轴承钢GCr15多元共渗与高频淬火复合强化处理研究

2011-01-29王杰

电子世界 2011年8期

关键词：轴承钢渗层摩擦系数

王杰

（湖南石油化工职业技术学院机电工程系，湖南岳阳 414012）

轴承钢GCr15多元共渗与高频淬火复合强化处理研究

王杰

（湖南石油化工职业技术学院机电工程系，湖南岳阳 414012）

经处理后的GCr15表面形成均匀渗层。文中对实验结果进行分析，两种处理工艺后的试样进行比较，采用X射线衍射仪（XRD）分析其相结构组成，使用显微硬度仪（MHS）及扫描电镜（SEM）分析其硬度变化，利用万能摩擦实验机分析其耐磨性变化。

多元共渗；高频淬火；显微硬度；成分分析（XRD）；耐磨性

引言

轴承钢是重要的冶金产品，被广泛应用于机械制造、铁路运输、汽车制造、国防工业等领域.主要是制造滚动轴承的滚动体和套圈，一些大端面的轴承钢也被用来制造机械加工用的工、模具[1]。而GCr15是高碳铬轴承钢的代表钢种。它综合力学性能良好，是世界各国广泛应用的钢种之一，也是高碳铬轴承钢中产量最大的钢种[2]。GCr15可用于制造模具、量具和木工刀具及高弹性极限、高疲劳强度的机械零件[3]。

为提高零件的使用寿命，增强其疲劳强度、尺寸稳定性、硬度和表面耐磨性，途径之一是对其进行热处理[4]。GCr15钢一般经820～850℃淬火加150～170℃×（2～5）h低温回火后使用。淬火和回火后的硬度通常在61～65HRC，具有良好的耐磨性和高的接触疲劳强度。其热加工变形性能好，球化退火后有良好的可切削性能。对尺寸精度要求高的零件，要在淬火后进行深冷处理[2]。

本文采用C，N，O多元共渗与高频淬火技术对轴承钢GCr15进行处理，分别得到经多元共渗的试样G2和经多元共渗与高频淬火复合处理的试样GA2。然后对处理后的试样进行成分、硬度以及耐磨性能的分析研究[5，6]。通过对两种处理工艺后试样的性能参数进行比较，检验此两种处理条件下分别对GCr15性能的提高程度，以此来确定GCr15新的热处理工艺应用的可能性。

1.实验材料及方法

表面多元共渗和高频淬火在西南交通大学进行，共渗气氛为NH3+N2+添加剂，该添加剂为含碳、氧的化学试剂配成。试样尺寸为Φ50×5mm的圆柱体，原始材料为780℃×3h等温退火（冷至710～720℃保温1.5h后空冷）处理的GCr15。本文只对处理后的试样性能进行比较分析。利用线切割机从大块基材上切取部分小试样进行表面研究。

试样制备过程为：试样切割→镶样→研磨抛光→清洗→分析。

表1 试样加工工艺及编号

利用HMV-1T型数字式智能显微硬度计，对试样表面的硬度进行检测。试验力为50g，加载时间10s.用SEM观察试样表面形貌。

使用WTM-IE可控气氛微型摩擦磨损实验仪测量试样的耐磨性。实验载荷50g，转速1000r/min，摩擦半径4mm，摩擦时间5min，对磨材料TG15。

2.试验结果与分析

2.1 渗层显微组织

X射线衍射谱由连续背景以及叠加在背景上的一些谱线所组成。谱线亦称衍射线或衍射峰。在衍射谱分析工作中，最主要

采用X射线衍射仪对试样表面进行探测，分析其表面化学组成[7～9]。由试样的性能参数值，根据所得到的数据，采用Oringinpro7.5绘制成试样的衍射图谱，再对照PDF卡片进行物相结构分析。使用仪器工作参数如下。

X射线衍射仪（X-ray Diffractometer）

是判断总共有多少衍射线，它们的位置、峰高和强度。由X射线衍射分析技术，用Qringinpro7.5模拟成各衍射图谱。

2.1.1 分析方法

GCr15钢进行多元共渗的工艺，是在N–C共渗的气氛中添加含氧气体，根据元素法，即先得出钢中合金成分和渗入气体的元素可能得到的化合物，然后对照PDF卡片，对该试样进行XRD成分分析，找出相应的化学成分。

