回火熱處理對GCr15軸承鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響

薛冰，陳世洪，任永勝，殷鳳仕，單騰，邵明皓

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 淄博 255049)

一種小尺寸偏心電機(jī)的裝配示意圖如圖1所示，電機(jī)軸見圖2。該電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)中心與連桿的連接軸中心相距5 mm并受負(fù)載扭矩，因此對該電機(jī)軸選材提出的性能要求有：高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和高沖擊韌性。眾所周知，調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)淬火、高溫回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，常用于軸類零件的制造[1]，為提高表面硬度和耐磨性，調(diào)質(zhì)處理后常采用表面淬火處理[2-4]，工藝復(fù)雜、制造成本高。此前使用調(diào)質(zhì)鋼制造該偏心電機(jī)軸出現(xiàn)了失效問題。本文提出選用GCr15鋼采用淬火加回火的最終熱處理工藝，研究熱處理工藝對GCr15鋼顯微組織和力學(xué)性能的影響，并探討采用GCr15鋼制造該電機(jī)軸的可行性。

1.轉(zhuǎn)軸;2.偏心連接2;3.深溝球軸承625-Z;4.墊圈;5.偏心連接1。 圖1 電機(jī)裝配示意圖Fig.1 Assembly diagram of eccentric motor

圖2 電機(jī)軸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the motor shaft

1 實驗材料與方法

實驗材料為 GCr15軸承鋼，主要化學(xué)成分見表1。選取直徑為φ14 mm、經(jīng)球化退火處理后的熱軋棒材加工成電機(jī)軸，加熱至830 ℃保溫1 h后油冷淬火，然后分別在200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃保溫1 h后水冷回火處理。

表1 GCr15化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of GCr15 (mass fraction, %)

從經(jīng)過不同回火溫度后的電機(jī)軸取樣進(jìn)行組織觀察和硬度測試，并加工55 mm×7 mm×7 mm的無缺口沖擊試樣。采用FEI Quanta250冷場發(fā)射掃描電鏡觀察顯微組織和沖擊斷口形貌，利用200HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計測定不同熱處理后試樣的硬度，使用JBS-300B數(shù)顯沖擊試驗機(jī)測試沖擊吸收功。金相刻蝕液為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖3是200 ℃和450 ℃回火處理后的顯微組織照片。由圖3可知，經(jīng)過不同溫度回火處理后的電機(jī)軸的顯微組織相似，均為回火馬氏體和顆粒狀殘余碳化物。回火溫度為200 ℃時，回火馬氏體中的碳化物析出不明顯；回火溫度為450 ℃時，回火馬氏體中的碳化物沿馬氏體片界析出并長大。

(a)200 ℃金相圖

(b)200 ℃掃描電鏡圖

(c)450 ℃金相圖

(d)450 ℃掃描電鏡圖圖3 GCr15軸承鋼在不同回火溫度下的顯微組織Fig.3 Microstructure of GCr15 bearing steel at different tempering temperatures

2.2 力學(xué)性能

圖4為試樣經(jīng)不同溫度回火處理后的硬度變化圖。從圖4中可以看出，在200～300 ℃范圍內(nèi),隨回火溫度升高，洛氏硬度值略有升高；在300～450 ℃范圍內(nèi)，隨回火溫度的升高，合金硬度逐漸下降，450 ℃回火時平均硬度值為52.4 HRC。結(jié)合其顯微組織分析可知，較低溫度回火時，碳從馬氏體中析出形成的碳化物非常細(xì)小，彌散強(qiáng)化效果大于馬氏體由于過飽和度降低引起的固溶強(qiáng)化效果降低，故硬度變化不明顯；在300～450 ℃回火時，隨溫度升高，回火更加充分，且馬氏體中析出的碳化物發(fā)生聚集、長大，對位錯的釘扎作用減弱，使合金硬度下降[5-7]。

圖4 試樣經(jīng)不同溫度回火后硬度變化圖Fig.4 Hardness change diagram of GCr15 bearing steel after tempering heat treatment at different temperatures

圖5是不同回火溫度條件下沖擊吸收功變化趨勢圖。從圖5中可以看出，隨著回火溫度的升高，沖擊吸收功逐漸增大，當(dāng)回火溫度為450 ℃時，沖擊吸收功為136 J。

圖5 不同回火溫度條件下沖擊吸收功變化趨勢圖Fig.5 Trend chart of impact absorption power at different tempering temperatures

圖6是實驗鋼在200 ℃和450 ℃回火處理后的沖擊試樣宏觀形貌。從圖6中可以看出，回火溫度為200 ℃時沖擊試樣變形較小，而經(jīng)450 ℃回火處理后的沖擊試樣變形較大。

(a)200 ℃ (b)450 ℃ 圖6 不同溫度回火處理后的沖擊試樣宏觀形貌Fig.6 Macromorphology of impact specimens after tempering heat treatment

圖7是經(jīng)200 ℃和450 ℃回火處理后沖擊試樣的斷口形貌SEM照片。從圖7中可以看出，經(jīng)200 ℃回火處理后，試樣斷口表面存在大量脆性沿晶斷裂區(qū)，塑性斷裂特征的韌窩特征面積較少且韌窩較淺；當(dāng)回火溫度為450 ℃時，沖擊試樣斷口表面分布有大量韌窩，屬典型的韌性斷裂。

(a)200 ℃

(b)450 ℃圖7 回火處理后沖擊試樣斷口形貌掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 SEM images of fracture morphology of impact specimen after tempering

3 討論

因偏心電機(jī)軸受負(fù)載扭矩，所以對其選材提出了高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和高沖擊韌性的要求。若采用傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后需要進(jìn)行表面淬火才能滿足表面高硬度的要求，因此本文提出選用GCr15作為偏心電機(jī)軸的材料。研究發(fā)現(xiàn)，在200～450 ℃范圍內(nèi)經(jīng)過保溫1 h的回火處理后，合金顯微組織均為回火馬氏體和殘余碳化物；隨回火溫度升高，馬氏體中析出的碳化物顆粒聚集、長大。硬度變化趨勢與回火溫度呈負(fù)相關(guān)，沖擊吸收功與回火溫度呈正相關(guān)。當(dāng)回火溫度為450 ℃時，其硬度為51～54 HRC，沖擊吸收功為105～140 J，表現(xiàn)出良好的韌性。而調(diào)質(zhì)鋼表面淬火處理后硬度為45～55 HRC，沖擊功為80～120 J[8]。采用GCr15合金經(jīng)830 ℃×1 h油冷+450 ℃×1 h水冷處理后，其硬度和韌性均優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼，同時還可減少表面淬火工序，降低成本。

4 結(jié)論

1)GCr15鋼經(jīng)過830 ℃×1 h油冷淬火后，在200～450 ℃范圍內(nèi)，總體上其硬度變化趨勢與回火溫度呈負(fù)相關(guān)，沖擊吸收功變化趨勢與回火溫度呈正相關(guān)。

2)GCr15鋼經(jīng)過830 ℃×1 h油冷淬火和450 ℃×1 h水冷處理后，顯微組織為回火馬氏體和顆粒狀殘余碳化物，其硬度為51～54 HRC，沖擊吸收功為105～140 J，具有良好的強(qiáng)韌性。