王貴槐

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

GCr15是一種合金含量較少的高碳鉻軸承鋼，可制作滾動(dòng)軸承、冷沖模具、絲錐及柴油機(jī)的精密偶件等，是比較成熟的多用途鋼種。GCr15鋼經(jīng)過淬火加低溫回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。通常GCr15鋼在淬火前進(jìn)行球化退火預(yù)處理，其主要目的是獲得鐵素體基體上均勻分布著細(xì)小碳化物顆粒的組織，為淬火做好組織準(zhǔn)備[1]。筆者對(duì)不同原始組織的GCr15鋼進(jìn)行了不同溫度的淬火試驗(yàn)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原始組織主要是片狀珠光體的GCr15鋼，未經(jīng)球化退火預(yù)處理，直接淬火后的組織以細(xì)板條馬氏體為主加少量細(xì)針馬氏體，殘余奧氏體和少量未溶碳化物，回火后在保持較高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，還具有較高的斷裂韌性。試驗(yàn)結(jié)果表明如果GCr15鋼的原始組織中不存在網(wǎng)狀組織時(shí)，可以直接淬火獲得較高的綜合機(jī)械性能。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)所用材料為GCr15鋼，其化學(xué)成分見表1，符合國標(biāo)[2]。

表 1 試驗(yàn)用GCr15鋼的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)用GCr15鋼的預(yù)先熱處理

為了獲得粒狀珠光體和片狀珠光體兩種原始組織，試驗(yàn)用的GCr15鋼為φ16的棒料，經(jīng)過了如圖1所示的預(yù)先熱處理。

1.3 試樣尺寸

經(jīng)預(yù)先處理后的棒料，機(jī)加工成如圖2所示的試樣。

1.4 預(yù)先熱處理后的試樣組織

預(yù)先熱處理后的試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨后進(jìn)行機(jī)械拋光，用4%硝酸酒精腐蝕，其組織如圖3所示。試樣球化退火后組織為粒狀珠光體，碳化物按GB/T 18254-2002評(píng)為2級(jí)，硬度HRB90.5；試樣完全退火后組織為細(xì)片狀珠光體加網(wǎng)狀滲碳體，硬度HRC24.7。

通常認(rèn)為粒狀珠光體組織是淬火硬化前的最佳組織，它不易使奧氏體晶粒粗化，允許較寬的淬火溫度范圍，在淬火時(shí)具有最小的變形量和斷裂敏感性，而且具有這種原始組織的鋼經(jīng)淬火后可得到較高的強(qiáng)度和韌性。經(jīng)球化退火后的GCr15鋼，其碳化物呈球狀小顆粒均勻分布在鐵素體基體上，在淬火和低溫回火后，其接觸疲勞強(qiáng)度，耐磨性和韌性都較高[3]。

圖 1 GCr15鋼φ 16棒料預(yù)先熱處理工藝

圖 2 試驗(yàn)試樣

圖 3 GCr15鋼預(yù)先熱處理后金相組織(×500)

1.5 試樣的淬火試驗(yàn)工藝

GCr15鋼的AC1=745℃，ACCM=900℃，淬火加熱溫度應(yīng)在AC1～ACCM之間。試樣淬火加熱采用25KW的840℃鹽浴爐(50%NaCl+50%BaCl2)，加熱時(shí)間為4min[加熱基數(shù)(1min)+加熱系數(shù)(0.8min/mm)×材料厚度(3mm)]，奧氏體化后，迅速轉(zhuǎn)入4KW的225℃鹽浴等溫爐(50%KNO3+50%NaNO2)等溫2min后，迅速淬入10%NaCl水溶液中，如圖4所示。

圖 4 GCr15鋼等溫淬火工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

一般認(rèn)為GCr15鋼粒狀原始組織經(jīng)840℃淬火后，奧氏體中溶解有約0.5～0.6%C，0.8%Cr，尚有7～9%未溶碳化物，淬火后的金相組織應(yīng)為隱晶馬氏體，碳化物和殘余奧氏體所組成。也有的認(rèn)為835～865℃溫度下淬火，位錯(cuò)馬氏體和孿晶馬氏體混合存在，以位錯(cuò)馬氏體為主[4]。本文試驗(yàn)結(jié)果與上述有所不同，如表2所示。

