GCr15鋼制薄壁軸承套圈高壓氣淬工藝及分析

李付偉，龔建勛，宋華華，劉匯河，王兵信

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

GCr15鋼在熱處理加熱過程中，通常會(huì)發(fā)生氧化、脫碳、增碳等現(xiàn)象，為此嘗試使用真空氣淬工藝。真空高壓氣淬工藝具有無氧化、無脫碳的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)光亮熱處理，使零件脫脂、脫氣、避免表面污染和氫脆，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對加熱速度和冷卻速度的控制，減小熱處理變形，提高材料性能。國外高壓氣淬工藝在多種材料上得到成熟應(yīng)用，熱處理產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提高。我國高壓氣淬研究近幾年剛剛起步，僅在少量材料上使用，GCr15鋼尚未涉及，因此，高壓真空氣淬熱處理應(yīng)作為研究的重點(diǎn)[1-2]。

對于普通壁厚的GCr15鋼軸承套圈，常規(guī)油淬工藝已能滿足產(chǎn)品變形的要求，而薄壁軸承套圈的加工一直是軸承熱處理的難點(diǎn)，下文研究GCr15鋼薄壁軸承套圈氣淬的淬透性，通過對比高壓真空氣淬和普通油淬對套圈硬度、組織和變形的影響，探索GCr15鋼薄壁套圈高壓氣淬的可行性，為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試樣為某型GCr15鋼制薄壁軸承外圈，經(jīng)退火處理后車制成形，其主要尺寸為：外徑200 mm，寬度35 mm，有效壁厚5 mm。采用直讀光譜法測得的材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，材料元素含量符合GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的要求。

表1 GCr15軸承鋼化學(xué)成分 w,%

1.2 試驗(yàn)方法

將套圈分成2組進(jìn)行試驗(yàn)，一組進(jìn)行普通油淬熱處理，具體工藝為：835 ℃×40 min加熱保溫+油冷淬火+170 ℃×240 min回火；另一組進(jìn)行真空高壓氣淬處理，具體工藝為：835 ℃×40 min加熱保溫+0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 MPa(3,4,5,6,7 bar,生產(chǎn)中常用壓力范圍)的高純氮?dú)鈿饫浯慊?170 ℃×240 min回火。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備為ICBPH100TG-TH型低壓真空滲碳爐，RDES-270/9-900CN型轉(zhuǎn)底式爐，回火油爐，OLYMPUS倒置式金相顯微鏡，HR-150A 型洛氏硬度計(jì)，D914型寬徑測量儀和G804型直徑測量儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 淬透性

分別在0.3，0.4，0.5，0.6和0.7 MPa的氣淬壓力下對軸承套圈進(jìn)行試驗(yàn)，測試其表面及心部的硬度值，然后與生產(chǎn)中使用的普通空氣加熱油淬工藝的試樣進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。通過對比發(fā)現(xiàn)，對于壁厚為5 mm的軸承套圈，在氣淬壓力為0.3～0.7 MPa的常用壓力范圍內(nèi)，均能很好地淬透，中心處與表面的硬度值相差不大，且硬度值全部符合JB/T 1255—2014《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》的要求。

表2 不同熱處理工藝試驗(yàn)后的硬度對比

2.2 金相組織

經(jīng)真空高壓氣淬的試樣表面光亮，無氧化皮,呈銀灰色，且均勻一致，2種方法淬回火后隨機(jī)各選取1件套圈制取金相試樣。普通油淬顯微組織(M4級)如圖1所示，高壓氣淬顯微組織(M3級)如圖2所示。由圖可見,不同壓力下試樣的組織基本一致，均由均勻分布的細(xì)小馬氏體+細(xì)小殘留碳化物+少量的殘余奧氏體組成。由于氣淬時(shí)冷卻的一致性更好，故氣淬后的組織更加細(xì)小均勻。

圖1 普通油淬后的顯微組織

圖2 不同壓力下氣淬后的試樣顯微組織

2.3 硬度

為了保證回火工藝的一致性，對淬火后的同一爐次套圈進(jìn)行回火處理，然后檢測2種工藝套圈的硬度，每個(gè)套圈測量3點(diǎn)，即沿圓周方向每隔120°測試一點(diǎn)，取平均值，結(jié)果見表3。

由表3可知，隨著氣淬壓力的增加，套圈硬度值略有增大，但真空氣淬后的硬度值比普通油淬的略有降低，但仍在硬度要求范圍內(nèi)。分析認(rèn)為硬度降低可能是由于氣淬時(shí)冷卻速度比油淬時(shí)冷卻速度慢所致，但高壓氣淬后套圈硬度均勻性更好，因此，高壓真空氣淬適用于GCr15鋼制薄壁精密軸承零件的加工。

表3 不同熱處理工藝試驗(yàn)后的硬度 HRC

2.4 變形

套圈變形的根本原因是淬火過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。普通油冷淬火時(shí)由于入油的不同時(shí)性，造成套圈不同部位的冷卻速度存在一定的差異，且淬火油的冷卻速度較快，油淬時(shí)產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，使得套圈出現(xiàn)較大的變形和翹曲，尤其寬度較大套圈的錐度問題尤為明顯。高壓氣淬是采用氮?dú)庾鳛榇慊鸾橘|(zhì)，氮?dú)鈴母鱾€(gè)方向同時(shí)沖入淬火室，改善了套圈的冷卻方式，保證了套圈冷卻的同時(shí)性和均勻性，故可減少產(chǎn)品的變形和翹曲，尤其是避免了寬度較大套圈的錐度問題。

熱處理后套圈變形檢測結(jié)果見表4。從表中數(shù)據(jù)可知，隨著淬火壓力的增加，套圈的直徑變動(dòng)量和端面翹曲量逐漸增加，但氣淬后的套圈變形量仍優(yōu)于普通油淬，尤其是套圈的錐度顯著改善。因此，對于GCr15鋼薄壁軸承套圈，在保證硬度組織滿足要求的前提下，應(yīng)盡量選取較小的氣淬壓力。

表4 不同熱處理后套圈變形檢測結(jié)果對比 mm

3 結(jié)論

1)隨著氣淬壓力的增大，套圈硬度值略有增加，套圈變形量亦呈增加趨勢，真空氣淬后的硬度值較普通油淬的略有降低，但仍能滿足JB/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2)隨著氣淬壓力的增加，套圈變形量呈增大趨勢，但氣淬后的套圈變形量優(yōu)于普通油淬。

3)GCr15鋼薄壁軸承套圈最佳氣淬壓力為0.3～0.4 MPa，此時(shí)套圈變形較小，且淬火組織和硬度均滿足JB/T 1255—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求。