（机械工程专业论文）gcr18mo钢贝氏体热处理技术研究.pdf

摘要 本文对g c r l 8 m o 钢新材料的贝氏体等温淬火热处理工艺进行了研究，并优 化了最佳热处理工艺：8 7 0 一2 3 0 5 h 。 对g c r l 8 m o 钢等温降火后日组织的冲击韧性、断裂韧性、静弯性能接触疲 劳性能、耐磨性进行了研究，与c e r l 5 钢相比，冲击韧性提高一倍以上，断裂 韧性提高1 5 以上，抗拉强度提高了2 0 9 6 以上，接触疲劳寿命l 相当，中值寿 命k 及特征寿命远高于g c r l 5 钢，耐磨断目近。 还对g c r l 8 m o 钢等温淬火生产应用技术进行了研究，设计了s i l k y 型等温淬 火槽，对g c r l s m o 钢制轴承套圈热处埋前后的胀大规律、表面应力状态、尺寸 稳定| 生j 搠亍了分析，热处理后尺寸胀大0 3 ，表面应力为压应力，大= j = - 6 0 0 m p a ， r j - j 稳定l 生超过美军标m i l - b - 7 9 4 9 e 要求的1 1 0 一m m n i l 。 关键词：贝氏体、等温淬火、冲击韧性、断裂韧| 生、压应力。 s t u d yo nh e a t t r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fg c r l 8 m os t e e l a b s t r a c t t h is p a p e r d e a l sw i t ht h e a u s t e m p e r i n g o fn e w m a t e r i a l 一g c r l 5 s t e e l t h e p a r a m e t e r s o f a u s t e m p e r i n g w a s o p t i m i z e d a n d o p t i m u mp r o c e s s i s 8 7 0 一2 3 0 5 h t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h es t e e la f t e r a u s t e m p e r i n g w e r e s t u d i e d c o m p a r i n g w i t hg c r l 5s t e e la f t e rc o m m o nh e a t t r e a t m e n t ， t h e a d v a n t a g e s o ft h es t e e la f t e r a u s t e m p e r i n g a r et h a t ： s h o c k i n gt o u g h n e s s ，m o r e t h a no n e t i m e ，f r a c t u r et o u g h n e s s h i g h e rt h a n1 5 t e n s i l es t r e n g t hh i g h e r2 0 a n ds i m i l a rc o n t a c t f a t i g u e l i f e t h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o no fa u s t e m p e r i n gw a sa ls os t u d i e d f o rt h en e ws t e e l s r x yt y p ea u s t e m p e r i n gf u r n a c ew a sd e s i g n e d t h ee x p a n s i o nd i s t o r t i o nb e f o r ea n da f t e ra u s t e m p e r i n g ，s u r f a c e s t r e s sa n ds i z es t a b i l i t ya f t e ra u s t e m p e r i n gw a sa n a l y z e d a f t e r a u s t e m p e r i n g ，t h e s i z e