预处理对GCr15轴承钢淬火组织与性能的影响

张大伟，张新平，潘晓铭，谢晓文，陈旭光，赵文胜

(1.温州大学机电工程学院，浙江温州 325035；2.温州人本轴承有限公司，浙江温州 325011)

预处理对GCr15轴承钢淬火组织与性能的影响

张大伟1，张新平1，潘晓铭1，谢晓文1，陈旭光2，赵文胜2

(1.温州大学机电工程学院，浙江温州 325035；2.温州人本轴承有限公司，浙江温州 325011)

研究了球化退火和固溶+高温回火两种预热处理工艺对 GCr15轴承钢淬火组织、硬度、冲击韧性和抗拉强度的影响.结果表明，两种预处理工艺都明显地细化了碳化物颗粒，其中经固溶+高温回火预处理的轴承钢具有较好的碳化物细化效果和细小晶粒的终处理组织，并获得了较高的硬度和抗拉强度值.在预处理都为球化退火工艺、终处理回火温度不同时，经较低回火温度（160℃）处理的轴承钢可获得良好的强韧性能.

预热处理；GCr15轴承钢；淬火；组织；力学性能

GCr15钢是轴承钢中的典型钢种，在各种机械零部件上都有广泛应用，许多材料工作者已对其热处理工艺、组织成分与性能等进行了大量的研究[1-5]，这对于延长轴承类零部件的使用寿命起到了很好的作用.影响轴承寿命的因素很多，就材料因素而言，有淬回火马氏体、未溶碳化物、残余奥氏体、残余应力和钢中杂质含量等[6].为使不利影响程度降至最低，应控制钢淬火前的原始组织.有效的预热处理可使钢中的碳化物球化、细小且均匀分布，对获得良好的淬火组织具有重要作用.本文对球化退火和双细化处理两种预热处理工艺进行试验对比研究，以考察其对GCr15钢淬火组织和性能的影响.

1 试验材料及方法

试样基材为GCr15轴承钢，其化学成分（Wt %）：1.0 C，1.49 Cr，0.31 Mn，0.26 Si，0.009 P，0.004 S.

试样的热处理工艺条件如表1所示.预热处理和终处理均在箱式电阻炉中加热，淬火冷却介质采用40 – 60℃的N32机油.

在蔡司金相显微镜上观察试样的金相组织形貌，用 4%硝酸酒精溶液腐刻试样，用过饱和苦味酸水溶液+适量十二烷苯磺酸钠溶液热浸蚀，观察奥氏体晶粒度.

冲击试样为55 mm × 10 mm × 10 mm的无缺口试样，试验设备为JB-300B型机械式半自动冲击试样机；拉伸试样为φ6 mm的标准短试样，试验在WEW-300型屏显式液压万能试验机上进行.每种工艺条件下的冲击韧性和抗拉强度值取 4个试样测量数据的平均值.硬度试验在HBRVU-187.5型布洛维氏硬度计上完成，每个硬度值取3次测量的平均值.

表1 GCr15钢试样的热处理工艺Table 1 Heat-treatment Technology of GCr15 Specimens

2 试验结果及分析

2.1 组织分析

图1 试样经不同预处理工艺后的组织形貌(500x)Fig 1 Microstructure of Specimens Pretreated with Different Technologies (500x)

2.1.1 预处理工艺组织

GCr15轴承钢是过共析钢，常采用球化退火作为预热处理工艺，这样一方面可以降低钢的硬度，以利于后续切削加工，更重要的是还可获得球状珠光体组织，为淬回火做好组织准备.试样经不同预处理工艺后的组织形貌如图1所示.图1中（a）和（b）分别是工艺1和工艺3的预热处理球化退火组织，由细的球状珠光体以及均匀分布的过剩碳化物组成，但碳化物颗粒大小不均，在珠光体晶界上可以看见有少量较粗大的不规则颗粒碳化物，如图1（b）所示.图1中的（c）和（d）是工艺 2双细化（碳化物细化和奥氏体晶粒细化）预处理的组织形貌.试样经高温固溶奥氏体化后淬火得到针状马氏体+残余奥氏体，因淬火温度较高，淬火后得到的马氏体针较粗大，并且有较多的残余奥氏体，如图1（c）所示.淬火后经高温回火，碳化物呈弥散析出，得到的组织为回火索氏体+细小弥散分布的碳化物，如图1（d）所示.比较起来，工艺2双细化处理的碳化物颗粒较为细小.这种以高温固溶处理作为轴承钢预热处理的工艺在生产中常用来消除由于锻坯过热产生的粗大网状碳化物，网状碳化物被溶解之后，冷却时要快速通过Acm和Ar1温区，以避免碳化物再次以网状形式析出.

