高淬透性軸承鋼等溫淬火工藝研究

孫小東，王云廣，王紅偉，郝奧玄

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471000)

國內軸承行業生產大壁厚軸承套圈，廣泛使用GCr15SiMn高碳鉻軸承鋼，該材料在制備大壁厚、超重載的軸承時很難保證淬硬層深度和表面硬度的要求。為了滿足大壁厚軸承套圈的硬度和使用性能，國外軸承行業普遍采用比GCr15SiMn淬透性更高的軸承鋼。軸承零件經下貝氏體等溫淬火后獲得與馬氏體淬火相近的硬度和耐磨性，同時具備較高的沖擊韌性、斷裂韌性和屈服強度[1]。本文對GCr20SiMo高淬透性軸承鋼進行熱處理工藝研究，通過工藝試驗，以期獲得較優的等溫淬火工藝參數，得到性能良好的貝氏體組織。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為高淬透性軸承鋼GCr20SiMo，加工成尺寸大小為60 mm×40mm×40 mm(L×W×H)的試樣進行工藝試驗。采用ARL4460直讀光譜儀對試樣的化學成分進行檢測，結果見表1。試樣化學成分較普通高碳鉻軸承鋼含有較多的Si、Cr、Mo等元素。

表1 試樣化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

高碳鉻軸承鋼采用等溫淬火可以獲得貝氏體組織，這種組織具有較高的使用壽命。加熱溫度的不同會影響鋼的奧氏體化過程，隨著溫度的提高，鋼中奧氏體晶粒不斷長大，溫度越高原子的擴散運動越易進行。而這種粗大奧氏體晶粒在淬火冷卻后會得到同樣粗大的晶粒轉變產物[2]，一般在500倍光學顯微鏡中會呈現為粗大的貝氏體，這種組織既不符合技術標準的要求，也會直接影響軸承的使用性能。因此，為了獲得相對較優的組織狀態和材料性能，合理的等溫淬火工藝參數非常重要。

1.2.1工藝參數選擇

試樣淬火加熱溫度分別選擇860、865、875和885 ℃；等溫溫度為239 ℃。

采用鹽浴爐對試樣進行加熱，將淬火試樣放入爐內加熱時，溫度升至試驗設計溫度時，開始計算保溫時間，保證試樣的表面及心部能夠完全達到試驗設計需要的溫度。

試樣溫度到達試驗溫度后，保溫進行奧氏體組織轉變，若保溫時間不足會造成奧氏體組織轉變不完全，保溫時間過長，會使奧氏體晶粒粗大。

該鋼種化學成分中含有碳化物形成元素Mo、Cr，它們形成的合金碳化物對奧氏體晶粒長大起到阻礙作用[3]。在加熱過程中保證試樣充分奧氏體化，采用如下公式[4]計算：

T=1.5×D×Kmin/mm

式中：T為試樣的加熱保溫時間；D為試樣的有效壁厚；K為裝爐系數，由于試樣尺寸小，K值取1。

計算得出保溫時間：

T=1.5×40 mm×1 min/mm=60 min。

1.2.2工藝制定

試驗工藝流程為：試樣淬火加熱保溫→鹽浴淬火→鹽浴等溫。試驗工藝見圖1。

圖1 試驗工藝Fig.1 The experiment process

淬火鹽液及等溫鹽液組成為成分重量比1:1的NaNO2和 KNO3，試樣鹽浴淬火時，在鹽浴中上、下運動，保證淬火冷卻充分。

2 試驗結果

2.1 硬度

采用HR-150洛氏硬度計分別對4組試樣進行硬度檢驗，檢驗結果見表2，符合標準JB/T 1255—2014[7]的要求。

表2 試樣硬度值(HRC)

2.2 顯微組織

將等溫淬火試樣磨制成金相試樣，在OLYMPUS GX51光學顯微鏡下觀察顯微組織。按JB/T 1255—2014標準中第二、第五級別圖進行評定，顯微組織見圖2，金相檢驗結果見表3。由表3可知，860 ℃和865 ℃等溫淬火溫度下，試樣中貝氏體組織<1級，合格；875 ℃和885 ℃等溫淬火溫度下，試樣中貝氏體組織>1級，不合格。不同淬火工藝下，組織中均無屈氏體。

(a)860 ℃；(b) 865 ℃；(c) 875 ℃；(d) 885 ℃圖2 不同等溫淬火溫度試樣顯微組織Fig.2 Microstructure of samples with different austempering temperatures

表3 試樣金相組織

2.3 殘余奧氏體

采用Empyrean X射線衍射儀對試樣殘余奧氏體進行檢測，結果如表4所示，殘余奧氏體含量在8.5%～12.5%之間。

表4 試樣殘余奧氏體含量(%)

3 結論

1)不同淬火加熱溫度下,試樣的硬度均滿足技術要求；

2) 不同淬火加熱溫度下,試樣的殘余奧氏體含量在8.5%～12.5%之間；

3) 淬火加熱溫度為860 ℃或865 ℃，鹽浴等溫溫度為239 ℃時，試樣的顯微組織為細小貝氏體，組織合格；淬火加熱溫度為875 ℃或885 ℃，鹽浴等溫溫度為239 ℃時，試樣的顯微組織為粗大貝氏體，組織不合格；

4)建議采用淬火加熱溫度為860 ℃或865 ℃，鹽浴等溫溫度為239 ℃的等溫淬火工藝進行生產。