e x p a n d e d a b o u t 0 3 ， s u r f a c e s t r e s sw a sc o m p r e s s i v e ，m o r et h a n 一6 0 0 m p a ，a n dt h es t a b i l i t y w a ss u p e r i o rt ot h er e q u i r e m e n ti na m e r i c am i1i t a r ys t a n d a r d m i i - b - 7 9 4 9 e k e y w o r d s ：b a i n i t e ：a u s t e m p e r jn g ：s h o c k t o u g h n e s s ：f r a c t u r e t o u g h n e s s ：s u r f a c e s t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金肥工业太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：，7 之琢- k 是签字日期：伽。) 年7 月陟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保冒、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金肥工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名，7 圭谨k k 签字e t 枷帝7 月l 厂日 导师签名 签字日庐车，月功日签字日期：年7 月圳日 学位论文作者毕业后去向：采下，a 京由习翻研 工作单位 通讯地址 电话： 邮编： 致谢 研究生学习阶段就要结束了，在学期间，我学到了很多新的知识， 也领晤了不少做人的道理。这首先要归功于我的导师张崇高、段天慧教授。 为了让我能够顺利地完成学业，张老师和段老9 币1 赃了大量心血，老师渊 博的知识、严谨的治学学风，是我今后学习的楷模，在此特向恩师致以深 深的敬意和诚挚的感谢! 在课题研究中，洛阳轴研科技股份有限公司金属材料部雷建中部长、 教授对我很关心，给了我很大的帮助，在这里向他表示衷心的感谢】还有 刘耀中、仇亚军等同志对我的工作给予很大的支持和帮助，在此一并表示 感谢f 我还要感谢我的家人，在我学习期间，他们付出了很多，没有他们的 支持，我是不可能顺利完成学业的。 最后，我谨在此向在论文答辩中给予我帮助的老师和领导表示深深的 谢意! g c r l 8 m o 钢热处理技术研究 第一篇综述 钢中的贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解后所得的产物，一般是由 铁索体和碳化物组成的非层片状组织。钢中的贝氏体转变首先由b a i n 等人于 1 9 3 0 年作了研究和阐述，因此这种转变后来被命名为贝氏体转变。这种转变 是钢经奥氏体化以后过冷到中温区域所发生的，故又称为中温转变，以区别过 冷到高温区域时所发生的高温转变( 主要指珠光体转变) 以及过冷到低温区域 时所发生的低温转变( 即马氏体转变) 这种转变的动力学以及所获得的组织 兼有扩散型的珠光体转变和无扩散型的马氏体转变中所观察到的某些动力学和 组织特征，所以贝氏体转变又称为中间阶段转变，或简称为中间转变。 贝氏体转变是将钢加热获得奥氏体，再冷却到中温区域( 该区域在艮点以 下，氐点是贝氏体形成的上限温度，对大多数钢而言，b 。约为5 5 0 。c 左右) 时 发生的，冷却一般采用等温保持。 贝氏体按其组织形态( 或转变机理) 来分，大致可以分为以下六种：上贝 氏体、下贝氏体、无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、柱状贝氏体、反常贝氏体。 在这六种贝氏体中，以上贝氏体和下贝氏体最为常见 1 8 。 贝氏体具有优良的综合机械性能，强度和韧性都较高。