檔機(jī)械軸機(jī)床主軸軸承各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的目的。

軸承零件熱處理后的晶粒度和碳化物是影響軸承性能與壽命的關(guān)鍵因素，金屬學(xué)強(qiáng)韌化機(jī)制表明，軸承零件的晶粒度和碳化物的尺寸越細(xì)小，軸承的強(qiáng)度、韌性以及耐磨性等性能就越好。按照常規(guī)的軸承熱處理工藝處理后，晶粒度和碳化物比較粗大，難以滿(mǎn)足高檔機(jī)械軸機(jī)床主軸軸承的使用要求。本研究擬采用對(duì)軸承鋼“雙細(xì)化”的熱處理工藝，細(xì)化軸承鋼的晶粒度和碳化物，大幅度地提高軸承鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)，充分挖掘軸承鋼的材料潛質(zhì)，在高檔機(jī)械軸機(jī)床主軸軸承的熱處理方面優(yōu)化傳統(tǒng)的熱處理工藝，為我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床主機(jī)的國(guó)產(chǎn)化提供高速精密軸承基礎(chǔ)件，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。

1. 工藝試驗(yàn)

充分考慮結(jié)合當(dāng)下現(xiàn)行軸承鋼制零件的熱處理情況，本研究選材使用滿(mǎn)足GB/T 18254—2016的球化退火態(tài)GCr15軸承鋼，化學(xué)成分如表1所示，按照各性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求加工的試樣如圖1所示，設(shè)計(jì)兩種雙細(xì)化熱處理工藝進(jìn)行碳化物尺寸和晶粒度的細(xì)化研究，具體工藝參數(shù)如表2所示。

圖1 工藝試樣

表1 球化退火態(tài)GCr15化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 熱處理工藝

2. 性能檢驗(yàn)

GCr15軸承鋼制各性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)過(guò)表2所列出的熱處理工藝處理后，對(duì)試樣分別進(jìn)行碳化物尺寸、晶粒度、金相組織、硬度、沖擊、拉伸、耐磨性等性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）碳化物尺寸檢驗(yàn) 采用線(xiàn)切割方法橫向切斷兩工藝處理后試樣各3個(gè)，經(jīng)磨制后冷酸腐蝕試樣截面，在掃描電鏡下放大5000倍測(cè)量其碳化物尺寸，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

兩工藝處理后試樣碳化物分布如圖2、圖3所示。

圖2 工藝Ⅰ試樣碳化物分布

圖3 工藝Ⅱ試樣碳化物分布

圖4 工藝Ⅰ試樣晶粒度圖片

圖5 工藝Ⅱ試樣晶粒度圖片

圖6 工藝Ⅰ試樣金相組織照片

圖7 工藝Ⅱ試樣金相組織照片

表3 碳化物顆粒尺寸

表4 晶粒度級(jí)別

（2）晶粒度測(cè)試 取兩工藝處理后試樣各3個(gè)，經(jīng)苦味酸鹽酸水溶液腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡500倍下拍攝其金相照片。在圖像分析軟件中對(duì)照片采用人工截點(diǎn)法進(jìn)行評(píng)級(jí)，具體晶粒度級(jí)別如表4所示。

兩工藝處理后試樣晶粒度圖片如圖4和圖5所示。

（3）金相組織檢驗(yàn) 將雙細(xì)化熱處理工藝處理后試樣各取3個(gè)制成金相試樣，經(jīng)冷酸腐蝕后檢驗(yàn)其截面金相組織，按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1255—2014金相圖譜進(jìn)行評(píng)級(jí)，具體級(jí)別如表5所示，金相圖片如圖6、圖7所示。

（4）硬度檢驗(yàn) 在兩工藝處理后各3個(gè)試樣上檢測(cè)洛氏硬度，每個(gè)試樣檢測(cè)3點(diǎn)，最終取平均值，檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

（5）沖擊性能測(cè)試 對(duì)兩工藝處理后各9根沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)測(cè)試，沖擊試樣開(kāi)U型缺口，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

（6）拉伸性能測(cè)試 對(duì)兩工藝處理后各3根拉伸試樣均進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)試，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

（7）耐磨性測(cè)試 對(duì)兩工藝處理后各3對(duì)摩擦副試樣進(jìn)行耐磨性測(cè)試，采用MMS-2A微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)載荷200N，轉(zhuǎn)速200r/min，試驗(yàn)時(shí)間60min，干摩擦。檢測(cè)結(jié)果如表9所示。

表5 金相組織級(jí)別

表6 硬度測(cè)試值 （HRC）

表7 沖擊測(cè)試 （J）

表8 拉伸測(cè)試

表9 耐磨性測(cè)試

3. 分析與討論

經(jīng)兩種工藝處理和性能測(cè)試結(jié)果不難看出，GCr15軸承鋼經(jīng)工藝Ⅰ處理，即840℃×40min油淬+170℃×2h回火，一次淬回火操作直接簡(jiǎn)單，獲得常見(jiàn)的細(xì)小的3級(jí)回火馬氏體和細(xì)小均勻的碳化物組織，并伴有少量屈氏體，碳化物尺寸達(dá)到0.93μm，平均晶粒度9.9級(jí)，洛氏硬度可達(dá)60.0HRC，沖擊和拉伸及耐磨性均能達(dá)到常見(jiàn)指標(biāo)，滿(mǎn)足一般工程機(jī)械需要。

GCr15軸承鋼加熱時(shí)臨界點(diǎn)溫度Ac1為750～795℃，Accm為900℃，將GCr15軸承鋼試樣在840℃×40min油淬+170℃×2h回火之前增加860℃×25min油淬，即為工藝2處理。提高奧氏體化溫度至860℃，讓更多的碳化物溶解，在淬火后獲得更加細(xì)小的馬氏體和碳化物顯微組織和更細(xì)小的晶粒，并提高淬火組織的基體濃度和均勻性，為最終的840℃×40min油淬+170℃×2h回火提供組織準(zhǔn)備。碳化物的細(xì)化有利于晶粒細(xì)化和均勻性，晶粒細(xì)化又可雙重提高鋼的強(qiáng)度和塑韌性。經(jīng)工藝Ⅱ處理后，獲得更加細(xì)小的1級(jí)回火馬氏體和更加細(xì)小的碳化物，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，基體更加均勻，碳化物尺寸達(dá)到0.33μm，平均晶粒度11.5級(jí)，在細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物彌散強(qiáng)化的雙重作用下，洛氏硬度提高 到61.8HRC，沖擊和拉伸性能均大幅提高，耐磨性更是大幅改善，這種高強(qiáng)度、高硬度和優(yōu)良的沖擊、拉伸性能可滿(mǎn)足復(fù)雜苛求環(huán)境工況條件下軸承的使用。

工藝Ⅱ操作簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化應(yīng)用推廣，各項(xiàng)性能優(yōu)異，有助于生產(chǎn)出能夠滿(mǎn)足要求的高速精密軸承基礎(chǔ)件。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工藝研究試驗(yàn)和性能測(cè)試，工藝Ⅱ?yàn)橐环N最佳的GCr15軸承鋼雙細(xì)化熱處理工藝，即：860℃×25min油淬+840℃×40min油淬+170℃×2h回火。

此工藝操作簡(jiǎn)單，經(jīng)此工藝處理后，GCr15軸承鋼的平均碳化物尺寸為0.33μm，平均晶粒度達(dá)到了11.5級(jí)，在沖擊、拉伸試驗(yàn)中有性能優(yōu)異，在耐磨性試驗(yàn)中磨損量最小。