GCr15鋼復相淬火組織及其對力學性能的影響

董笑鵬

(平頂山工業職業技術學院 機械工程系，河南 平頂山 467001)

目前GCr15軸承鋼也常用于制造模具，按其常規馬氏體(M)工藝熱處理，常因韌性不足而脆斷，使材耗增加。若利用適量下貝氏體(Bl)提高其韌性，馬氏體保證高強度,即獲得馬氏體+下貝氏體復相組織，則比單相的馬氏體或下貝氏體更具優良強韌性。但它們之間比例多少時強韌性配合最佳，碳化物、殘余奧氏體對強韌性有何影響尚不清楚。因此研究其不同比例復相組織強韌性配合熱處理工藝，對理論和實際都十分必要。

1 試驗內容及過程

試驗使用GCr15軸承鋼。對Φ20mm×12mm球化退火GCr15鋼試樣以不同的奧氏體化淬火溫度(820，860和900 ℃)×15 min，等溫淬火溫度(250和300 ℃)及等溫時間(1，2，5，10，15，20，30，35，40和60 min)進行熱處理，得到不同比例的馬氏體+下貝氏體復相組織。

采用RDM-45-13埋入式電極鹽浴爐奧氏體化淬火加熱，TL81-255型低溫坩堝硝鹽爐等溫淬火；用4%硝酸酒精腐蝕金相組織，在4XCE/4XCZ臥式金相顯微鏡下觀察并拍攝照片；用AC紙復型，XDT-10復型透射電鏡測量碳化物直徑，XYL-75型X射線應力儀測量殘余奧氏體量；用洛氏硬度計測試硬度；用10 t液壓萬能試驗機測試Φ10 mm×100 mm、跨距80 mm試樣的抗彎強度σbb和撓度f。

馬氏體、下貝氏體各相組織所占比例的測量，使用AutoCAD 2006軟件，在金相組織圖片中選擇相應相組織封閉圖形，直接輸入命令area(也可以在“工具”里用“查詢”中的“面積”)，即可計算圖形面積，并算出在整體中的相對面積。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

表1為各熱處理工藝金相組織及力學性能。

表1 不同熱處理工藝下的金相組織及力學性能

2.1.1 奧氏體化溫度對組織的影響

隨著奧氏體化溫度(820，860和900 ℃)的提高，下貝氏體針的寬度、長度均明顯增大(圖1～圖3)，而殘余碳化物尺寸明顯變小(圖4～圖6)，見表2。

圖1 900 ℃×15 min，250 ℃×40 min處理后的組織

圖2 860 ℃×15 min，250 ℃×10 min處理后的組織

圖3 820 ℃×15 min，250 ℃×1 min處理后的組織

圖4 900 ℃×15 min，250 ℃×40 min，(復型)殘余碳化物

圖5 860 ℃×15 min，250 ℃×10 min，(復型)殘余碳化物

圖6 820 ℃×15 min，250 ℃×1 min，(復型)殘余碳化物

表2 不同淬火溫度下的組織尺寸

2.1.2 等溫溫度對組織形態的影響

隨等溫溫度下降，殘余碳化物尺寸、形態變化不明顯(圖6、圖7)；而下貝氏體針的長度、寬度均趨于減小(圖3、圖8～圖10)，見表3。

圖7 820 ℃×15 min，300 ℃×1 min，復型殘余碳化物

圖8 900 ℃×15 min，250℃×20 min處理后的組織

圖9 900 ℃×15 min，300 ℃×5 min處理后的組織

圖10 820 ℃×15 min，300 ℃×1 min處理后的組織

表3 不同等溫溫度下的組織尺寸

2.1.3 等溫時間對組織的影響

隨著等溫時間的延長，下貝氏體在復相組織中的比例擴大，如圖1、圖8及圖2、圖11所示，當下貝氏體小于20%時，孤立針下貝氏體清晰，下貝氏體量越少，針的尺寸有增大趨勢(圖8～圖9)，下貝氏體量越多，草叢狀下貝氏體并排聚集成堆(圖1、圖11)；而殘余碳化物(不是下貝氏體針中的碳化物)尺寸變化甚微(圖12～圖14)。

圖11 860 ℃×15 min，250 ℃×15 min處理后的組織

圖12 860 ℃×15 min，300 ℃×2 min(復型)殘余碳化物

圖13 860 ℃×15 min，250 ℃×15 min，(復型)殘余碳化物

圖14 860 ℃×15 min，250 ℃×40 min，(復型)殘余碳化物

2.2力學性能

2.2.1 奧氏體化溫度對力學性能的影響

不同奧氏體化溫度并在300 ℃等溫淬火下，抗彎強度、撓度有峰值出現，如圖15所示，在同一下貝氏體含量(10～15)%下抗彎強度、撓度在奧氏體化溫度為900 ℃時最好， 820 ℃時次之， 860 ℃時最差。

圖15 奧氏體化溫度與抗彎強度及撓度的關系

2.2.2 等溫溫度對力學性能的影響

從圖16～圖18及表4可以看出，等溫溫度下降，鋼的硬度增加，形成的殘余奧氏體量增加。從圖19可知,不同等溫溫度下,鋼的抗彎強度、撓度隨著下貝氏體轉變量的增加將有峰值出現，峰區約在(50%～60%)Bl處。等溫溫度下降，下貝氏體增加到適量時,鋼的抗彎強度、撓度增高。