2.1.2 终处理工艺组织

各试样预热处理后经不同终处理获得的组织形貌如图2所示.由图2可见，经工艺1、工艺2和工艺3处理后，试样的碳化物均得到了不同程度的细化效果.其中，工艺3的球化退火+马氏体淬火+低温回火的碳化物颗粒平均直径较小，如图2（c）所示；工艺2的固溶+高温回火+马氏体淬火+低温回火处理后的碳化物细化效果较为明显，碳化物颗粒细小且均匀弥散分布，如图2（b）所示.碳化物是GCr15轴承钢的重要组成相，它具有耐磨、抑制晶粒长大等作用.粗大、多角状及偏析碳化物的外形圆整度较差，易在其尖锐或凸凹边缘产生应力集中现象而萌发微裂纹，从而降低轴承的韧性和抗疲劳性能，缩短其使用寿命；细小碳化物的外形较为圆滑，减小了应力集中，同时碳化物的细化及弥散分布，又钉扎位错，也阻止了它的运动，从而提高了其塑变抗力，推迟了疲劳裂纹源的成核过程，延长了裂纹起始阶段的疲劳期.由于产生裂纹所需的应力提高，裂纹扩展临界应力也相应提高，因而使裂纹扩展相应缓慢，裂纹扩展速率da/dN下降.因此，轴承钢中呈现尺寸细小、分布均匀且为球形的未溶碳化物是较为理想的终处理组织，对于提高轴承钢的强韧性是有利的.

图2 试样经不同终处理工艺后的组织形貌(500x)Fig 2 Microstructure of Specimens Final-treated with Different Technologies (500x)

2.1.3 晶粒度比较

图3表示不同终处理工艺处理的试样的晶粒度.比较起来，工艺3的球化退火+马氏体淬火+160℃低温回火的晶粒平均直径较大，工艺2的固溶+高温回火+马氏体淬火+低温回火处理的晶粒平均直径最小，工艺1的球化退火+马氏体淬火+180℃低温回火的晶粒平均直径居中.

在预处理的金相组织中，采用双细化工艺处理的碳化物粒径比球化退火的要细小.细小的碳化物在终处理淬火时可阻碍晶界移动，限制奥氏体晶粒长大.有研究表明，当第二相体积分数一定时，碳化物粒子半径减小，奥氏体晶粒平均极限半径也随之减小[2].因此，预处理时将碳化物充分细化并使其均匀、弥散分布，可使终处理淬火时的奥氏体晶粒不致长大.此外，双细化处理中淬火前充分预热和缩短淬火保温时间，都使得奥氏体晶核不致长大，从而快速冷却后获得了细小的马氏体晶粒.

图3 不同终处理工艺试样的晶粒度(500x)Fig 3 Grain Fineness of Specimens Final-treated with Different Technologies (500x)

2.2 力学性能测试

2.2.1 硬度测试

不同热处理工艺处理的轴承钢试样的硬度、冲击韧性和抗拉强度等力学性能测试结果如表2所示.由表2可见，3种工艺处理的轴承钢硬度值都在60 HRC以上，其中，工艺2双细化处理的硬度平均值为63.2 HRC；工艺3球化退火+淬火+ 160℃低温回火的为61.9 HRC；工艺1球化退火+淬火+180℃低温回火的为60.7 HRC.工艺2试样的硬度值高于其它两种工艺的硬度值，是因为其细小的碳化物均匀且弥散地分布于组织中，晶粒的细小使其在同等体积下具有更多的晶界总面积；另外，高温固溶处理使得奥氏体中溶入了较多的碳，钢淬火后的马氏体中就具有了较高的含碳量，含碳量的增加提高了马氏体的硬度.工艺1和工艺3的预处理相同但终处理的回火温度不同，较低回火温度的工艺3试样比工艺1的硬度值稍高，这是由于较低温度回火使得马氏体中保留了相对较多的碳含量.

