【《轴承钢GCr15的热处理工艺分析概述》2700字】

第页轴承钢GCr15的热处理工艺分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u10150轴承钢GCr15的热处理工艺分析概述 1192491.1球化退火工艺 110051.2淬回火工艺 3同所有钢种的热处理步骤一样，GCr15合金需要先进行预处理，再进行终处理。预处理采用球化退火，目的是使呈热轧态的GCr15合金中的片层状渗碳体和网状渗碳体逐渐球化，形成球状渗碳体。细小的球状渗碳体颗粒组织镶嵌在铁素体基体中，这种机械混合物被称作球状珠光体。经过球化退火处理，硬度被有效地降低，切削加工性能得以改善，同时为后续的淬回火处理打下组织基础[19]。最终热处理是淬火和回火，淬火和回火是热处理阶段中技术最关键、调控最规范、应用最普遍的工艺。钢材的很多理化性质和机械、力学性能都是通过淬回火后赋予与强化的。淬火时，GCr15合金被加热到临界温度Accm以上获得奥氏体组织，再通过高于临界淬火冷却速率的冷速快速冷却，形成马氏体或下贝氏体+少许残存奥氏体和其它未溶相的复合组织[20]。淬火后，GCr15合金的硬度、强度、耐磨性等使用性能显著提升；然而淬火态的钢中存在较大的内应力，塑性低、韧性低、脆性大。于是，为获得优异的综合机械力学属性，淬火后必须与适宜的回火相配合。回火的目的在于释放淬火内应力，以降低脆性、避免变形开裂、保证钢件的尺寸；同时使硬度、塑性和韧性均衡结合，达到工件所需要的应用性能。1.1球化退火工艺轴承GCr15合金的球化退火工艺主要有以下几种：(1)常规连续球化退火将GCr15合金加热到稍高于Ac1的奥氏体化温度(780~810℃)，保温足够时间，一般为3~6h，然后随炉以缓慢的冷却速率(0.25~0.42℃/min)冷却到650℃，最后取出空冷。该工艺球化相对较为完全，效果理想，但此工艺退火时间较长，热处理用时超过20小时[21],能耗较多，生产效率不高。工艺曲线如图1-1所示：温度温度/℃780~810℃3~6h0.25~0.42℃/min炉冷650℃空冷时间/h图1-1常规连续球化退火工艺曲线(2)等温球化退火为了提高生产效率、减少能耗、缩短工艺时间，一般采用等温球化退火。将GCr15合金升温到适宜的范围，即稍高于Ac1的温度(780~810℃)，保温足够时间(3~6h)，再快速冷却到略低于Ar1的温度区间内(680~720℃)做等温处理(等温时间≥4h)，此阶段奥氏体逐渐转变为铁素体和球粒状渗碳体。最后以一定的冷却速率在炉中冷却到650℃，取出空冷。同连续球化退火工艺相对比，等温球化退火工艺耗时已经大幅缩短，但是仍需12~18h[21]。该工艺曲线如图1-2所示：温度温度/℃时间/h780~810℃3~6h680~720℃炉冷650℃空冷≥4h图1-2等温球化退火工艺曲线(3)快速球化退火陈其伟等人通过研究，提出了一种建立在离异共析原理(DET)上的快速球化退火工艺[22]。离异共析的含义是将过共析钢加热到实际共析线Ac1与碳在奥氏体中的实际溶解度曲线Accm间某一温度时，碳化物并没有全部溶解，未溶解部分以小颗粒的形态点缀在奥氏体基体上；当温度下降到稍低于Ac1以下某一适当温度行短时保温时，这些未溶碳化物颗粒将在碳原子移动聚集阶段，作为依附核心，随碳的析出逐渐长大，进而实现球化过程。DET的关键因素在于当奥氏体组织中碳浓度最紊乱时，碳原子非均匀地向未溶碳化物扩散分配，使其粗化并形成球状颗粒；铁素体亦是通过碳原子的移动，逐渐向奥氏体基体延申，形成等轴状晶粒。通过控制相变过程中的热力学与动力学，找到合适的奥氏体化条件、等温温度、等温时间、双相区冷却速度，即可让奥氏体向珠光体转变的机制发生变化，将由片层状珠光体反应改为离异共析占据主导的球状珠光体反应。