GCr15钢制大型轴承钢球碱水淬火软点的成因分析

王 珂，韩万顺，陈国志

（洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039）

在LYC风电轴承产品中，采用GCr15钢制大型钢球的轴承占有很大比例。由于此类钢球采用淬透性不如GCr15SiMn好的GCr15钢制造，且直径尺寸较大（Φ40 mm以上），无疑使其淬硬深度受到严重影响，软点成了比较常见的问题。在实际使用过程中，钢球报废的主要形式是表面磨损，软点直接影响了其使用寿命。为进一步提高此类风电轴承产品质量和可靠性，下文着重分析了GCr15钢制大型钢球在不同浓度的碱水中淬火产生软点的原因，以期对改善钢球的表面质量有所帮助。

1 试验验证

1.1 设备及工艺流程

目前GCr15钢制大型钢球是在Б-70鼓形电炉生产线上进行热处理，所用淬火介质为碳酸钠水溶液。Б-70生产线淬回火工艺流程为：上料→淬火→冷却→回火。

1.2 试验方法与检验结果

在淬火温度、加热时间及碱水温度相同的条件下，仅改变碱水浓度，对40 mm＜Φ＜50 mm某一型号的GCr15钢制大型钢球进行试验，分析碱水浓度对钢球淬火组织、软点的影响。具体方法是将热处理淬火件按检验规程进行取样（40粒），经酸洗明化，将外观呈现黑云状的（即软点区）钢球试样挑出进行金相化验（2粒）。某同一型号钢球在Б-70生产线上热处理后依据JB／T 1255—2001进行评定，结果见表1。

由表1可知：钢球在Б-70生产线上淬火时，碱水浓度越接近15%及10%，则越易出现软点。为进一步确定软点与碱水浓度范围的关系，选取某同一型号钢球在10%以下、15%以上2个浓度段的碱水中，在Б-70生产线上进行淬火。热处理后试验结果见表2。

表1 碱水浓度与软点情况

由表2可知，GCr15钢制大型钢球在Б-70生产线淬火时，碱水浓度在10%以下和15%以上的2个浓度段均会出现软点。

表2 碱水浓度（10%以下，15%以上）与软点情况

2 结果分析

2.1 软点的成因

通过对软点金相试样的分析，发现软点处的组织为屈氏体。由此可以认为，碱水淬火钢球金相组织中软点产生的原因是出现了屈氏体。

由钢的过冷奥氏体等温转变曲线可知，鼻尖部分为过冷奥氏体不稳定区，为了获得马氏体组织，需在奥氏体不稳定区即曲线的鼻尖部（一般为500～600℃）快冷［1］（图1理想淬火速度曲线）。上述试样软点的成因，是淬火时钢球表面局部的冷却曲线经过了C曲线的鼻尖部分，致使冷却速度小于临界冷却速度所致（图1），而此时最易发生分解，转变为屈氏体组织。

图1 工件冷却曲线示意图

2.2 碱水浓度对钢球软点的影响

2.2.1 淬火时的冷却机理

当炽热工件进入淬火介质中后，迅速使其周围的淬火液发生物态变化，释放的大量热量使其周围的液体迅速汽化，并形成一层蒸汽膜包围工件。由于膜的导热性能差，故被其包围隔绝的工件冷速非常缓慢。初期随着汽化的继续，膜的厚度不断增加，此阶段为成膜期（图2中AB段）。之后膜的厚度将逐渐减薄导致破裂，蒸汽膜破裂的极限温度称为“特性温度”。当蒸汽膜破裂后，工件就与介质直接接触，淬火液不断吸收工件表面的热量而汽化沸腾，并将工件表面热量带走，工件在这一阶段被急剧冷却。此阶段直到工件冷却至介质的沸点为止，称为汽泡沸腾冷却期（图2中BC段）。当工件表面温度降到淬火介质沸点以下，工件的冷却主要靠介质传导与对流，工件冷速又减慢，此阶段为对流传热阶段［2］（图2中C点以后部分）。不难理解，由于碱水的沸点大大低于马氏体转变温度Ms，所以重要的是讨论蒸汽膜破裂的温度和时间即图2中B点的位置。膜破裂越晚，特性温度点B就越右移，冷却曲线穿过C曲线的可能性越大，就越容易产生软点。

图2 工件冷却机理示意图

2.2.2 碱水浓度过高产生软点的原因

由文献［2］可知，碱水淬火时因碱水中晶体析出并附在工件表面，引发小的汽膜爆破，破坏了蒸汽膜的稳定性使沸腾期提前到来增加冷速。同时，由于碱水溶液吸收气体能力远低于水，因此使工件表面冷却均匀，不易造成软点。但是继续提高含量，浓度过大的碱使介质的沸点提高，汽泡的表面张力增加，介质流动性降低，因而导致膜破裂晚（特性温度点右移），反而使淬火介质的冷却能力下降，冷却速度降低，这就是钢球在碱水浓度过高时产生软点的原因。

2.2.3 碱水浓度过低产生软点的原因

当加热的钢球放在低浓度的碱水中，钢球周围的水温升高形成热水，由于其所受的重力作用小于它所受的浮力，导致向上部运动，致使上部的水温在热钢球的作用下迅速升高，大大降低冷却能力；而下部区域的水向上运动时，受到球面的影响，运动受阻不易对流，此处介质水温在热球的作用下亦升高，冷却能力也大大下降。上述原因引起钢球这些部位的冷却条件变差，钢球在冷却过程的高、中温区冷却能力降低，冷却速度减慢，易产生软点。

除上述外，如碱水温度、淬火加热温度、钢球入水方式等均会影响到软点的产生。

3 结论

（1）在其他工艺条件相同的情况下，碱水浓度与GCr15钢制大型钢球淬火后是否出现软点有着密切的关系。碱水浓度过高或过低引起钢球冷却能力降低及冷却速度减小，致使钢球淬火后出现软点的机率大大增加。

（2）GCr15钢制大型轴承钢球在Б-70生产线上淬火时碱水浓度应控制在10%～15%，这有利于防止钢球产生软点。