固溶淬火工艺对gcr15轴承钢组织性能的影响

固溶淬火工艺对gcr15轴承钢组织性能的影响

高碳铬轴承钢（gcr15）主要用于生产导向轴承成本。本文试验了新的双细化(奥氏体晶粒超细化和碳化物细化)工艺,通过对该钢高温固溶淬火热处理和相应的终处理,有效提高了GCr15钢的综合力学性能。1试验材料和过程1.1试验材料试验材料选用GCr15钢,其化学成分如表1所示。1.2退火介质试样热处理工艺如表2所示。在预处理中采用箱式炉加热,淬火介质使用100~120℃的N32机油;300℃等温淬火使用盐浴炉,盐的成分为55%NaNO3+45%NaNO2;终处理淬火介质使用40~60℃的N32机油。1.3解决了过饱和苦味酸水溶液直接热蚀法金相试样用硝酸酒精腐蚀;奥氏体晶粒度采用过饱和苦味酸水溶液直接热蚀法显示,晶粒度按标准YB27-77评定。碳化物粒度是在扫描电镜下进行测定,并用透射照片核定结果。1.4抗弯强度试验冲击试验采用10mm×10mm×55mm无缺口标准试样;抗弯强度试验采用ɸ10mm×110mm试样。以上每种工艺测试三个试样,结果为其平均值。1.5试验载荷及载荷磨损试验在SKODA-SAVIV型磨损试验机上进行,试验载荷为147N;转速为690r/min,总转数为3000r,试验中每个试样测试3个点,结果为其平均值。2试验结果及分析2.1组织分析试验中采用普通球化退火和两种碳化物细化预处理工艺。2.1.1磁体氧化工艺对于轴承钢,球化退火是其常用工艺,球化退火处理后的试样组织如图1和图2所示。测得的碳化物粒度为1.2μm。2.1.2高温回转加火剂制备索氏体组织2、3、4试样经过淬火预处理后得到的组织为针状马氏体+残余奥氏体,如图3所示。为了使碳化物均匀弥散析出,同时改善切削加工性能,采取高温回火,得到回火索氏体组织,如图4所示。从中可以看出,通过高温淬火+高温回火处理,获得较多的均匀、弥散分布的细小碳化物,由于采用热油淬火和高温回火,没有宏观裂纹产生。终处理后测得的碳化物粒度为0.35μm左右,如图5所示。2.1.3高温退火后等温退火再经过高温退火再处理的贝氏体的组织等温淬火后得到的是贝氏体组织,它是一种铁素体和渗碳体的机械混合物,试样在等温后得到下贝氏体组织和残余奥氏体,如图6所示,再经过回火后得到的组织如图7所示。从图中可以看出,经高温奥氏体化后等温淬火再经过高温回火处理,针状贝氏体较粗大,但碳化物均匀弥散分布。终处理后得到的碳化物粒度为0.35μm左右,如图8和图9所示。2.2碳化物对晶粒运动、晶粒直径的影响晶粒度测试结果表明,在终处理工艺相同时,经过两次细化的试样比球化退火试样碳化物明显细化;当预处理工艺相同,终处理工艺不同时,终处理保温时间短,则晶粒比较细,而球化退火的晶粒是最粗大的,如图10~图13所示。GCr15淬火加热时保留较多的未溶碳化物,这些碳化物阻碍晶界的移动、限制奥氏体晶粒的大。奥氏体晶粒平均极限半径R与第二相粒子的半径r及第二相体积分数f之间关系可表示为:R=4r/(3f),从式中可以看到,当f一定,碳化物粒子半径减小时,奥氏体晶粒平均极限半径也减小。因此在预处理时充分细化了碳化物,并使其均匀、弥散分布,在终处理淬火时间较短时,能够保证奥氏体晶粒不长大。对于常规淬火,r较大,长时间保温时奥氏体晶粒长大,所以晶粒比较粗大,而有预处理的工艺,淬火前充分预热,缩短了淬火加热时间,减少晶粒长大机会,使得晶粒细化。2.3出用预热热处理工艺过程性能测试结果见表3。测试结果表明,在终处理工艺相同,预处理工艺不同时,高温固溶处理的试样耐磨性高于球化退火的试样。由于细化了碳化物,提高了基体的强韧性,增强了抵抗塑性变形和裂纹形成、扩展的能力,使耐磨性得到提高。当预处理工艺相同,终处理工艺不同时,经过预热淬火的试样耐磨性高,常规淬火处理的试样耐磨性最低。细化的奥氏体晶粒会使基体中晶界增多,阻碍显微裂纹的形成和扩展,同时基体强韧性提高,从而使耐磨性得到改善。由于预热淬火处理较充分地细化了奥氏体晶粒,又提高了材料的硬度,故预热工艺耐磨性好;而零保温工艺试样的基体硬度低于预热工艺的试样,耐磨性相对提高不大。3预处理和终处理工艺对冲击韧性和弯曲强度的影响(1)在1050℃下保温30min油淬+300℃等温3h后空冷+720℃回火2h和经过1050℃保温30min油淬+720℃回火2h两种预处理工艺,都能使碳化物细化,达到0.35μm左右;在上述两工艺基础上,通过预热和零保温两种工艺,都会使材料硬度、韧性、强度和耐磨性得到提高。(2)试验中最佳工艺为:1050℃×30min油淬+720℃×2h回火,再进行650℃×1h预热+840℃×1min油淬+180℃×2h回火,硬度达到63HRC以上,较普通处理工艺,弯曲强度提高了29.7%,冲击韧性提高了100%,耐磨性提高了35%。试验表明,经过双细化处理的试样冲击韧性和弯曲强度均高于球化退火的试样,在预处理工艺相同而终处理工艺不同时,零保温工艺的试样最高,常规处理的试样最低;终处理工艺相同,预处理工艺不同时,影响冲击韧性和弯曲强度的主要因素是碳化物,粗大、不均匀的碳化物会使基体中碳浓度产生起伏,在高碳脆化区与低碳弱化区的交界处由于两处的塑变能力不同,产生应力集中,从而引起显微裂纹产生,造成冲击韧性和强度的降低。当碳化物细化后,减弱了显微裂纹产生的可能性,同时还能抑制显微裂纹的扩展,使强度和冲击韧性提高。经过分析在预处理工艺相同,终处理工艺不同时,碳化物对韧性和强度的影响基本