下贝氏体和上贝氏 体相比，不但强度高，更主要是韧性好，这是因为上贝氏体中的碳化物主要分 布于铁素体板条之间，而下贝氏体中的碳化物呈细片状或颗粒状排列成行， 约以5 5 0 6 0 0 的角度与下贝氏体针的长轴相交，并且仅分布在铁素体针的内部 由于上贝氏体的铁索体和碳化物分布都有明显的方向性，并且铁素体和碳化物 的尺寸均较大，所以这种状态对裂纹扩展的抗力甚小，铁素体板条甚至可能成 为裂纹扩展的通路，所以一般不希望获得上贝氏体而希望获得下贝氏体。本文 主要研究g c r l 8 m o 下贝氏体的组织、性能及应用。 高碳铬轴承钢的发展有两个方面，一方面是降低铬含量，降低其淬透性， 其淬透性介于g c r l5 钢与碳钢之间，施以中频感应透热，因其淬透性有限而 整体淬火只能表面硬化，既有渗碳钢渗碳淬火的优越性能，又节约了合金渗碳 钢中的大量合金元素，从而降低钢材成本和渗碳热处理成本，所以这种钢被称 为“限制淬透性轴承钢”。如前苏联成功地开发了mx4 限制淬透性钢，并应 用于铁路轴承，取得了良好的经济效益和社会效益。另一方面以g c r l5 轴承 钢为基础，增加合金元素如铬、钼、硅、锰等，提高其淬透性，以适应大壁厚 轴承零件的需要，从而发展出一系列高淬透性高碳铬轴承钢，如瑞典的s k f 2 4 、 s k f 2 5 、s k f 2 6 、s k f 2 7 ，美国的5 2 l o o 3 和5 2 1 0 0 4 ，德国的1 0 0 c r m 0 7 、 1 0 0 c r m o 、1 0 0 c r m 0 8 ，同本的s u j 4 ，s u j 一5 ，我国的g c r l 5 s i m n 、g c r l8 m o 、 g c r l5 s i m o 等。这些铜种不仅适用于马氏体淬火，有些也适用于大壁浮轴承 零 孛豹擞氏体笛滠淬火。 自1 9 5 4 年开始，国外对g c r i 5 钢进行了大量贝氏体等温淬火磷究，在大 批量生产的g c r l5 钢制作的滚动轴承中，应用贝氏体中温转变处理方法，试 验涯明枣肖成效。为了保证达到要求数最低磺艘5 8 h r c ，必须在2 4 0 澧度 下遥 亍等湿，由于马氏体静转变开始点稍低予这个溢度，所以，转变热浴的湿 度不褥低于2 t 0 。贝氏传转变至无残髯奥氐体需蘩镰溢4 小时发表。这种钢 制造豹牵蠡f 承套鬻横截面蓐瘦超过l s 毫米对，部分已滋行了珠光俗转交，困蓝， 对于有效壁厚超过15 毫米的轴承套圈需要聚用高合露钢，如1 0 0 c r m 0 7 。经 过淬火和15 0 圆火的套圈表藤具有5 0 0 牛顿薅米2 的拉应力，蔼经过贝氏体 等潺淬火的零件袭蟊，尉鬟蠢大约相等馥匿疯力。因惩炎秃 摹等潺淬火将别适 用于紧配台的廖壁套霞，对承受搿冲击负荷豹轴承蒙说，通过等漱淬火达到适 宣韵瞧，以适应予辍承的工馋蘩i l ：。如丸丸三年洛阳辍蟊薹j 1 = 究所x 季送强的s k f 准高遮铁路客车园柱滚子轴承1 5 2 7 2 6 进行了全面分析，分析结聚表明：轴承 内外圈和挡圈用钢均为1 0 0 c r m 0 7 ( 相当予我国的g c r l 8 m o ) ，滚子用钢为 1 0 0 e r 6 相当予g c r l 5 ) ，燕表l t 。 见袭l l1 5 2 7 2 6 辍承套圈、挡辫及滚予豹豫学成分殿牌号 化学成分，d 州1 7 2 3 0 群国内牌号 e&m nq n i猕sp牌号 ，旧l 0 3 l0 剪 醛0 1 蜉0 腼0 , 1 80 哟鲫j ll 0 0 0 m 0 7o 。1 8 m 。 雨露 1 8 0 2 71 8 5o 舛黝】5e 70 脚4a 汹! q m 薛g o 】8 m o 挡圈o 。9 6 0 3 40 3 71 刀o 1 9 40 1 70 1 70 | 0 1 90 0 1 21 0 0 0 m 订g 0 1 8 m o 滚子l 妫0 猫0 茧 譬 辩嬲a 裙聪0 麟0 , 0 1 3i 溉g o 5 献分辨给繁霹觅，内鬻、挡豳及滚子的戴台鬣均缀低( 8 9 p p m ) ，羚鋈 的氧含燃稍高( 1 2 p p m ) ，氮含量比般铁路客车轴承零件偏低( 6 3 8 6 p p m ) 。 套酉、挡霞及滚予的脆性夹杂鞠( 氧化物、氮化物) 、点状不变形兴杂物数量 援少，尺寸缀小，镶难找爨，虽多分布予塑像兴絷黪之中。蓦侮嚣言，s k f 准高速铁路客率轴承用锶纯净度较黼，尤其对性能危鬻较大的脆檄兴杂物少丽 小。 热处理质黧分析结果见寝l 一2 。 