表 2 不同原始組織及奧氏體化溫度的GCr15鋼淬火組織

2.1 不同原始組織的GCr15鋼840 ℃奧氏體化淬火組織

840 ℃奧氏體化后，粒狀原始組織淬火后的組織為隱針馬氏體，細(xì)針馬氏體，碳化物和殘余奧氏體組成。隨著加熱時(shí)間的延長，奧氏體晶粒長大，細(xì)針馬氏體和殘余奧氏體增多，隱針馬氏體和未溶碳化物減少，如圖5所示。

圖 5 粒狀原始組織的GCr15鋼840 ℃淬火后金相組織(×500)

840 ℃奧氏體化后，片狀原始組織淬火后的組織為細(xì)板條馬氏體為主加少量細(xì)針馬氏體，殘余奧氏體和少量未溶碳化物組成。隨著加熱時(shí)間的延長，奧氏體晶粒粗大些，組織結(jié)構(gòu)和相對(duì)量變化較少，如圖6所示。

圖 6 片狀原始組織的GCr15鋼840 ℃淬火后金相組織(×500)

2.2 不同原始組織的GCr15鋼1050 ℃以上奧氏體化淬火組織

若將GCr15鋼的奧氏體化溫度升高到1050℃以上淬火，原始組織和加熱時(shí)間對(duì)淬火后的金相組織影響不大。粒狀、片狀原始組織的GCr15鋼淬火組織都是由板條馬氏體為主加少量針狀馬氏體，殘余奧氏體構(gòu)成，如圖7所示。

圖 7 GCr15鋼1230 ℃淬火后金相組織(×500)

2.3 不同原始組織的GCr15鋼840℃奧氏體化淬火，低溫回火組織

為了進(jìn)一步了解淬火后的組織，對(duì)粒狀、片狀原始組織840℃淬火后的GCr15鋼進(jìn)行了170℃的回火，回火后的金相組織如圖8所示。

對(duì)回火后的組織做透視電鏡觀察，粒狀原始組織淬火馬氏體為針狀，其亞結(jié)構(gòu)是孿晶；片狀原始組織淬火馬氏體主要為板條狀和少量針狀，板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度纏結(jié)位錯(cuò)，并有少量微孿晶條紋，如圖9所示。

2.4 不同原始組織，不同奧氏體化溫度對(duì)馬氏體形態(tài)的影響

粒狀原始組織的GCr15鋼在840℃奧氏體化時(shí)，粒狀原始組織中的部分碳化物溶解，晶粒長大，是富碳區(qū)，淬火得到針狀馬氏體。由于針狀馬氏體形成溫度較低，未回火，經(jīng)4%HNO3酒精腐蝕后呈灰色。碳化物溶解少的貧碳區(qū)，形成隱晶馬氏體，形成溫度較高，被回火，經(jīng)4%HNO3酒精腐蝕后呈黑色，如圖8所示。

圖 8 GCr15鋼840℃淬火170℃回火后金相組織(×500)

圖 9 GCr15鋼840 ℃淬火170℃回火后的精細(xì)結(jié)構(gòu)(×50000)

片狀原始組織的GCr15鋼在840℃奧氏體化時(shí)，由于片狀原始組織中碳化物分散度較粒狀原始組織的要大，滲碳體較薄，相界面較大，易于溶解，故在相同的加熱時(shí)間中，片狀原始組織轉(zhuǎn)變成的奧氏體中含碳量較多，淬火后的組織以板條馬氏體為主加少量針狀馬氏體，如圖9所示。

片狀原始組織的GCr15鋼在840℃加熱淬火得到板條馬氏體，其原因，徐祖耀認(rèn)為，可能是去除第二相及晶界析出物，以及晶粒粗大使滑移的臨界應(yīng)力降低的結(jié)果[5]。在840℃奧氏體化過程中，片狀原始組織較粒狀原始組織碳化物溶解較多，但奧氏體含碳量并不比粒狀原始組織的奧氏體含碳量高許多，片狀原始組織的奧氏體晶粒又粗大些，晶界上析出物少，降低了滑移的臨界分切應(yīng)力，使淬火后得到具有方向，排列成條的馬氏體。由于該板條馬氏體含碳量相對(duì)較高，故板條界模糊。

