工作溫度和保溫時間對GCr15鋼球顯微組織及硬度的影響

2022-08-16 02:41:02周麗娜王文雪劉宇劉璐瑩楊晶

軸承 2022年8期

周麗娜，王文雪，劉宇，劉璐瑩，楊晶

(中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

GCr15(國外牌號52100或100Cr6等)是一種高碳低合金軸承鋼，具有優異的硬度、耐磨性以及抗疲勞性能，被廣泛應用于航空發動機、高速列車、船舶等各個工業領域的軸承制造中[1-3]。GCr15材料中碳含量約為1.0%(質量分數，下同)，主要合金元素Cr含量約為1.5%。對GCr15軸承鋼而言，其常規熱處理工藝為淬火加一次回火：淬火溫度為830～860 ℃[4-7]，淬火后其顯微組織主要由馬氏體、殘余奧氏體及滲碳體組成[8-9]；回火作為最終熱處理步驟對GCr15材料性能至關重要，依據其回火溫度區間分為低溫回火(150～<200 ℃)和高溫回火(200～300 ℃)，回火后顯微組織主要由回火馬氏體、少量殘余奧氏體和碳化物組成。另外，當對軸承尺寸穩定性要求較高時，需在淬火后增加一次冷處理以降低殘余奧氏體含量。

GJB 269B—2012《航空滾動軸承通用規范》指出當作為航空軸承使用時，即便GCr15套圈需進行高溫回火(200～250 ℃)，鋼球(直徑≤25 mm)亦可直接采用低溫回火處理以保證獲得最優異的硬度和耐磨性。然而，當航空軸承遇到潤滑不良等問題時，可能導致其工作溫度短時升高，一旦超過鋼球低溫回火溫度，可能帶來材料顯微組織變化，進而引起硬度降低、尺寸變化等問題。盡管GCr15軸承最高使用溫度可達204 ℃，長期穩定使用溫度上限為150 ℃[10-11]；但工作溫度短時超過GCr15鋼球回火溫度時的顯微組織以及硬度變化情況未見相應研究。因此，研究低溫回火GCr15鋼球的短時耐高溫能力，即鋼球顯微組織及硬度隨不同工作溫度、時間的演化規律，對軸承設計選材及其熱處理工藝優化具有重要指導意義。

1 試驗

1.1 試樣

試樣為直徑9.525 mm的冷沖壓GCr15鋼球，鋼球用直徑為7.0 mm 的棒材加工而成，硬度為8.0～15.2 HRC，其化學成分見表1。棒材原始組織為球化退火態，即粒狀珠光體組織。

表1 GCr15鋼化學成分

1.2 試驗方案

設計GCr15鋼球熱處理工藝為：淬火及一次低溫回火，其中淬火溫度為840 ℃，保溫30 min；回火溫度為150 ℃，保溫120 min，具體工藝如圖1所示。

圖1 GCr15鋼球熱處理工藝

為驗證工作溫度超過回火溫度時GCr15鋼球顯微組織及硬度的變化，模擬軸承使用工況(其中高溫硬度測量的試驗條件可以模擬軸承短時高溫狀態)，設定試驗溫度為180，200，230，250 ℃，4檔溫度下分別保溫10，20，30，60，120 min以測量其顯微組織及硬度。鋼球的保溫過程利用鼓風干燥箱進行，使用溫度上限為300 ℃；保溫后鋼球進行線切割及機械研磨拋光后，用4%硝酸酒精進行腐蝕，并利用金相顯微鏡(NIM-910)以及掃描電子顯微鏡(SUPRATM55)進行顯微組織觀察；物相分析利用X射線衍射儀(Bruker D8 A，Co靶材)，掃描范圍45°～115°，步距為0.02°/s，積分時間為0.4 s，并依據國標YB/T 5338—2019《鋼中奧氏體定量測定X射線衍射儀法》進行殘余奧氏體含量計算；保溫后GCr15鋼球的室溫硬度采用洛氏硬度計(HR-150G)進行測試；熱處理后GCr15材料在不同溫度下的高溫硬度采用高溫硬度計(ZD-HVZHT-10)進行測試。