2 表1 215 2 7 2 6 轴承热处理质量 距表面3 r a m硬度残余应力 基体含碳量残余奥氏体 试样心部屈氏体基体组织晶粒度 内屈氏体 h r cm p a 外固无 7 级全下贝氏体 5 9 77 8 级0 3 92 2 内圈无 7 级全下贝氏体 5 9 9 8 9 级 9 7 10 3 4 2 2 挡圈无 7 缀全下贝氏体 5 8 7 8 9 级 1 1 9 7o 3 4 2 1 滚子 3 h ) ，奥氏体已基本转变成下 贝氏体时己无法分清单个的下贝氏体针。如等温时间继续延长，则白色的不规 则下贝氏体也发生回火，整个组织模糊不清。( 见图4 1 、图4 2 ) 。 在相同加热条件及相同等温时间下，随着等温温度升高，下贝氏体针逐渐 山不规则相交的杂乱形态向数个下贝氏体条平行排列的束状形态过渡，而下贝 氏体中碳化物尺寸变大，弥散度下降，即整个贝氏体形态向上贝氏体( b u ) 过渡。 且在相同等温时间下，随着等温温度的升高，等温后b 增加( 见图4 - 3 、4 - 4 及4 - i d 、4 - 2 d ) 。这可能是等温温度提高，碳在y 和a 相中扩散速度加怏，使 下贝氏体基元能充分长大 2 1 ，并促进相临区域奥氏体中下贝氏体成核长大， 导致碳化物弥散度下降，且下贝氏体呈束状排列。同时缩短了下贝氏体成核孕 育期，使下贝氏体易于形成。 在相同等温温度及时间下，随着奥氏体化温度升高，奥氏体品粒长大，基 体含碳量升高，奥氏体转变推迟。等温后，下贝氏体针粗大，b t 减少，娥余 奥氏体增多，下贝氏体中碳化物数量增多，且由粒状向杆状变化。在较低的奥 氏体化温度下加热后等温时，形成的下贝氏体针细小，且因其形成速度快，在 随后的等温过程中转变的下贝氏体发生回火，使组织更为模糊( 见图4 - 5a 、d 、 4 - 6 、4 - 7 及图4 1 d 、图4 2 d ) 。 经8 7 0 奥氏体化后油淬+ 2 0 0 回火的全马氏体组织及等温后的b 。m 复 合组织中的马氏体组织均为隐晶+ 细小针状马氏体。亚结构主要为位错缠结， 局部区域有孪晶( 见图2 - 8 a b ) 。 g c r l 5 钢马氏体淬火及等温淬火后的组织分别与g c r l 8 m o 钢相似( 见图4 8 c d ) a ，0 5 h c 3 h b 1 h d 4 h 图4 一l等温时间对组织形态的影响( g c r l 8 m o ) ( 8 7 0 c 一2 3 0 等温) 0 m5 0 0 a o 5 h c 3 h 7 b 1 h d4 h 图4 - 2等温时间对亚结构的影响( g c r l 8 m o ) ( 8 7 0 c 一2 3 0 y ：等渝) t e m2 5 0 0 0 a 2 0 0 c 2 5 0 b 2 2 0 d 2 7 0 剀4 - 3等渝温度对组织形态的影响( g c r l 8 m o ) ( 8 7 0 。c 一等温4 h ) o m5 0 d i8 a 2 0 0 c 2 5 0 b2 2 0 d 2 7 0 c 图4 - 4等温温度对l 雕击构的影响( g c r l 8 m o ) a8 4 0 ( 8 7 0 c 一等温4 h ) t e m2 5 0 0 0 x 9 b 8 6 0 c 8 8 0 d 9 0 0 倒4 5奥氏体化温度对组织形态的影响( g c r l 8 m o ) ( 2 3 0 一等温4 h )o m5 0 0 x 圈4 - 69 0 0 c 奥氏体化+ 2 3 0 cx4 h 等温后皿结构 a 8 4 0 ( g c r l 8 m o ) t e m 2 5 0 0 0 x b 8 6 0 c 8 7 0 d8 8 0 e9 0 0 图4 7 舆氏体化温度对品粒度的影响( g c r l s m o ) a o m5 0 0 4 0 0 g c r l 8 m o 2 b t e m2 5 0 0 0 c o m5 0 0 xd t e m2 5 0 0 0 6 c r l 5 图4 8 淬回火马氏体组织形态与亚结构 ( 8 7 0 一淬油+ 2 0 0 c 回火) 2 2 热处理工艺对g c r l 8 m o 钢冲击韧性的影响 不同工艺处理后的试验结果见表4 2 、4 3 及图4 9 、4 1 0 、4 一l l 。 