軸承部件的顯微組織及硬度分析

齊美麗 趙秀娟 王衍濤 劉鵬濤

(①大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028;②大連國威軸承股份有限公司，遼寧 大連 116202)

城市軌道交通車輛包括地鐵、輕軌、空中軌道列車、有軌電車和磁懸浮列車等，城市軌道車輛軸承應具有強韌性配合良好、使用壽命長、疲勞強度高等諸多性能。我國城軌車輛軸承制造時通常采用GCr15 鋼常規淬火+低溫回火工藝進行處理，雖然具有高的硬度，但韌性不足，且因淬火時形成表面拉應力，在淬火、磨削及裝車使用過程中易出現裂紋而導致軸承早期失效。貝氏體等溫淬火可以顯著地改善高碳鉻軸承鋼的強韌性。軸承零件經下貝氏體等溫淬火后具有與馬氏體淬火相近的硬度和耐磨性，不僅提高了軸承的力學性能和使用壽命，而且降低了生產成本。據國外資料介紹［1-2］，GCr15鋼經860 ℃加熱、保溫15 min 后，于235 ℃等溫3.5 h所獲得的下貝氏體組織，其屈服強度幾乎比回火馬氏體組織高490 MPa，塑性和韌性也明顯優越，用該工藝處理的滾子軸承擋邊的平均斷裂強度約高65%，并可以減少變形和淬裂。

本文選擇常用的GCr15 鋼材制作了軸承滾子，希望在降低成本的同時可以保持良好的強韌性。由于軸承在使用過程中套圈尤其是內圈的磨耗量較大，為提高其綜合使用性能，本文又選用新型高淬透鋼GCr18Mo 制作了軸承套圈，并采用貝氏體等溫淬火工藝對制作的GCr15 軸承滾子和GCr18Mo 軸承套圈進行同樣的熱處理試驗。通過對處理后的兩組部件組織及硬度的檢測來確定兩種材料結合制備的軸承是否在降低成本的同時可以提高軸承的綜合性能，以滿足城軌車輛軸承的需要，為生產實踐提供試驗依據。

1 試驗材料和方法

試驗用滾子材料和套圈材料的主要化學成分見表1。

表1 滾子和套圈的化學成分(質量分數，%)

圖1a 為由GCr15 制作的軸承滾子實物照片，滾子直徑為26 mm;圖1b 為由GCr18Mo 鋼材制作的軸承套圈實物照片，套圈壁厚為9 mm;圖1c 為預計投入生產使用的圓柱滾子軸承模型。

根據GCr15 鋼和GCr18Mo 鋼等溫轉變特點［3-4］，對GCr15 軸承滾子和GCr18Mo 軸承套圈進行了同樣的等溫處理，處理工藝為:加熱至860 ℃后淬火，于235 ℃鹽槽等溫1.5 h 后轉入空氣爐中繼續等溫4.5 h。

采用150-A 型洛氏硬度儀對GCr15 軸承滾子的柱面和端面、GCr18Mo 軸承套圈的內外表面進行洛氏硬度檢測，各部件隨機檢測5 點，取平均值。然后采用FM-700顯微硬度儀對兩部件橫截面進行硬度分布檢測，檢測范圍從部件表面至心部，以確定兩部件是否已經完全淬透。采用VHX-1000E 三維數碼視頻顯微鏡和JSM-6360LV 型掃描電鏡進行組織觀察，利用定量金相法［5］測定部件基體中未溶碳化物的面積比和直徑;最后采用JEM-2100F 透射電鏡進行組織觀察和分析。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

2.1.1 光學顯微鏡觀察

利用顯微鏡詳盡觀察了GCr15 滾子和GCr18Mo 套圈由表面至心部的組織，如圖2 所示。通過觀察發現，兩部件的組織形貌基本相同，組織均勻晶粒細小，并未看到碳化物液析、帶狀碳化物等缺陷，表面至心部組織基本相同，套圈組織中晶粒明顯比滾子的更加細小。