GCr15鋼在1050～1230℃奧氏體化時(shí)，奧氏體晶粒粗大，原始組織中的碳化物基本上都溶入奧氏體中，奧氏體晶粒粗大，晶界減少，晶體缺陷減少。因此原始組織和加熱時(shí)間對(duì)淬火后的金相組織影響不大，淬火組織都是由板條馬氏體為主加少量針狀馬氏體，殘余奧氏體構(gòu)成。

2.5 不同原始組織的GCr15鋼淬火低溫回火后的斷裂韌性

因?yàn)槲诲e(cuò)的塞積和位錯(cuò)的纏結(jié)的障礙作用，使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，強(qiáng)度提高。由于裂紋不是在板條馬氏體中沿板條界直線擴(kuò)展，而是橫切板條束，這樣路徑曲折，行程較長，裂紋擴(kuò)展需要較高的能量，即板條馬氏體有阻礙裂紋擴(kuò)展的作用[5]。此外，板條馬氏體的高密度位錯(cuò)分布不均勻，存在低密度區(qū)，為位錯(cuò)提供了活動(dòng)的余地，減少了應(yīng)力集中[6]。因此板條狀馬氏體的斷裂韌性高于針狀馬氏體的斷裂韌性。

對(duì)兩種不同原始組織的GCr15鋼經(jīng)淬火低溫回火后測(cè)試KIC值，結(jié)果如表3所示。

表 3 斷裂韌性試驗(yàn)記錄

測(cè)試結(jié)果顯示，840℃淬火，170℃回火處理后，GCr15鋼在相同硬度的情況下，片狀原始組織的斷裂韌性要高于粒狀原始組織的，也間接證明了片狀原始組織淬火馬氏體以板條狀為主，其亞結(jié)構(gòu)為高密度纏結(jié)位錯(cuò)及少量微孿晶。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用

制造滾動(dòng)軸承的套圈和滾動(dòng)體的最佳鋼種是高碳鉻軸承鋼，而GCr15鋼占滾動(dòng)軸承用量的90%以上[1]。軸承套圈加工過程為：棒料→鍛壓毛坯→正火→球化退火→車削加工→淬火、回火→粗磨(附加回火)→細(xì)磨[1]，其預(yù)備熱處理為正火和球化退火，正火的目的為消除和改善網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化和均勻化組織。GCr15鋼的正火、一般球化退火、快速球化退火[1]等工藝如圖10所示，球化退火工藝加熱保溫時(shí)間較長。

圖 10 GCr15鋼軸承套圈預(yù)先熱處理工藝

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原始組織主要是片狀珠光體的GCr15鋼，未經(jīng)球化退火預(yù)處理，直接淬火后的組織以細(xì)板條馬氏體為主加少量細(xì)針馬氏體，殘余奧氏體和少量未溶碳化物，回火后在保持較高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，還具有較高的斷裂韌性。試驗(yàn)結(jié)果表明用GCr15鋼制造軸承套圈，其加工過程可以簡化為：棒料→鍛壓毛坯→正火→車削加工→淬火、回火→粗磨(附加回火)→細(xì)磨。

3 結(jié)論

(1)片狀原始組織的GCr15鋼840℃淬火后的組織由大量板條馬氏體，少量細(xì)針馬氏體，未溶碳化物和殘余奧氏體組成，板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為位錯(cuò)，并有少量微孿晶條痕，低溫回火后的KIC值較高。

(2)當(dāng)GCr15鋼的原始組織中不存在網(wǎng)狀滲碳體組織時(shí)，其熱處理工藝中可取消通常的預(yù)先球化退火工藝，直接淬火，簡化生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本。

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[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)(第二卷)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2008：120-127.

[2]GB/T18254-2002，高碳鉻軸承鋼[S].2002.

[3]楊凌華，李冰倫.GCr15模具鋼熱處理工藝分析[J].模具制造,2001(2)：47-49.

[4]謝學(xué)智.高碳鉻軸承鋼馬氏體的形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),1983(1)：11-15.

[5]徐祖耀.馬氏體相變與馬氏體[M].北京：科學(xué)出版社，1980：121-122.

[6]貢海.板條馬氏體研究的新進(jìn)展[J].金屬熱處理,1982(3)：1-13.