GCr15鋼碳氮共滲與馬氏體淬火組織及性能試驗(yàn)對(duì)比研究

單瓊飛, 王 鑫, 薛文方, 祝道明, 葉健熠

（1. 洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2. 滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039）

1 前言

軸承是裝備制造業(yè)中的關(guān)鍵零部件，軸承的使用性能直接決定著機(jī)械設(shè)備的性能、質(zhì)量、可靠性以及整體裝備制造水平。目前，我國(guó)軸承行業(yè)的年產(chǎn)值達(dá)千億級(jí)，其中高碳鉻軸承鋼用量占 80% 以上，尤以 GCr15 鋼用量最大。如何提高GCr15 鋼制軸承的使用壽命，尤其是提高抗污染潤(rùn)滑條件及高 DN 值工況條件下的使用壽命，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要的研究方向。目前，主要的研究方向?yàn)楸砻娓男蕴幚?。通過改變軸承零件表層化學(xué)成分、組織和性能，淬回火處理后，滲層組織為含氮馬氏體＋碳氮化合物＋一定量穩(wěn)定殘余奧氏體，芯部組織為常規(guī)馬氏體＋碳化物＋少量殘余奧氏體，表面硬度提高約 1.5～3HRC，達(dá)到表層具有比芯部更高的硬度、殘余奧氏體和殘余壓應(yīng)力，從而提升軸承的使用性能和使用壽命[1-4]。

本文以 GCr15 鋼制某型號(hào)軸承為例，通過軸承套圈碳氮共滲與常規(guī)淬回火后的組織、硬度、回火穩(wěn)定性、殘余奧氏體及殘余應(yīng)力、接觸疲勞壽命等性能對(duì)比分析，為實(shí)現(xiàn)軸承長(zhǎng)壽命提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)材料選用真空脫氣的 GCr15 鋼球化退火棒料(直徑φ55mm)，其化學(xué)成分和冶金質(zhì)量按 GB/T18254-2016 檢驗(yàn)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。具體檢測(cè)結(jié)果見表 1、表 2。

表1 GCr15原材料的化學(xué)成分 w，%

表2 GCr15原材料的冶金質(zhì)量

3 試樣加工

3.1 加工成尺寸為φ52×12mm的試樣數(shù)量若干，用于熱處理質(zhì)量分析檢測(cè)使用。

3.2 加工成尺寸為φ52×φ32×8mm接觸疲勞試樣（TLP試樣），共 4 組，每組 12～14個(gè)，用于 TLP 接觸壽命試驗(yàn)。

3.3 同批次材料經(jīng)鍛造、退火、車加工為某型號(hào)試驗(yàn)套圈，試驗(yàn)抗回火性能和套圈變形量控制。

4 試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)儀器

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

將加工好的試樣及套圈零件分別在可控氣氛式多用爐（氣氛為NH3＋氮?dú)?甲醇＋丙烷）進(jìn)行碳氮共滲，在托輥式網(wǎng)帶爐上進(jìn)行常規(guī)馬氏體淬火。試驗(yàn)設(shè)備為可控氣氛式多用爐、托輥式網(wǎng)帶爐、冷凍箱及氣氛式回火爐等試驗(yàn)設(shè)備。

4.2 檢測(cè)儀器

試驗(yàn)項(xiàng)目檢測(cè)儀器為GX41光學(xué)顯微鏡、TIME6610AT 維氏硬度計(jì)、HR-150A 洛氏硬度計(jì)、X 射線衍射儀及 TLP 型接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)等檢測(cè)儀器。

5 性能試驗(yàn)檢測(cè)及分析

5.1 顯微組織、硬度及晶粒度對(duì)比檢測(cè)分析

用GX41金相顯微鏡觀察檢驗(yàn)碳氮共滲和常規(guī)馬氏體淬回火試樣的金相組織，用TIME6610AT 維氏硬度計(jì)對(duì)碳氮共滲試樣的滲層硬度及深度梯度進(jìn)行檢測(cè)。