表2 不同工艺处理试样的力学性能Table 2 Mechanical Properties of Specimens Treated with Different Technologies

2.2.2 冲击韧性与抗拉强度测试

由表2可见，3种工艺条件处理试样的冲击韧性和抗拉强度值有所不同.其中，工艺2双细化处理的试样的冲击韧性平均值最低，但其抗拉强度平均值最高；工艺1处理的试样的冲击韧性平均值最高，但其抗拉强度平均值最低；工艺3处理的试样的冲击韧性和抗拉强度平均值大小处于以上两者之间.试验表明，与球化退火预处理工艺相比，工艺2双细化处理试样的抗拉强度虽高，但其冲击韧性值偏低，这主要与未溶碳化物和马氏体中的高碳量有关.一般说来，淬火钢中未溶碳化物少量存在是必要的，它不但可以增加钢的耐磨性，还可使其获得细晶粒隐晶马氏体，但未溶碳化物是硬脆相，承载时其与基体界面会由于应力集中而易萌发微裂纹，尤其是碳化物呈非球状时这种情况更易发生，从而导致轴承钢的韧性和疲劳抗力下降.影响未溶碳化物数量、形貌、大小、分布的因素主要有钢成分、淬火前原始组织因素、奥氏体化条件等[6].从工艺2双细化终处理金相照片中可见，该工艺处理的试样比球化退火工艺处理的试样有较多的未溶碳化物，这是由于为获得细小的奥氏体晶粒而采用了很少的奥氏体化保温时间，溶入奥氏体中的碳量较少，未溶碳化物较多.另外，固溶处理使奥氏体中溶入较多的碳，淬火马氏体中碳量增高也是引起韧性下降的原因.从综合性能来看，工艺3球化退火+淬火低温回火（160℃）处理的试样的强韧性适中，而工艺1的强度偏低、工艺2的韧性偏低，这表明未溶碳化物含量、分布以及残余奥氏体含量和奥氏体晶粒度都对轴承钢的强韧性有影响.

3 结 论

本试验条件下，1 050℃固溶油淬+720℃高温回火与800℃球化退火作为GCr15轴承钢的两种预处理工艺，都有不同程度的碳化物细化效果，其中，前者处理试样的碳化物较为细小且呈均匀、弥散分布.650℃ × 1 h预热+840℃ × 1 min油淬+ 180℃ × 2 h回火与840℃ × 15 min油淬+ 180℃× 2 h回火及840℃ × 15 min油淬+ 160℃ × 2 h回火3种终处理工艺，前者处理试样的晶粒较为细小.

与采用球化退火+淬回火工艺处理的GCr15轴承钢相比，采用固溶+高温回火+淬回火工艺处理的GCr15轴承钢具有较高的硬度和抗拉强度值，但其冲击韧性偏低.GCr15轴承钢高强度和高硬度的获得归结于其组织中细小、均匀弥散分布的碳化物和细小晶粒的隐晶马氏体；较低韧性与组织中过多的未溶碳化物及马氏体中较高的含碳量有关.预处理都为球化退火、终处理回火温度不同时，较低回火温度（160℃）工艺处理的GCr15轴承钢可获得良好的强韧性能.

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Effect of Pretreatment Technology on Quenched Structure and Properties of GCr15 Bearing Steel

ZHANG Dawei1, ZHANG Xinping1, PAN Xiaoming1, XIE Xiaowen1, CHEN Xuguang2, ZHAO Wensheng2
(1. School of Mechatronics Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035; 2. Wenzhou C & U Bearing Co., Ltd, Wenzhou, China 325011)

The effect of two preheat treatment technologies, spheroidizing annealing and solid solution hardening + high temperature tempering, on quenched structure, hardness, impact toughness and tensile strength of GCr15 bearing steel was investigated in this paper. The results showed that the carbide particles were refined obviously by two kind of pretreatment technologies. Comparing with spheroidizing annealing technology, the finer carbide and finer grains structure for final heat treatment were obtained in the steel by the solid solution hardening + high temperature tempering technology, which brought about a higher hardness and strength value in the steel. In the condition that the same spheroidizing annealing technology is used in the pretreatment stage and the tempering temperature of the final treatment is different, a result could be achieved that a better combination in strength and toughness can be obtained at a low tempering temperature of 160℃.

Preheat Treatment; GCr15 Bearing Steel; Quenching; Structure; Mechanical Property

(编辑：王一芳)

TG142.1

A

1674-3563(2011)02-0030-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.02.006 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

2010-08-08

温州市科技计划项目(G20100112)

张大伟(1954- )，男，黑龙江大庆人，教授，博士，研究方向：金属热处理，激光表面改性