其两个必要条件是奥氏体组织有许多的未溶残留碳化物和足够缓慢的冷却速度[23]。潘恒沛[24]通过实验分析验证，确定了该工艺是可行的。将GCr15轴承钢加热到不太高的奥氏体化温度790~830℃保温10min,以确保有充足的残留碳化物颗粒作为非均匀形核的依附中心，然后用不小于炉冷的冷却速度冷却到720℃进行1h等温处理，最后以约0.33℃/min的冷却速率冷至650℃后，出炉空冷[24]。此工艺是由奥氏体直接转变为球粒状珠光体，属于非自发形核过程，直接在未充分溶解的碳化物表面聚集沉淀并析出[24]。因此，该工艺大幅度减少了球化退火用时，节省了能源。工艺曲线如1-3所示：温度温度/℃790~830℃10min≥炉冷冷速720℃60min0.33℃/min650℃空冷时间/min图1-3快速球化退火工艺曲线除了上述球化退火工艺，还有高温固溶淬火+高温回火球化、形变球化退火、周期球化退火等工艺。1.2淬回火工艺淬回火作为最终热处理的手段，可以最大程度地体现金属材料的各种理化属性，决定了GCr15轴承钢的综合使用性能和应用价值。依照轴承钢在不同工作环境中所需的性能要求，可采用不同的淬回火工艺。主要的淬回火工艺有常规马氏体淬回火、下贝氏体等温淬火。(1)常规马氏体淬回火常规马氏体淬回火即奥氏体化后淬火+低温回火。将预先球化退火处理过的GCr15轴承钢加热到820~860℃保温0.5h，取出后即刻丢入淬火液进行淬火，液冷速率V3不小于临界冷却速率Vc，轴承合金会迅速冷却至马氏体转变初始温度Ms以下，待冷至室温，得到淬火马氏体；再加热到180~240℃做低温回火处理，保温2~6h，从炉中取出空冷。工艺曲线如图1-4所示：温度温度/℃820~860℃Ms0.5h180~240℃V3≥Vc2~6h空冷时间/h图1-4常规马氏体淬回火工艺曲线为了获得在某些工作条件下所需求的材料性能，可对回火温度做出调整。例如，由覃羡烘实验发现，在油淬+高温(440~680℃)回火条件下，GCr15的伸长率、断面收缩率、冲击功均随回火温度的升高而逐渐升高，但硬度、抗拉强度却是逐渐降低的[25]。可见，在一定温度范围内进行高温回火时，硬度、强度与回火温度具有负相关关系，而韧性、塑性与回火温度具有正相关关系。在进行830℃×30min油淬+520℃×2h回火处理后，GCr15合金获得了良好的综合性能，甚至达到了与经过渗碳处理的G20Cr2Ni4A合金相近的性能标准。(2)下贝氏体等温淬火在过冷奥氏体的TTT曲线(即等温转变动力学曲线)图中，曲线拐点或“鼻尖”温度tm~Ms之间是贝氏体转变(中温转变)的温度区间，它是过冷奥氏体介于马氏体转变(低温转变)和珠光体转变(高温转变)之间的一种转变方式。其中，过冷温度为350℃~Ms时形成下贝氏体，其是渗碳体与铁素体构成的复合相组织，兼具优越的变形塑性和冲击韧性；同时，因固溶强化、细晶强化(贝氏体铁素体晶粒尺寸细小)、弥散强化和亚结构强化的存在，因此其还有较高的硬度、屈服强度以及耐磨性[26]。同马氏体淬回火轴承钢的表面拉应力、内部压应力相比，下贝氏体钢的表面为残余压应力、内部为拉应力，有利于减小变形和开裂倾向，保持工件尺寸的稳定，有优异的抗疲劳性[27]。总之下贝氏体可较全面的体现出轴承钢优良特性，故下贝氏体等温淬火工艺对于使用要求严格的轴承合金来说，应用越来越广泛。具体的工艺流程如下：将预先球化退火处理的GCr15轴承钢加热到830~880℃保温30min奥氏体化，然后快速冷却至马氏体转变初始温度Ms以上某一温度区间(240~280℃)，在硝盐浴中等温足够长时间后出炉空冷,并且可以不进行回火处理。工艺曲线为图1-5所示：温度温度/℃时间/h830~8