GCr15軸承鋼真空淬火組織與性能*

余松平，楊 闖2▲，甘 露，張興國，林 鈺

(1.中航力源液壓股份有限公司，貴州 貴陽 550018；2.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

GCr15軸承鋼是一種常用的高鉻軸承鋼，淬火加回火后具有較高的硬度和耐磨性、良好的尺寸穩(wěn)定性及優(yōu)異的接觸疲勞性等在各種機(jī)械零部件上得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。由于軸承的使用工作環(huán)境日益復(fù)雜，在工作的過程中要承受拉伸、壓縮、彎曲、剪切、交變等復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，受力情況復(fù)雜，對軸承材料的高質(zhì)量、可靠性和綜合性能提出了更高的要求[4-5]。GCr15軸承鋼屬于高碳鋼，普通的淬火處理表面易發(fā)生氧化脫碳現(xiàn)象，極大影響GCr15軸承鋼的使用性能[6-7]，其應(yīng)用范圍受到很大的限制。本文根據(jù)GCr15軸承鋼的性能特點(diǎn)，采用真空油淬的方法對GCr15軸承鋼進(jìn)行熱處理，重點(diǎn)研究了油面壓強(qiáng)和淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間對GCr15軸承鋼組織和性能的影響，為提高GCr15軸承鋼的性能及應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為GCr15鋼，尺寸為Ф50 mm×Ф15 mm×60 mm，主要成分如表1。

表1 GCr15鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

真空淬火在真空油淬爐中進(jìn)行，淬火溫度為860 ℃，淬火加熱時(shí)間為2 h，真空油淬后采用兩種方案進(jìn)行冷卻：① 淬火冷卻傳輸機(jī)構(gòu)為機(jī)械傳動(dòng)，油面未充氣加壓，淬火油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s；② 真空油淬爐采用液壓傳動(dòng)，配置加壓系統(tǒng)，淬火油面充入高純氮?dú)猓慊鹩兔鎵簭?qiáng)為1.5×105Pa，轉(zhuǎn)移時(shí)間為13 s。真空淬火油冷后，迅速在冷凍箱中進(jìn)行深冷處理，深冷處理溫度為-70 ℃，深冷處理時(shí)間為1 h，深冷處理后立刻在烘箱中進(jìn)行低溫回火，低溫回火溫度為160 ℃，回火時(shí)間為2 h。利用OLYMPUS型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織分析，采用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試。真空油淬工藝流程如圖1。

圖1 GCr15鋼真空油淬工藝曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 GCr15鋼的過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線

當(dāng)鋼加熱至臨界點(diǎn)以上進(jìn)行保溫，將形成穩(wěn)定的奧氏體組織[8]。奧氏體冷卻至臨界點(diǎn)以下將不再穩(wěn)定，在不同的冷卻條件下，過冷奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，根據(jù)冷卻速度的不同，將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、貝氏體、馬氏體以及混合組織，冷卻后獲得不同的性能。GCr15鋼屬于過共析鋼，淬火加熱溫度在Ac1～Acm之間，此時(shí)組織為奧氏體+未溶碳化物兩相狀態(tài)，加熱溫度越接近Acm，滲碳體溶解越多，奧氏體中的碳含量越高，其馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Ms點(diǎn))越低。因此，根據(jù)GCr15鋼的成分特點(diǎn)，本文采用真空淬火溫度為860℃，為保證碳化物充分溶解，淬火保溫時(shí)間為2 h。

圖2為GCr15鋼的過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線。由圖2可知，GCr15按①曲線進(jìn)行較快冷卻，在高溫區(qū)短時(shí)停留時(shí)間短于珠光體的孕育時(shí)間約12 s，在低溫區(qū)短時(shí)停留時(shí)間短于貝氏體的孕育時(shí)間約1 min，過冷奧氏體全部過冷至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度240 ℃以下后，主要轉(zhuǎn)變?yōu)殡[晶馬氏體。GCr15按②較慢冷卻曲線進(jìn)行冷卻，在高溫區(qū)短時(shí)停留時(shí)間長于珠光體的孕育時(shí)間約12 s，在低溫區(qū)短時(shí)停留時(shí)間短于貝氏體的孕育時(shí)間約1 min，過冷奧氏體全部過冷至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度約240 ℃以下后，主要轉(zhuǎn)變?yōu)殡[晶馬氏體+珠光體。GCr15按③最慢冷卻曲線進(jìn)行冷卻，在高溫區(qū)短時(shí)停留時(shí)間長于珠光體的孕育時(shí)間約12 s，在低溫區(qū)短時(shí)停留時(shí)間長于貝氏體的孕育時(shí)間約1 min，過冷奧氏體全部過冷至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度約240 ℃以下時(shí)，主要轉(zhuǎn)變?yōu)殡[晶馬氏體+珠光體+貝氏體。

2.2 組織分析

圖3為GCr15鋼真空油淬后經(jīng)不同油面壓強(qiáng)和轉(zhuǎn)移時(shí)間冷卻后的低溫回火組織。由圖3可知，當(dāng)真空油淬的油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s時(shí)，油淬冷卻速度接近圖2中較慢冷卻曲線②，

