GCr15軸承鋼雙細化工藝研究

■ 王艷山，陳小超，尤蕾蕾，郝奧玄

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由于高檔機械軸機床主軸軸承極其特殊的工作環境對軸承的尺寸穩定性、耐磨性、沖擊韌度以及接觸疲勞壽命等指標的要求特別高，按照軸承鋼常規的熱處理工藝根本無法滿足其極高的要求，因此必須對高檔機械軸機床主軸軸承的熱處理工藝進行深入的研究，以達到大幅度提高其質量、壽命以及可靠性，并滿足高檔機械軸機床主軸軸承各項性能指標要求的目的。

軸承零件熱處理后的晶粒度和碳化物是影響軸承性能與壽命的關鍵因素，金屬學強韌化機制表明，軸承零件的晶粒度和碳化物的尺寸越細小，軸承的強度、韌性以及耐磨性等性能就越好。按照常規的軸承熱處理工藝處理后，晶粒度和碳化物比較粗大，難以滿足高檔機械軸機床主軸軸承的使用要求。本研究擬采用對軸承鋼“雙細化”的熱處理工藝，細化軸承鋼的晶粒度和碳化物，大幅度地提高軸承鋼的各項性能指標，充分挖掘軸承鋼的材料潛質，在高檔機械軸機床主軸軸承的熱處理方面優化傳統的熱處理工藝，為我國高檔數控機床主機的國產化提供高速精密軸承基礎件，填補國內空白。

1. 工藝試驗

充分考慮結合當下現行軸承鋼制零件的熱處理情況，本研究選材使用滿足GB/T 18254—2016的球化退火態GCr15軸承鋼，化學成分如表1所示，按照各性能測試標準尺寸要求加工的試樣如圖1所示，設計兩種雙細化熱處理工藝進行碳化物尺寸和晶粒度的細化研究，具體工藝參數如表2所示。

圖1 工藝試樣

表1 球化退火態GCr15化學成分（質量分數） （%）

表2 熱處理工藝

2. 性能檢驗

GCr15軸承鋼制各性能測試標準試樣經過表2所列出的熱處理工藝處理后，對試樣分別進行碳化物尺寸、晶粒度、金相組織、硬度、沖擊、拉伸、耐磨性等性能進行檢驗。

（1）碳化物尺寸檢驗 采用線切割方法橫向切斷兩工藝處理后試樣各3個，經磨制后冷酸腐蝕試樣截面，在掃描電鏡下放大5000倍測量其碳化物尺寸，具體數據如表3所示。

兩工藝處理后試樣碳化物分布如圖2、圖3所示。

圖2 工藝Ⅰ試樣碳化物分布

圖3 工藝Ⅱ試樣碳化物分布

圖4 工藝Ⅰ試樣晶粒度圖片

圖5 工藝Ⅱ試樣晶粒度圖片

圖6 工藝Ⅰ試樣金相組織照片

圖7 工藝Ⅱ試樣金相組織照片

表3 碳化物顆粒尺寸

表4 晶粒度級別

（2）晶粒度測試 取兩工藝處理后試樣各3個，經苦味酸鹽酸水溶液腐蝕后，在光學顯微鏡500倍下拍攝其金相照片。在圖像分析軟件中對照片采用人工截點法進行評級，具體晶粒度級別如表4所示。

兩工藝處理后試樣晶粒度圖片如圖4和圖5所示。

（3）金相組織檢驗 將雙細化熱處理工藝處理后試樣各取3個制成金相試樣，經冷酸腐蝕后檢驗其截面金相組織，按照標準JB/T 1255—2014金相圖譜進行評級，具體級別如表5所示，金相圖片如圖6、圖7所示。

（4）硬度檢驗 在兩工藝處理后各3個試樣上檢測洛氏硬度，每個試樣檢測3點，最終取平均值，檢測結果如表6所示。

（5）沖擊性能測試 對兩工藝處理后各9根沖擊試樣進行沖擊試驗測試，沖擊試樣開U型缺口，沖擊試驗結果如表7所示。

（6）拉伸性能測試 對兩工藝處理后各3根拉伸試樣均進行拉伸試驗測試，拉伸試驗結果如表8所示。

（7）耐磨性測試 對兩工藝處理后各3對摩擦副試樣進行耐磨性測試，采用MMS-2A微機控制摩擦磨損試驗機。試驗條件為：試驗載荷200N，轉速200r/min，試驗時間60min，干摩擦。檢測結果如表9所示。

表5 金相組織級別

表6 硬度測試值 （HRC）

表7 沖擊測試 （J）

表8 拉伸測試

表9 耐磨性測試

3. 分析與討論

經兩種工藝處理和性能測試結果不難看出，GCr15軸承鋼經工藝Ⅰ處理，即840℃×40min油淬+170℃×2h回火，一次淬回火操作直接簡單，獲得常見的細小的3級回火馬氏體和細小均勻的碳化物組織，并伴有少量屈氏體，碳化物尺寸達到0.93μm，平均晶粒度9.9級，洛氏硬度可達60.0HRC，沖擊和拉伸及耐磨性均能達到常見指標，滿足一般工程機械需要。

GCr15軸承鋼加熱時臨界點溫度Ac1為750～795℃，Accm為900℃，將GCr15軸承鋼試樣在840℃×40min油淬+170℃×2h回火之前增加860℃×25min油淬，即為工藝2處理。提高奧氏體化溫度至860℃，讓更多的碳化物溶解，在淬火后獲得更加細小的馬氏體和碳化物顯微組織和更細小的晶粒，并提高淬火組織的基體濃度和均勻性，為最終的840℃×40min油淬+170℃×2h回火提供組織準備。碳化物的細化有利于晶粒細化和均勻性，晶粒細化又可雙重提高鋼的強度和塑韌性。經工藝Ⅱ處理后，獲得更加細小的1級回火馬氏體和更加細小的碳化物，晶粒得到進一步細化，基體更加均勻，碳化物尺寸達到0.33μm，平均晶粒度11.5級，在細晶強化和碳化物彌散強化的雙重作用下，洛氏硬度提高 到61.8HRC，沖擊和拉伸性能均大幅提高，耐磨性更是大幅改善，這種高強度、高硬度和優良的沖擊、拉伸性能可滿足復雜苛求環境工況條件下軸承的使用。

工藝Ⅱ操作簡單，便于工業化應用推廣，各項性能優異，有助于生產出能夠滿足要求的高速精密軸承基礎件。

4. 結語

通過工藝研究試驗和性能測試，工藝Ⅱ為一種最佳的GCr15軸承鋼雙細化熱處理工藝，即：860℃×25min油淬+840℃×40min油淬+170℃×2h回火。

此工藝操作簡單，經此工藝處理后，GCr15軸承鋼的平均碳化物尺寸為0.33μm，平均晶粒度達到了11.5級，在沖擊、拉伸試驗中有性能優異，在耐磨性試驗中磨損量最小。