圖16 等溫時間與硬度的關系(900 ℃奧氏體化)

圖17 等溫時間與硬度的關系(860 ℃奧氏體化)

圖18 等溫時間與硬度的關系(820 ℃奧氏體化)

圖19 不同等溫溫度及下貝氏體轉變量與σbb及f的關系(奧氏體化溫度為860 ℃)

表4 等溫溫度與殘余奧氏體轉變關系

2.2.3 等溫時間對力學性能的影響

由圖16～圖18可以看出，隨等溫時間延長，硬度將會降低,并在一定時間后趨于穩定；而抗彎強度、撓度均有峰值，之后緩慢下降并趨于平緩。

3 討論

3.1 復相熱處理與M+Bl復相組織關系

(1)隨著奧氏體化溫度提高，原奧氏體晶粒增大，而下貝氏體的鐵素體尺寸與原奧氏體晶粒尺寸聯系密切，故下貝氏體針增大；殘余碳化物不斷溶解，變得更細小、均勻、彌散。

(2)下貝氏體轉變屬擴散型相變[1]。當等溫溫度下降時，下貝氏體中碳原子的擴散系數隨之減小，從鐵素體中脫出更困難，下貝氏體轉變孕育期延長，轉變速度減慢，故下貝氏體針尺寸減小；下貝氏體的長大受碳原子的脫溶控制，等溫溫度下降，下貝氏體針中的碳化物數量增加，尺寸減小；250 ℃比300 ℃時下貝氏體針中的碳化物量更多，更細小、規則(圖12、圖13)。

(3)等溫時間延長，奧氏體向下貝氏體轉變增多，故從針狀到草叢狀；下貝氏體針的碳化物逐漸長大，變粗散。

3.2 復相熱處理對力學性能的影響

3.2.1 對強度和硬度的影響

提高奧氏體化溫度，雖然下貝氏體尺寸增大，但溶入GCr15鋼中的碳量增大，使碳原子在馬氏體中的固溶強化提高；同時殘余碳化物愈加細化、彌散，使強度提高，所以在900 ℃奧氏體化溫度加熱后等溫處理，其強度及硬度最高。

隨著下貝氏體等溫溫度的降低，下貝氏體針中的碳化物彌散度增大，下貝氏體的強度增加，250 ℃比300 ℃等溫處理時的碳化物不易擴散長大，彌散度更大，易沉淀硬化，故在下貝氏體轉變量較大時抗彎強度和撓度更高(圖19)。在等溫處理隨后冷卻過程中，殘余奧氏體變為馬氏體，體積膨脹(馬氏體的比容遠大于奧氏體)，使針狀、草叢狀下貝氏體受壓產生加工硬化，故復合組織的強度高于單相的下貝氏體組織。

等溫時間延長，下貝氏體量增加，馬氏體量減少，但較多的下貝氏體轉變量和較少的馬氏體量，使韌性提高而強度不夠。反之等溫時間太短，形成較少的下貝氏體轉變量和較多的馬氏體量及殘余奧氏體量，使強度、塑性均較低。故適當的等溫時間可獲得適宜比例的M+Bl復合組織，使強度、韌性同時最佳。

3.2.2 對韌性的影響

提高奧氏體加熱溫度，得到較大尺寸的下貝氏體、板條馬氏體及較小尺寸的殘余碳化物等組織。下貝氏體尺寸增大對提高韌性不利。板條馬氏體的獲得是因為GCr15鋼主要合金元素為鉻，鉻是縮小γ區的合金元素。Fe-Cr系二元合金，縮小γ區合金元素，全部形成板條馬氏體[2]，板條馬氏體對韌性十分有利。較小的殘余碳化物也有利于韌性提高。文獻[3]認為，當殘余碳化物尺寸d≤0.5 μm，有可能提高其韌性，但當殘余碳化物尺寸d>1 μm，往往是破壞斷裂源，對韌性不利。試驗結果與文獻吻合，900 ℃奧氏體化250 ℃等溫淬火處理后，殘余碳化物尺寸d=0.5 μm，韌性、撓度最優； 820,860 ℃奧氏體化250 ℃等溫淬火處理后，殘余碳化物尺寸d分別為1.8和1.5 μm，故韌性低。這表明高的奧氏體化溫度有利于材料保持優良的韌性。

等溫淬火溫度降低，形成的下貝氏體尺寸減小，有利于韌性提高(圖19)。

等溫時間增加，下貝氏體量增加，韌性提高；這是因為等溫處理過程中，先形成的下貝氏體量不斷增加，奧氏體晶粒被分割細化，從而使隨后形成的馬氏體尺寸亦減小，馬氏體板條被細化，如表5所示，使韌性提高。由圖19可知，不同比例Bl+M復合組織，體積比為(50～60)%Bl+M時，強度、撓度出現峰值。抗彎強度從σbb=3 638 MPa提高到4 523 MPa，撓度f從2.35 mm提高到4.45 mm。

表5 下貝氏體轉變量與下貝氏體和馬氏體尺寸的關系

4 結論

試驗結果表明：對于GCr15鋼，高的奧氏體化溫度有利于提高強度，低的等溫淬火溫度和一定的等溫時間有利于提高韌性，即在900 ℃×15 min奧氏體化，250 ℃×40 min等溫淬火，可獲得(50～60)%Bl+M的復相組織，此時材料抗彎強度和撓度俱佳，是最優強韌性配合復相熱處理工藝。