圖2 GCr15鋼的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線

在高溫冷卻區(qū)域，短時(shí)停留時(shí)間長于珠光體孕育期12 s，冷卻后出現(xiàn)了珠光體組織，碳化物較為粗大，數(shù)量較少，且分布不均勻，經(jīng)160 ℃低溫回火后的組織為隱晶馬氏體+珠光體+碳化物(見圖3(a))。當(dāng)真空油淬爐的傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)，配置加壓系統(tǒng)，淬火油面充1.5×105Pa高純氮?dú)猓藭r(shí)淬火壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于臨界淬火壓強(qiáng)(通常為5×104Pa)，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為13 s時(shí)，油淬冷卻速度接近圖2中冷卻曲線①，在高溫冷卻區(qū)域，短時(shí)停留時(shí)間短于珠光體孕育期12 s，低溫冷卻區(qū)域，短時(shí)停留時(shí)間短于貝氏體孕育期1 min，與真空淬火油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s時(shí)的冷卻組織相比，冷卻后未發(fā)現(xiàn)珠光體組織，碳化顆粒細(xì)小，數(shù)量明顯增多，呈均勻分布，經(jīng)160 ℃低溫回火后的組織為完全的隱晶馬氏體+彌散分布粒狀碳化物(見圖3(b))。

圖3 GCr15鋼真空淬火經(jīng)低溫回火后的顯微組織

2.3 硬度分析

表2為GCr15鋼真空淬火后經(jīng)兩種油面壓強(qiáng)和轉(zhuǎn)移時(shí)間淬火油冷，并經(jīng)低溫回火后的硬度值，圖4為兩種狀態(tài)油冷并經(jīng)低溫回火后的硬度曲線。由表2和圖4可知，當(dāng)真空淬火油面壓強(qiáng)為1.5×105Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為13 s時(shí)，試樣硬度較高，且硬度較為均勻，平均硬度值為63.2 HRC。當(dāng)真空淬火油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s時(shí)，試樣硬度較低，且硬度均勻性較差，平均硬度值僅為51.2 HRC。由此可知，增加真空淬火油面壓強(qiáng)，縮短淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間，能極大提高GCr15鋼的硬度，獲得均勻的硬度。

表2 GCr15鋼真空油淬后的硬度值

GCr15鋼真空淬火后的硬度與淬火后所獲得的組織類型及碳化物的分布密切相關(guān)，當(dāng)GCr15鋼真空淬火油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s，經(jīng)160 ℃低溫回火后組織中出現(xiàn)了珠光體組織，碳化物較為粗大，且分布不均勻，因此淬火加低溫回火后硬度較低，且試樣硬度不均勻。而當(dāng)淬火油面壓強(qiáng)為1.5×105Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為15 s時(shí)，經(jīng)160 ℃低溫回火后組織未見珠光體組織，碳化物分布均勻且較為細(xì)小，因此淬火加低溫回火后能獲得較高的硬度，且試樣硬度均勻。

圖4 GCr15鋼經(jīng)不同真空油淬后的硬度曲線

3 討論

GCr15鋼真空油淬的組織與性能，取決于真空油淬的冷卻能力，而真空油淬冷卻能力受淬火油面壓強(qiáng)和轉(zhuǎn)移時(shí)間兩方面影響。轉(zhuǎn)移時(shí)間就是加熱室門開啟距淬火料框入油的間隔，淬火冷卻速度快慢除了受淬火油本身冷卻特性影響外，油面壓強(qiáng)是非常關(guān)鍵的影響因素，低壓強(qiáng)下，油的蒸汽膜存在的時(shí)間較長[9]，真空淬火油的冷卻能力明顯下降。因此，要提高真空油淬冷卻能力，必須加快淬火轉(zhuǎn)移速度，提高淬火油面的壓強(qiáng)，即向淬火室充入一定壓力的中性或惰性氣體，在油面上造成一定的壓強(qiáng)，該壓強(qiáng)應(yīng)大于臨界淬火壓強(qiáng)(淬透性較差鋼，通常為5×104Pa)[10]，方能實(shí)現(xiàn)鋼的充分淬火，獲得理想的GCr15鋼真空淬火組織，達(dá)到較高且均勻的硬度。

4 結(jié)論

(1)真空油淬的油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s時(shí)，GCr15鋼淬火經(jīng)低溫回火后的組織為隱晶馬氏體+珠光體+碳化物，碳化物較為粗大且分布不均勻。當(dāng)真空淬火油面壓強(qiáng)為1.5×105Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為13 s時(shí)，GCr15鋼淬火經(jīng)低溫回火后的組織為隱晶馬氏體+彌散分布粒狀碳化物，碳化物細(xì)小，呈均勻分布。

(2)真空油淬的油面壓強(qiáng)為1～10 Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為30 s時(shí)，GCr15鋼淬火經(jīng)低溫回火后的平均硬度為51.2 HRC，硬度均勻性較差。當(dāng)淬火油面壓強(qiáng)為1.5×105Pa，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間為13 s時(shí)，試樣平均硬度為63.2 HRC，硬度均勻性好。提高淬火油面壓強(qiáng)和縮短淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間，能極大提高GCr15鋼的硬度，獲得均勻的硬度。