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(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海 200135)

0 引 言

GCr15軸承鋼具有硬度高、組織均勻、耐磨性和接觸疲勞性能良好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于制作滾珠及軸承套圈等零件，是目前應(yīng)用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。在GCr15軸承鋼服役過程中，疲勞和磨損是其主要失效形式[1-2]，因此如何提高GCr15軸承鋼的耐磨性和抗疲勞性能一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。深冷處理是傳統(tǒng)熱處理的一種延伸，該工藝將材料置于-130 ℃以下的低溫環(huán)境中進(jìn)行冷處理，以改善材料的顯微組織，提高力學(xué)性能[3]。

研究表明，深冷處理可以通過相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化來顯著提高材料的硬度、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命等，且高效無污染，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景[4-8]。李輝等[9]研究了不同深冷時(shí)間對(duì)GCr15軸承鋼性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著深冷時(shí)間的延長，殘余奧氏體含量大幅下降，鋼的強(qiáng)度和耐磨性顯著提高。李士燕等[10]研究了深冷處理對(duì)GCr15軸承鋼組織穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)深冷處理可以減少淬火鋼中殘余奧氏體的含量，同時(shí)降低鋼中點(diǎn)缺陷的密度，從而提高其強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。但是，目前深冷處理工序?qū)Cr15軸承鋼組織和性能的影響尚不明確，因此作者在常規(guī)熱處理的不同階段增加了深冷處理工序并對(duì)GCr15軸承鋼進(jìn)行了處理，對(duì)比研究了不同處理工藝對(duì)GCr15軸承鋼組織和性能的影響，為優(yōu)化深冷處理工藝流程提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為球化退火后的GCr15軸承鋼棒，直徑為22 mm，化學(xué)成分如表1所示，硬度為226 HB，顯微組織如圖1所示。

表1 GCr15軸承鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of GCr15 bearingsteel (mass) %

圖1 退火態(tài)GCr15軸承鋼的顯微組織Fig.1 Microstructure of GCr15 bearing steel in annealing state

將GCr15軸承鋼棒沿直徑切開，制成高度相同、截面為半圓的試樣，分別對(duì)試樣進(jìn)行3種處理：(1)淬火+回火(Q+T)；(2)淬火+回火+深冷處理(Q+T+C)；(3)淬火+深冷處理+回火(Q+C+T)；(4)淬火+回火+深冷處理+回火(Q+T+C+T)。使用YFX12-160-Y型箱式電阻爐進(jìn)行淬火和回火處理，淬火溫度840 ℃，保溫30 min后油淬；回火溫度150 ℃，保溫2 h。深冷處理的工藝參數(shù)為液氮溫度-196 ℃，深冷時(shí)間36 h。

不同工藝處理后的試樣經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，在NIKON MA100型倒置光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。在X-350A型X射線應(yīng)力儀上測(cè)定殘余奧氏體含量，采用鉻靶，Kα射線，管電壓為20 kV，管電流為5 mA，馬氏體掃描范圍為169°～134°，奧氏體掃描范圍為142°～123°，測(cè)馬氏體(211)晶面和奧氏體(220)晶面的衍射峰。

將不同工藝處理后的試樣線切割成10 mm×10 mm×10 mm的塊狀試樣，經(jīng)砂磨機(jī)磨光后，采用69-1型洛氏硬度計(jì)測(cè)其硬度，載荷為490 N，加載時(shí)間為5 s，每個(gè)試樣測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。在MH-3型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，每個(gè)試樣上隨機(jī)測(cè)100個(gè)點(diǎn)，載荷為0.98 N，加載時(shí)間為5 s。

按照GB/T 12444—2006，在MM-200型環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為3 mm×7 mm×30 mm，對(duì)磨環(huán)采用M2鋼，其硬度為62.5～63.0 HRC，試驗(yàn)載荷為300 N，磨損時(shí)間為60 min。采用精度為0.000 1 g的E120AII型電子天平測(cè)摩擦磨損試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量，其質(zhì)量差為試樣的磨損量；對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗，使用HITACHI SU-1500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可以看出：不同工藝處理后試樣的顯微組織均由回火馬氏體(灰黑色)、殘余奧氏體以及碳化物(白色顆粒)組成，殘余奧氏體在顯微鏡下難以分辨；經(jīng)Q+C+T工藝處理后試樣中的碳化物較多且分布更加均勻。

由表2可知：增加深冷處理工序后鋼中殘余奧氏體的含量明顯降低，Q+C+T工藝處理后試樣中殘余奧氏體含量最低，這說明淬火后直接深冷處理使GCr15軸承鋼中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變量最多。這是由于GCr15軸承鋼的Mf點(diǎn)(馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)在-120 ℃，當(dāng)GCr15軸承鋼在-196 ℃的液氮中進(jìn)行深冷處理時(shí)，殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變成馬氏體，但深冷處理36 h后殘余奧氏體并未全部轉(zhuǎn)變成馬氏體。

表2 不同工藝處理后GCr15軸承鋼中殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)Tab.2 Volume fraction of retained austenite of GCr15bearing steel after treatment with different processes %