2.1.2 掃描電鏡觀察

用掃描電鏡對兩部件組織中的碳化物形貌及分布進行觀察，結果顯示兩部件的組織形貌基本相同。圖3a、c 分別為等溫淬火后滾子和套圈部件的低倍組織，基體組織呈針狀，其上白色顆粒為未溶碳化物。圖3b、d 分別為等溫淬火后滾子和套圈部件的高倍組織，可以看到清晰的碳化物顆粒，且分布有沿一定方向規則排列的短桿狀組織，具有下貝氏體形貌特征。

由圖3 還可以看出:滾子部件中碳化物顆粒圓整度較好，但尺寸比套圈部件中的大。進一步的定量金相測試表明(表2):兩種材料碳化物所占面積比都為10%左右;滾子中碳化物平均直徑為0.55 μm，比套圈中的大0.13 μm;滾子和套圈中直徑在0.2～0.8 μm范圍內的碳化物百分比分別為86.5%和93.2%。

表2 碳化物測試結果

2.1.3 透射電鏡觀察

在透射電鏡下滾子和套圈的組織也基本相同，都是塊狀未溶碳化物加針狀組織，針狀組織內部分布有大量規則排列的短桿狀碳化物，如圖4 所示。經測量這些短桿狀碳化物與鐵素體晶粒主軸約呈57°夾角分布。文獻［6］指出，在高碳鋼中，下貝氏體鐵素體往往成針狀，在其上沉淀著許多細微的碳化物，它們與鐵素體的長軸呈55°～60°角整齊的排列著。由此可以鑒定針狀組織為下貝氏體。經過大量的觀察，下貝氏體被碳化物分割為許多的亞片條(或亞單元)，下貝氏體亞片條通常是從一個平直的不動邊開始形核，并以一定的角度向另一邊發展，最后終止在某一位置上，使生長的前沿呈現鋸齒狀或臺階狀，下貝氏體鐵素體間經常互相呈交角相遇。根據文獻［7］，回火馬氏體中的碳化物往往呈“人”字型，而在本文等溫工藝下的GCr15 滾子和GCr18Mo 套圈中沒有發現“人”字型分布的碳化物，可以確定組織中沒有回火馬氏體存在。因此，兩部件的組織主要由下貝氏體和碳化物組成。

另外，我們對下貝氏體鐵素體針的尺寸進行了定量分析，采用的方法是測量長寬比。結果顯示，GCr15滾子獲得的下貝氏體針鐵素體針長寬比約為7.5，GCr18Mo 套圈獲得的下貝氏體鐵素體針針長寬比約為10。可見，套圈中下貝氏體鐵素體針比滾子的細長。

2.2 硬度測定

兩部件由表面至心部的維氏硬度分布曲線如圖5所示，由硬度分布測試結果可知，滾子表面至心部的硬度范圍為690～730 HV，套圈表面至心部的硬度范圍為735～760 HV。兩部件由表面至心部硬度變化幅度較小，部件均已完全淬透。滾子和套圈的洛氏硬度見表3，洛氏硬度檢測結果顯示，滾子的硬度值低于套圈，滾子柱面和端面洛氏硬度值差別不大，套圈內表面的硬度值高于外表面。經等溫淬火后滾子的硬度平均值為56.2 HRC，套圈的硬度平均值為60.8 HRC。根據軸承零件貝氏體等溫淬火后的技術要求［8］，滾子硬度值應滿足57～61 HRC，套圈硬度值應滿足58～62 HRC。因此，本文熱處理工藝條件下滾子的硬度略低，而套圈的硬度能滿足軸承零件的硬度要求。

表3 滾子和套圈洛氏硬度 (HRC)