2 工作溫度和保溫時間對GCr15鋼球顯微組織的影響

2.1 淬回火處理后GCr15鋼球顯微組織特征

退火態GCr15鋼球原始組織為粒狀珠光體，由鐵素體和球狀碳化物組成[12-13]。利用圖1所示工藝對GCr15鋼球進行熱處理，并利用XRD對其進行物相分析，結果如圖2所示。可以看出，經淬火及低溫回火后GCr15鋼球組織由回火馬氏體、殘余奧氏體及未溶解滲碳體組成，依據YB/T 5338對其殘余奧氏體含量進行了計算，結果為8.8%。

圖2 熱處理后GCr15鋼球XRD圖譜

分別利用金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對熱處理后GCr15鋼球進行了組織分析，結果如圖3所示。由圖3a可以看出，經淬火及低溫回火處理后，GCr15鋼組織呈現3種襯度，白色區(圓圈所示)為未溶解滲碳體(Fe3,Cr)3C，黑色區(黃色箭頭所示)為隱針馬氏體，灰色區(紅色箭頭所示)為細小針狀馬氏體和殘余奧氏體[14]。存在2種耐腐蝕性不同的隱針與細小針狀馬氏體的主要原因為GCr15鋼球中滲碳體穩定性不同，其中含Cr元素較高的(Fe,Cr)3C穩定性較強，奧氏體化保溫過程中不易溶解，導致該區域奧氏體中含C及Cr元素較低，Ms點較高，淬火得到的馬氏體易發生回火，耐蝕性較差，呈現黑色；反之含Cr元素較低的(Fe,Cr)3C區域馬氏體耐蝕性相對較優，被侵蝕程度較輕，呈現灰色[15]。此外，由于殘余奧氏體為單相組織，不易侵蝕，亦呈現灰色。

(a)OM下的鋼球顯微組織

2.2 工作溫度對GCr15鋼球顯微組織的影響

對GCr15鋼球分別于180，200，230，250 ℃下保溫60 min，并利用XRD進行物相分析，結果如圖4a所示：觀察奧氏體峰A(200)，A(220)和A(311)可以看出，經180，200 ℃保溫60 min處理后，GCr15鋼球殘余奧氏體峰的相對強度變化不大，升高溫度至230，250 ℃時，殘余奧氏體峰相對強度明顯降低。對不同溫度處理后GCr15鋼球殘余奧氏體分解量進行了計算，結果如圖4b所示：隨著工作溫度逐漸升高，殘余奧氏體分解量逐漸增加。當180 ℃下保溫60 min時，殘余奧氏體幾乎不發生分解，250 ℃保溫60 min時，殘余奧氏體分解量超過5%，與殘余奧氏體衍射峰的相對強度變化趨勢一致。主要是由于溫度升高使碳原子擴散能力增強，導致殘余奧氏體分解能力逐漸增強。

(a)XRD圖譜

除物相分析外，還利用OM對180，200，230及250 ℃保溫60 min處理后GCr15鋼球的金相組織進行了觀察，結果如圖5所示。對比圖3a與圖5d可以看出，低溫回火后GCr15鋼球即使在250 ℃下保溫60 min，其金相組織亦無明顯變化，依然呈現白色區、黑色區和灰色區3種襯度。但結合XRD

(a) 180 ℃

結果可知，隨著工作溫度的升高，灰色區組織發生了變化：當工作溫度為180，200 ℃時，灰色區組織與低溫回火后組織相同，為細小針狀馬氏體和殘余奧氏體；而當工作溫度升高至230，250 ℃時，殘余奧氏體分解，灰色區組織主要為細小針狀馬氏體。

為進一步分析不同工作溫度對GCr15鋼球顯微組織的影響，利用SEM對不同工作溫度保溫處理后鋼球顯微組織進行了觀察，結果如圖6所示。GCr15鋼球經180，200 ℃保溫60 min處理后，顯微組織無明顯變化，與圖3b中原始組織基本相同，主要由未溶解滲碳體、殘余奧氏體和回火馬氏體組成。而經230，250 ℃保溫60 min后，鋼球顯微組織發生變化：1)圖6a中未被侵蝕區域減少，即殘余奧氏體發生分解，含量減少；2)回火馬氏體中析出短“絨毛狀”物質，應為Fe3C[16-17]。