圖2 不同工藝處理后GCr15軸承鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of GCr15 bearing steel after treatment with different processes

2.2 硬 度

由表3可知:淬火后試樣的硬度為64.7 HRC,經(jīng)Q+T工藝處理后，硬度降低至63.0 HRC左右；經(jīng)Q+C 工藝處理后，硬度最大，為66.3 HRC，再進(jìn)行回火后，硬度有所降低,為64.3 HRC。這是因?yàn)轳R氏體是在較大冷卻速率下獲得的非平衡組織，在低溫回火時(shí)碳原子會(huì)發(fā)生偏聚并析出，馬氏體的固溶碳減少、正方度降低，因此回火后GCr15軸承鋼的硬度降低。經(jīng)深冷處理后硬度有所增大，這是由于馬氏體的硬度比奧氏體的高很多，深冷處理后鋼中一部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[11-12]，同時(shí)深冷處理會(huì)促進(jìn)碳化物的偏聚，使得在之后的回火過程中更容易析出細(xì)小且彌散分布的碳化物[13]，從而導(dǎo)致硬度升高。

表3 不同工藝處理后GCr15軸承鋼的洛氏硬度Tab.3 Rockwell hardness of GCr15 bearing steel treatedwith different processe HRC

由測(cè)試結(jié)果知，經(jīng)Q+T、Q+T+C、Q+C+T、Q+T+C+T工藝處理后，試樣的平均顯微硬度分別為794.0,800.4,822.6,795.4 HV0.1,可以看出增加深冷處理后試樣的平均顯微硬度都增大，其中Q+C+T工藝處理試樣的平均顯微硬度最大，為822.6 HV0.1，比Q+T工藝處理試樣的提高了28.6 HV0.1。這是由于在深冷處理的等溫過程中，時(shí)間效應(yīng)、應(yīng)力效應(yīng)以及形成低溫馬氏體所帶來的高位錯(cuò)密度使碳原子容易在位錯(cuò)等缺陷處聚集，為升溫回火過程中碳化物的形核提供了基礎(chǔ)，導(dǎo)致碳化物的形核率增加[6]。因此，在傳統(tǒng)的淬火+回火熱處理工藝中增加深冷處理后，鋼在相同回火溫度下形成了更多的碳化物，提高了鋼的硬度。

2.3 耐磨性

經(jīng)Q+T、Q+T+C、Q+C+T、Q+T+C+T工藝處理后，試樣的磨損量分別為18.47，18.20，17.33，18.30 mg，增加深冷處理工序后試樣的耐磨性均有不同程度的提高，Q+C+T工藝處理后試樣的耐磨性最好，其磨損量比Q+T工藝處理后的降低了6%。

由圖3可知：Q+T工藝處理試樣的磨損面出現(xiàn)了大塊的疲勞剝落，并存在疲勞裂紋，同時(shí)剝落處周圍分布著明顯的凹坑、塑性變形區(qū)和犁溝，磨損形式為疲勞磨損、磨粒磨損和黏著磨損；Q+T+C工藝處理試樣磨損面中的犁溝形貌比較明顯，并且可觀察到犁溝周圍散落的磨粒，磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損；Q+C+T工藝處理試樣磨損面中的犁溝比Q+T工藝處理和Q+C+T工藝處理試樣的細(xì)且淺，磨粒磨損有所改善，但仍伴隨著黏著磨損；Q+T+C+T工藝處理試樣磨損面中的犁溝也較細(xì)而淺，但黏著磨損嚴(yán)重。

圖3 不同工藝處理后GCr15軸承鋼的磨損形貌Fig.3 Wear morphology of GCr15 bearing steel treated with different processes

綜上所述，在常規(guī)熱處理工藝中增加深冷處理能夠改善GCr15軸承鋼的耐磨損性能，主要提高的是其抗疲勞磨損和磨粒磨損的能力。這是由于：一方面，深冷處理提高了GCr15軸承鋼的硬度，增強(qiáng)了基體抗磨粒磨損的能力；另一方面，深冷處理使更多的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體[11-12]，可細(xì)化馬氏體組織[13]，促進(jìn)細(xì)小碳化物的析出[14]以及改善殘余應(yīng)力[15]，從而有利于提高抗接觸疲勞能力。

3 結(jié) 論

(1) 在常規(guī)熱處理工藝中增加深冷處理后，GCr15軸承鋼中殘余奧氏體含量明顯降低，其中Q+C+T工藝處理試樣中的殘余奧氏體含量最低。

(2) 增加深冷處理工序后，試樣的平均顯微硬度都增大，其中Q+C+T工藝處理試樣的平均顯微硬度最大，為822.6 HV0.1，比Q+T工藝處理試樣的提高了28.6 HV0.1。

(3) 增加深冷處理工序后，GCr15軸承鋼的耐磨性均有不同程度的提高，Q+C+T工藝處理試樣的耐磨性最好，其磨損量比Q+T工藝處理試樣的降低了6%；深冷處理主要提高了GCr15軸承鋼的抗疲勞磨損和磨粒磨損的能力。

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