2.3 討論

GCr15 鋼和GCr18Mo 鋼經貝氏體等溫淬火后得到的組織主要為下貝氏體和碳化物。下貝氏體保證了基體良好的韌性，且下貝氏體比馬氏體的比容低，減小了體積膨脹，因此保證了基體較低的裂紋及變形傾向。碳化物的直徑和分布狀態對軸承的疲勞也有著顯著的影響:與粗大碳化物相比，細小碳化物的外形較為圓滑，減小了應力集中，從而提高了裂紋擴展臨界應力，因而減緩了裂紋的擴展，有利于保持基體硬度的一致性［9］。粗大的碳化物不但易形成尖銳的邊緣引起應力集中，而且會造成周圍碳濃度出現很大的梯度，進而影響軸承壽命。文獻［10］指出碳化物直徑為0.6 μm時的疲勞壽命比直徑為1μm 時提高近1 倍。表2 檢測結果顯示，滾子和套圈中碳化物的平均直徑均小于0.6 μm，且套圈中的碳化物更加細小。與GCr15 鋼相比，在承受大沖擊載荷下使用的軸承，適宜優先選擇GCr18Mo 鋼貝氏體等溫淬火，增加Mo 元素可大幅提高提高淬透性，改善固溶體成分的不均勻性，并形成含Mo 的碳化物，使得淬回火組織中碳化物細小、彌散分布。

從硬度方面來看，GCr18Mo 鋼由于元素Cr 比GCr15 鋼多，且增加了元素Mo，形成的合金滲碳體多，晶粒細小分布均勻，提高了硬度且硬度均勻，利于提高軸承的耐磨性和疲勞壽命。GCr15 滾子硬度偏低導致強度不足，如果改變熱處理工藝，獲得馬氏體+貝氏體+碳化物的復相組織，將可以改善硬度、強度以及疲勞性能。

3 結語

(1)軸承兩部件表面至心部硬度均勻，GCr15 滾子的平均硬度為56.2 HRC，低于軸承零件的力學性能要求;GCr18Mo 套圈的平均硬度為60.8 HRC，符合軸承零件的力學性能要求。

(2)軸承兩部件表面至心部組織均勻，主要為下貝氏體和碳化物。GCr15 滾子獲得的下貝氏體針長寬比約為7.5，GCr18Mo 套圈獲得的下貝氏體針長寬比約為10。GCr15 滾子中未溶碳化物的平均直徑為0.55 μm，直徑在0.2～0.8 μm 的碳化物所占比例為86.5%;GCr18Mo 套圈獲得的碳化物平均直徑為0.54 μm，直徑在0.2～0.8μm的碳化物所占比例為93.2%。

(3)軸承兩部件經同樣的貝氏體等溫淬火熱處理工藝后，材料不同導致組織和硬度也不同。GCr15 滾子中下貝氏體針和碳化物都比GCr18Mo 套圈中的粗大，硬度也偏低，若改變工藝得到一定量的馬氏體將會彌補其強度和疲勞壽命的不足，預計投入城軌車輛軸承的生產后也會獲得良好的使用壽命。GCr18Mo 套圈可以獲得強韌性良好的組織，適于制作承受大沖擊載荷下使用的城軌車輛軸承。

［1］Zhang Jing guo.Microstructure and continuous cooling transformation thermograms of spray formed GCr15 steel［J］.Materials Science and Engineering，2002(A326):20.

［2］Wamng J L，Chai F T.Effect of carbide refinementon the fine structure of bainite/martensite duplex microstructure of GCr15 steel［J］.Journal of Materials Science Letters，1994(13):1506.

［3］王福禎.GCr15 鋼下貝氏體等溫淬火試驗分析［J］.軸承，1992(1):54 -60.

［4］孫茂林，林太軍，姚艷書.GCr18Mo 鋼等溫淬火工藝與性能試驗［J］.軸承，2001(8):28 -30.

［5］秦國友等.定量金相［M］.成都:四川科學技術出版社，1987.

［6］劉宗昌，任慧平.貝氏體與貝氏體相變［M］.北京:冶金工業出版社，2009.

［7］Hsu T Y(徐祖耀).On martenite formation［J］.Metal.l Trans，1990(21A):811 -816.

［8］JB/T 1255—2001.中華人民共和國機械行業標準［S］.中國機械工業聯合會，2001.

［9］鐘順思，王昌生.軸承鋼［M］.北京:冶金工業出版社，2000.

［10］馮保萍，仇亞軍，王傳恩.碳化物對GCr15 軸承鋼接觸疲勞壽命的影響［J］.軸承，2003(10):30 -32.