碳氮共滲試樣的檢測(cè)結(jié)果為：（1）滲層組織由含氮馬氏體＋碳（氮）化物＋殘余奧氏體組成，見圖 1。（2）170℃×4h 回火表面硬度為 803～828HV；200℃×4h 回火后表面硬度為 743～758HV。（ 3）碳氮共滲熱處理后，經(jīng)200℃×4h 回火后的滲層深度 0.7mm，見圖 2。滲層硬度梯度曲線見圖 3。（4）通過顯微組織圖片可以發(fā)現(xiàn)，碳氮共滲熱處理試驗(yàn)套圈的表層有明顯的碳聚集現(xiàn)象，深度約 0.10mm，磨加工留量可以去除。

圖1 碳氮共滲后的金相組織（500×）

圖2 碳氮共滲滲層深度圖片（100×）

圖3 200℃回火后碳氮共滲硬化層深度梯度曲線

常規(guī)馬氏體淬回火組織由馬氏體＋碳化物＋殘余奧氏體組成，見圖 4，經(jīng) 170℃×4h表面與芯部硬度為 61.9～62.5HRC。

圖4 常規(guī)淬回火后的顯微組織（500×）

碳氮共滲與常規(guī)馬氏體淬回火的晶粒度級(jí)別均為 8 級(jí)，見圖 5。

圖5 碳氮共滲后晶粒度（與常規(guī)淬回火后的晶粒度相同）

5.2 殘余奧氏體含量和殘余應(yīng)力分析

熱處理后的試樣經(jīng)機(jī)械磨削表層去掉0.11mm，再經(jīng)細(xì)砂紙手工拋光磨去 0.03mm后進(jìn)行殘余奧氏體和殘余應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試儀器為X-射線衍射儀，測(cè)試位置為距滲層表面 0.14mm（接近成品零件使用表面）。測(cè)試結(jié)果見表 3、表 4。

表3 GCr15兩種處理工藝下試樣的殘余奧氏體含量

表4 GCr15鋼兩種熱處理工藝下殘余應(yīng)力狀態(tài)

由表 3 可見，碳氮共滲明顯提高了表層的殘余奧氏體含量，采取同樣的熱處理回火工藝（170℃×4h），碳氮共滲表層殘余奧氏體量是常規(guī)馬氏體淬回火的 2 倍左右；隨著回火溫度升高，殘余奧氏體含量逐漸下降。250℃×3h回火可以大大降低滲層中殘余奧氏體量，但硬度下降約為 2～3HRC。

由表 4 可見，碳氮共滲試樣在距表層相當(dāng)深的范圍內(nèi)（超過 1mm）殘留著壓應(yīng)力（超過150MPa）；而常規(guī)馬氏體淬火的試樣在距表層0.15mm 處就出現(xiàn)了拉應(yīng)力。軸承零件表層存在殘余拉應(yīng)力，就勢(shì)必降低軸承的使用性能。為使軸承零件表層獲得殘余壓應(yīng)力，需要采取適當(dāng)措施使表層的 Ms 點(diǎn)低于芯部 Ms 點(diǎn)，使之顛倒淬火鋼的相變順序以獲得表層壓應(yīng)力分布。對(duì)GCr15 鋼軸承零件進(jìn)行碳氮共滲，因 C、N 原子的表層滲入可以有效降低表層 Ms 點(diǎn)，從而獲得表層殘余壓應(yīng)力狀態(tài)分布。

5.3 回火穩(wěn)定性試驗(yàn)

從批量生產(chǎn)的碳氮共滲處理及常規(guī)馬氏體淬回火處理的某型號(hào)軸承套圈中隨機(jī)各抽取 5 組套圈進(jìn)行回火穩(wěn)定性工藝試驗(yàn)，回火溫度分別為170℃、200℃、250℃、300℃。內(nèi)、外套圈在不同回火工藝下進(jìn)行回火處理后，用 HR-150A 洛氏硬度計(jì)對(duì)內(nèi)、外套圈表面硬度進(jìn)行檢測(cè)?；鼗饻囟扰c硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表 5。