表4 2g c r l 8 m o 钢热处理： 艺对冲击功的影响 序试样 热处理工艺 冲击功a k平均m硬度 号编号( 焦耳)( 焦耳)( 1 t r c ) 138 4 0 c 一2 3 0 4 h 等漏1 2 5 1 3 59 5 1 1 8 36 06 22 l 8 8 0 一2 3 0 4 h 等温 1 3 6 2i 8 21 2 3 9j 4 7 76 i 3 348 7 0 一2 3 0 x4 h 等温1 4 71 0 11 7 71 8 1 76 1 2 4 1 1 8 7 0 一2 3 0 x 4 h 等温 1 7 5 41 3 21 4 11 4 9 56 1 1 51 08 0 0 4 2 3 0 x 4 h 等温 2 4 22 1 02 0 0 2 1 7 35 9 9 61 58 7 0 一2 0 0 x 4 h 等温1 4 7 1 2 0 81 3 2 1 1 3 3 36 1 6 7 2 0 8 7 0 c 一2 5 0 4 h 等温 1 8 81 7 71 9 5 81 8 6 96 0 81 28 7 0 c 一2 7 0 x 4 h 等温 1 6 02 3 02 2 2 4 2 0 0 ，8 5 7 6 g58 7 0 - - 2 3 0 x 0 5 h 等温3 0 3 11 7 2 06 6 2 8 7 0 4 2 3 0 x 0 5 h 等温一 1 00 5 8 48 79 99 06 2 3 2 0 0 。c 4 h 回火 1 118 7 0 一2 3 0 l h 等温 9 17 28 47 5 76 3 2 8 7 0 一2 3 0 l h 等温 1 2 0 11 2 21 0 01 0 31 1 06 29 - - 2 0 0 4 h 回火 1 328 7 0 ( 2 2 3 0 x3 h 等温 】1 01 8 81 5 8 1 5 26 1 6 8 7 0 4 2 3 0 x 3 h 锦温 1 43 81 9 21 4 41 4 91 6 1 56 1 5 - - 2 0 0 x 4 h 回火 8 7 0 一淬油冷 1 51 38 4 1 0 31 0 2 9 66 0 2 一2 0 0 4 h 回火 8 4 0 c 一淬油冷 1 6l o7 9 7 88 8 8 1 56 2 5 _ + 2 0 0 4 h 同火 178 8 7 0 - - 2 3 0 5 h 等温 1 4 7 1 8 91 9 3 1 7 6 36 1 7 2 2 表4 - 3g c r l 5 钢热处理 i 艺对冲击功的影响 序试样 热处理： 艺冲击功a kj ) 平均m硬度 号 编号( j ) ( i e ) 1 4 2 8 6 0 一2 3 0 4 h 等温 1 3 71 3 2 11 5 31 4 0 76 0 5 23 38 7 0 一2 3 0 x4 h 等温 1 5 0l3 01 1 41 3 136 1 1 34 58 8 0 c 一2 3 0 4 h 等温 1 4 11 6 41 8 0 21 8 1 76 1 0 44 09 0 0 一2 3 0 4 h 等温 2 0 21 8 01 8 41 8 8 76 11 53 28 7 0 一2 2 0 4 h 等温 1 4 81 0 11 8 81 2 96 0 2 65 l8 7 0 c - 2 5 0 4 h 等温 1 7 81 5 21 8 1 81 5 2 95 8 4 75 58 7 0 c 一淬油冷一2 0 0 x4 h 回火 8 28 0 27 96 l4 2 2 1 热处理工艺对g c r l 8 m o 钢冲击韧性的影响 a 奥氏体化温度( t ) 对a k 的影响： 一- 1 - 4 j 。 i 珊 1 8 ( 1 | 烈7 0 i 4 ( 】l 圳 b 一，r1 0 h 。 【j 0r 1 、 ：1 0r l 可巧可或厂百! r 百亨百醋矿百向甫。 奥氏体化温度 图4 9贝氏体等温淬火的奥氏体化温度对a k 的影响 ( 2 3 0 4 h 等温) 由图4 一g 可知，在2 3 0 c 4 h 等温的条件下，随着奥氏体化温度( t ) 升高，a k 升高，但在t 8 7 0 后，a k 在8 8 0 c 群i 有降低，而后随t 升高，a k 再次升高。 奥氏体化温度对a k 的影响机理尚需迸一步研究，可能主要与以下因素有 关： 1 ) 晶粒粗细：奥氏体化温度越低，晶粒越细。强韧性越高。 2 ) 基体中碳及合金元素的固溶含量，奥氏体化温度越高，淬火后的基体中