2.1.2 试验结果及分析

由图1、表2可以看出，经过多元共渗加高频淬火处理后，GCr15表面形成了Fe2O3和CrN两种化合物。正是因为表面有新的化合物生成，才导致表面组织发生了变化，形成具有很高硬度的白亮层。

多元共渗过程中氧气是添加剂中的成分，起到提高渗速的作用，对硬度变化影响不大。但是因为有氧的存在肯定会有氧化作用发生，使渗层中含有更多Fe2O3，它是疏松层的主要成分，形成原因除了在多元共渗中渗进去的外，还有试样高温出炉，暴露在空气中氧化所致。同时也导致了淬火后表面层的硬度反而比未经淬火时的低。

表2 GA2主要峰值PDF卡片参数

图1 GA2衍射峰图

表3 G2硬度值

表4 GA2硬度值

图2 硬度曲线

2.2 渗层显微硬度

鉴于客观条件的限制，试验的工艺种类有限，故只能根据实验得到的数据进行定性分析，再结合以往经验进行总结。利用绘图软件将各硬度曲线分别绘制如下，其中，硬度曲线图中横坐标代表距表面的距离，纵坐标表示硬度值。下面进行具体分析说明。

2.2.1 试验结果

2.2.2 结果分析

由表3、图2可以看出经过多元共渗处理后的试样G2表面层硬度显著提高，硬度值在650HV左右，可以达到基层硬度的2.5倍。经过处理的试样表面硬度层厚度可以达到40-50μm。

与未经高频淬火处理的G2试样比较发现，在测量的范围内，由于试样本身只有5mm的厚度，经淬火处理的GA2试样硬度始终保持在很高的区域内，硬度值都达到了HV850以上。而未经淬火处理的试样只有渗层部分有较高的硬度。GA2试样渗层的厚度基本上都在40-50μm的范围内。在试样中不能看到有明显的分层现象，原因是经过淬火后材料的组织发生了显著变化。说明淬火可以明显改善材料的性能，尤其是硬度。所以，为了得到更好的材料表面硬度以及综合性能，经过多元共渗后再进行高频淬火是非常好的选择。

还有一个有趣的发现就是GA2试样在表面层约40μm的硬度值反而没有内层的硬度大，而这40μm大约就是渗层的厚度。该层的硬度和未经淬火处理的结果比较发现，淬火后的硬度小于未经淬火处理的试样。从图3（b）可以看出经高频淬火后表面渗层的组织变得更加疏松，这说明经过多元共渗后再淬火处理不但不能更好的增加硬度，反而会降低单独经过多元共渗处理的表面硬度。比40μm更深的内部材料没有受到渗层的影响，还可以发现单独淬火处理后试样的硬度比单独多元共渗的硬度要大，说明要增加试样的硬度高频淬火效果更好。

图3 显微硬度500×

图4 磨损曲线

图5 试样磨痕×40显微照片

2.3 渗层耐磨性能

试验结果及分析：

由图4（a）可以看出，经过多元共渗处理的G2试样摩擦系数非常小，平均摩擦系数约为0.08，而图4（c）中原未经处理的试样摩擦系数平均为0.10左右。随着时间推移，G2试样的摩擦系数几乎没有变化，说明处理后的试样可以经受较长时间的摩擦磨损。与硬度测试结果对比发现较大的试样硬度会有较高的耐磨性能。

一般认为试样的摩擦系数越小则其耐摩擦性能越好。但是从图4（b）中可以看出，GA2试样的摩擦系数随着时间的推移可以达到平均0.4左右，远大于G2试样的0.08。而图5试样磨痕显微照片中可以看出，经过同等载荷和时间的摩擦试验后，GA2试样明显比G2试样更加耐磨。这就与我们一般的认识相悖（可以肯定的是，在做摩擦实验时是多组试样连续随机进行，所以可以排除因操作失误而导致的结果有误现象）。