軸承鋼熱處理工藝及組織分析

鄭慶行

【摘 要】本試驗采用GCr15鋼，分別對其進行了不同的熱處理工藝試驗，對其處理后的組織觀察與分析，并進行了試樣硬度的測定。

【關鍵詞】GCr15鋼；正火；等溫球化退火；淬火

軸承鋼是指用于制作在不同環境中工作的各類滾動套圈和滾動體的鋼的統稱。高碳鉻軸承鋼自上世紀初問世至今已有100多年的歷史。從它誕生至今，化學元素的含量幾乎沒有變化，但其疲勞壽命卻成倍甚至幾十倍的提高，原因就在于軸承材料的純凈度提高了。軸承鋼純凈度的提高，主要依賴于冶金工藝的現代化、爐外精煉技術的普遍采用[2]。

熱處理是通過加熱和冷卻的方法使金屬內部組織結構（有的包括表面化學成分）發生變化，以獲得預期性能的工藝方法。這些性能包括工藝性能、力學性能和化學性能，在現代機械制造工業中主要指材料的強度、硬度、韌性、耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性等。因此進行熱處理是提高零件使用性能、保證產品質量、改造加工工藝性、發揮材料潛力和節約原材料的重要途徑。

本試驗針對GCr15鋼制訂不同的熱處理工藝并采用RSX-2.5-10實驗箱式電阻爐對其進行處理，然后制備金相試樣，對磨拋后的試樣用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在光學金相顯微鏡上對其組織進行觀察與分析，在硬度試驗計上測定試樣硬度，最后將實驗結果進行綜合分析。

一、試驗材料

本實驗用材為供貨態GCr15鋼棒材。將其加工成Φ15×25（mm）試樣，其化學成分和臨界點。

二、試驗設備

采用UJ-37型測溫直流電位差計進行爐溫校核，熱處理加熱設備采用RSX-2.5-10型箱式電阻爐，在M3225型臺式砂輪機上進行試樣打磨，分別用200#、400#、600#、800#、1000#帆船牌水砂紙磨制金相試樣，在P-2型拋光機上進行拋光，用4%的硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，在OLYMPUS PMG3型光學金相顯微鏡上進行顯微組織觀察與分析，在HB-3000型布氏硬度試驗機和HRD-150型電動洛氏硬度試驗計上測定試樣的硬度值。

三、參數擬定

GCr15鋼完全退火、正火、高溫淬火工藝，都是將工件加熱到單相奧氏體區，然后根據不同性能的需求進行冷卻，其具體工藝見下表。

GCr15鋼的正常淬火工藝是將工件加熱到Ac1以上50～80℃、等溫球化退火工藝是將工件加熱到Ac1以上20～30℃然后在Ar1以下10～20℃等溫一定時間[1]，根據鋼的臨界點及試驗目的要求，其具體工藝見表2。

四、試驗結果分析

（一）供貨態組織、完全退火組織的分析

GCr15鋼供貨態組織為索氏體+斷續細網狀滲碳體。

GCr15鋼經930℃×40min退火的組織為粗大片狀珠光體和網狀二次滲碳體。與T10鋼的完全退火組織相比，珠光體片間距減小，沿晶界析出的網狀滲碳體變細，主要原因是GCr15中含有碳化物形成元素Cr，在隨爐冷卻過程中碳原子擴散受阻，因此從奧氏體中析出量減少，而形成片間距較細的珠光體及沿其晶界析出的細網狀滲碳體 [4]。

（二）正火組織、等溫球化退火組織的分析

GCr15鋼經930℃×40min正火處理后的組織與T10鋼相比，除屈氏體外+沿晶界分布的滲碳體顆粒更細小而又少。其原因是冷速快，該鋼的C曲線與T10鋼相比右移，實際相變速度減緩，在相同的冷速下碳從過冷奧氏體中的析出量少所致。

等溫球化退火所得組織為球狀珠光體，其組織中的碳化物顆粒與T10鋼相比更細小。原因是鋼中含有鉻元素，碳原子聚集長大傾向較T10鋼小，故形成的顆粒狀滲碳體較小。

（三）正常淬火組織、高溫淬火組織的分析

正常淬火的組織為細小針狀馬氏體和殘余奧氏體及未溶的顆粒狀的碳化物。

軸承鋼淬火溫度雖比T10鋼高出50℃左右，但該組織中的馬氏體針卻很短。因為軸承鋼中含有碳化物形成元素Cr，Cr有抑制奧氏體晶粒長大的作用，故在加熱時形成的奧氏體晶粒細小，淬火后獲得細小針狀的馬氏體。

高溫淬火組織為粗大針狀馬氏體和比較多的殘余奧氏體。與T10鋼相比臨界冷速較慢，也就是說過冷奧氏體的穩定性比較好，故淬火后得到粗大的馬氏體和殘余的奧氏體。

（四）不同回火溫度下組織的分析

正常淬火+低溫回火組織為隱針回火馬氏體和細小粒狀的未溶碳化物。

由此可看出，正常淬火+中溫回火組織為回火屈氏體+細小未溶的粒狀碳化物。正常淬火+高溫回火組織為回火索氏體+細小粒狀的碳化物。正常淬火+更高溫回火組織為回火球狀珠光體。

GCr15鋼經不同工藝處理后試樣，進行硬度測定的結果見表3。

五 結論

本文以GCr15軸承鋼為研究對象，通過不同的熱處理工藝對其進行處理，通過金相分析和硬度測試得出以下結論：

1.GCr15鋼經正常淬火后，隨著回火溫度的增加，淬火馬氏體將分別轉變為回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體和回火球狀珠光體組織。其硬度隨著回火溫度的升高而降低。

2.GCr15鋼隨著淬火溫度的增加，奧氏體晶粒長大，淬火后得到的馬氏體針也變得粗大，且殘余奧氏體量也隨之增加，其硬度隨之降低。

3.GCr15鋼在低于臨界點（Ac1）30℃左右進行回火，其回火組織為球狀珠光體組織。

參考文獻：

[1]《鋼鐵材料手冊》總編輯委員會.工具鋼[M].北京：中國標準出版社，2003：3.

[2] 鐘順思，王昌生.軸承鋼[M].北京：冶金工業出版社，2000：7～8.

[3]《鋼鐵材料手冊》總編輯委員會.軸承鋼[M].北京：中國標準出版社，2003：36.

[4] 李炯輝，施友方，高漢文.鋼鐵材料金相圖譜[M].上海：上海科學技術出版社，1981：316.