表5 套圈的回火工藝與硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表 5 檢測(cè)結(jié)果可知：（1）兩種試驗(yàn)套圈在 170℃、200℃、250℃、300℃ 進(jìn)行 4h 回火處理后，套圈的回火硬度都隨回火溫度的升高而降低；兩種試驗(yàn)套圈在同一回火溫度與回火時(shí)間下進(jìn)行回火時(shí)，碳氮共滲熱處理試驗(yàn)套圈的硬度均高于馬氏體淬回火試驗(yàn)套圈的硬度。（2）250℃以下碳氮共滲產(chǎn)品的抗回火性能明顯優(yōu)于馬氏體淬火。

5.4 兩種試驗(yàn)套圈變形對(duì)比分析

從批量生產(chǎn)的碳氮共滲處理及常規(guī)馬氏體淬回火處理的某型號(hào)軸承套圈中隨機(jī)各抽取 20 組套圈進(jìn)行變形量檢測(cè)。兩種試驗(yàn)套圈的變形情況檢測(cè)結(jié)果見表 6。

表6 兩種試驗(yàn)套圈的變形情況對(duì)比

通過表 6 可以得知：兩種工藝試驗(yàn)套圈變形量基本一致，兩種試驗(yàn)套圈的變形量控制均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的橢圓度要求。

5.5 接觸疲勞壽命試驗(yàn)及分析

在TLP推力片接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)GCr15 鋼碳氮共滲與常規(guī)馬氏體淬回火試樣進(jìn)行接觸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速 2 040r/min，接觸應(yīng)力為 4 508MPa，每組試驗(yàn) 12～14 個(gè)推力片。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表 7。

由表 7 可見，碳氮共滲＋170℃×3h 回火后的接觸疲勞額定壽命 L10最高。 碳氮共滲的額定疲勞壽命（L10）和中值壽命（L50）均是未碳氮共滲的 2 倍以上。Dommarco 等人也證實(shí)了碳氮共滲熱處理可增加穩(wěn)定的殘余奧氏體含量，有助于延長(zhǎng)軸承壽命[5]。

表7 碳氮共滲與常規(guī)馬氏體淬火后不同回火工藝下的接觸疲勞壽命

由于軸承的工況條件及工作環(huán)境復(fù)雜，工作方式主要是以滾動(dòng)為主，承受循環(huán)交變應(yīng)力，這樣就要求軸承零件的表面、次表面具有良好的性能，諸如表層具有高硬度、高殘余壓應(yīng)力和相對(duì)較高的穩(wěn)定的殘余奧氏體含量，這樣才能不斷滿足軸承長(zhǎng)壽命和高可靠性的要求。通過碳氮共滲，氮原子在軸承零件表層的擴(kuò)散導(dǎo)致穩(wěn)定的殘余奧氏體含量增多，同時(shí)由于氮的固溶，回火軟化抗力上升，對(duì)提高軸承的疲勞壽命帶來有益的影響。

6 結(jié)論

6.1 GCr15 鋼經(jīng)碳氮共滲熱處理＋冷處理（或不冷處理）＋160 ～180℃ 回火后的表面硬度均高于其常規(guī)馬氏體淬回火硬度。

6.2 GCr15 鋼經(jīng)碳氮共滲熱處理后表面層存在較深的殘余壓應(yīng)力層，壓應(yīng)力分布深度約 1mm左右。

6.3 250℃ 以下碳氮共滲產(chǎn)品的抗回火性明顯優(yōu)于常規(guī)馬氏體淬火。

6.4 碳氮共滲后軸承的接觸疲勞壽命優(yōu)于常規(guī)馬氏體淬火的接觸疲勞壽命。