(a)180 ℃

2.3 保溫時間對GCr15鋼球顯微組織的影響

對GCr15鋼球而言，其顯微組織隨保溫時間的演化規律亦是其能否正常工作的重要判定依據。對不同工作溫度下分別保溫10，120 min后的鋼球進行了物相分析，結果如圖7a所示：當工作溫度為180 ℃時，殘余奧氏體峰A(200)相對強度變化不大；升高工作溫度至200 ℃時，A(200)相對強度隨保溫時間延長略有降低；當工作溫度不低于230 ℃時，殘余奧氏體峰的相對強度隨保溫時間的延長明顯降低。對不同保溫時間下殘余奧氏體分解量進行了計算，結果如圖7b所示：當工作溫度為180 ℃時，殘余奧氏體分解量較低，且保溫時間對其影響不大；隨著工作溫度的升高，殘余奧氏體分解量隨保溫時間延長逐漸增大。值得注意的是，文獻[18]認為GCr15材料在230 ℃下回火保溫120 min時，殘余奧氏體幾乎完全分解；但結合圖7發現，正常淬回火后的GCr15鋼球在230 ℃保溫120 min后依然存在少量殘余奧氏體。這是由于150 ℃回火時會發生“碳分配”效應[19]，即碳由過飽和馬氏體擴散至殘余奧氏體，增加了其熱穩定性，當工作溫度為250 ℃時，保溫時間延長至120 min后，殘余奧氏體分解量達7.3%。

(a)XRD圖譜

利用SEM對GCr15鋼球經180，200，230，250 ℃下不同保溫時間的顯微組織進行觀察分析，結果如圖8所示。180，200 ℃下保溫處理后的特征類似，顯微組織主要由殘余奧氏體、回火馬氏體及未溶解碳化物組成，未觀察到明顯析出。不過，觀察不到明顯析出可能是無析出或析出碳化物尺寸過于細小。230 ℃下保溫10，120 min后的顯微組織可以看出，保溫時間為120 min時已可以在馬氏體中觀察到少量Fe3C析出。250 ℃下保溫10，120 min后GCr15鋼球顯微組織演化情況表明，隨著時間的延長，Fe3C析出量逐漸增加。

(a)180 ℃下保溫10 min (b) 180 ℃下保溫120 min

3 工作溫度和保溫時間對GCr15鋼球硬度的影響

3.1 GCr15鋼球室溫硬度

經正常淬回火處理后，GCr15鋼球室溫硬度在62.5～64.0 HRC之間，對各工作溫度下不同保溫時間處理前后鋼球室溫硬度進行了測量，對應硬度值降低情況如圖9所示。可以看出，當工作溫度為180 ℃時，不同保溫時間對鋼球硬度影響不大，即使保溫時間達120 min，其室溫硬度亦基本不變，結合圖4和圖6顯微組織轉變結果可知，這主要是因為180 ℃下GCr15鋼球顯微組織基本不發生退化；當工作溫度為200 ℃時，隨著保溫時間的延長，硬度降低值逐漸增大，保溫時間為120 min時硬度下降1.9 HRC；當工作溫度升高至250 ℃時，隨著保溫時間的延長，硬度逐漸下降，保溫時間為120 min時硬度下降3.1 HRC，結合顯微組織分析可知，這主要是由于保溫過程中碳化物析出，馬氏體含碳量降低導致。值得注意的是，200 ℃保溫120 min時，SEM未觀察到明顯碳化物析出，推測是由于析出碳化物尺寸過小導致，且文獻[20]也證實GCr15材料在200 ℃回火120 min后可析出ε碳化物。

圖9 工作溫度和保溫時間對GCr15鋼球室溫硬度的影響

3.2 GCr15鋼球高溫硬度

GCr15材料經150 ℃回火后高溫硬度測試結果如圖10所示，低溫回火后GCr15材料室溫硬度為63.2 HRC，隨著溫度升高，高溫硬度整體呈逐漸降低趨勢。當工作溫度為100 ℃時，其硬度值相較于室溫硬度降低并不明顯，依然可達62.8 HRC；當工作溫度不低于120 ℃時，GCr15材料硬度降低趨勢增大；160 ℃下高溫硬度為58.4 HRC；繼續升高工作溫度至180 ℃時，高溫硬度降低至56.0 HRC。對航空軸承而言，通常當其某一溫度下硬度值滿足不小于58 HRC時，可認為軸承在該溫度下能保持全壽命[11,21-22]。結合不同工作溫度下GCr15鋼球顯微組織及室溫硬度演化規律可知，工作溫度為180 ℃時，即使保溫時間達120 min，其顯微組織并無明顯變化，且室溫硬度亦未下降。因此，盡管低溫回火后GCr15鋼球在180 ℃下無法保持全壽命，但是依然可以滿足短時服役需求。