轴承钢热处理工艺及组织分析

郑庆行

【摘 要】本试验采用GCr15钢，分别对其进行了不同的热处理工艺试验，对其处理后的组织观察与分析，并进行了试样硬度的测定。

【关键词】GCr15钢；正火；等温球化退火；淬火

轴承钢是指用于制作在不同环境中工作的各类滚动套圈和滚动体的钢的统称。高碳铬轴承钢自上世纪初问世至今已有100多年的历史。从它诞生至今，化学元素的含量几乎没有变化，但其疲劳寿命却成倍甚至几十倍的提高，原因就在于轴承材料的纯净度提高了。轴承钢纯净度的提高，主要依赖于冶金工艺的现代化、炉外精炼技术的普遍采用[2]。

热处理是通过加热和冷却的方法使金属内部组织结构（有的包括表面化学成分）发生变化，以获得预期性能的工艺方法。这些性能包括工艺性能、力学性能和化学性能，在现代机械制造工业中主要指材料的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性等。因此进行热处理是提高零件使用性能、保证产品质量、改造加工工艺性、发挥材料潜力和节约原材料的重要途径。

本试验针对GCr15钢制订不同的热处理工艺并采用RSX-2.5-10实验箱式电阻炉对其进行处理，然后制备金相试样，对磨抛后的试样用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，在光学金相显微镜上对其组织进行观察与分析，在硬度试验计上测定试样硬度，最后将实验结果进行综合分析。

一、试验材料

本实验用材为供货态GCr15钢棒材。将其加工成Φ15×25（mm）试样，其化学成分和临界点。

二、试验设备

采用UJ-37型测温直流电位差计进行炉温校核，热处理加热设备采用RSX-2.5-10型箱式电阻炉，在M3225型台式砂轮机上进行试样打磨，分别用200#、400#、600#、800#、1000#帆船牌水砂纸磨制金相试样，在P-2型抛光机上进行抛光，用4%的硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，在OLYMPUS PMG3型光学金相显微镜上进行显微组织观察与分析，在HB-3000型布氏硬度试验机和HRD-150型电动洛氏硬度试验计上测定试样的硬度值。

三、参数拟定

GCr15钢完全退火、正火、高温淬火工艺，都是将工件加热到单相奥氏体区，然后根据不同性能的需求进行冷却，其具体工艺见下表。

GCr15钢的正常淬火工艺是将工件加热到Ac1以上50～80℃、等温球化退火工艺是将工件加热到Ac1以上20～30℃然后在Ar1以下10～20℃等温一定时间[1]，根据钢的临界点及试验目的要求，其具体工艺见表2。

四、试验结果分析

（一）供货态组织、完全退火组织的分析

GCr15钢供货态组织为索氏体+断续细网状渗碳体。

GCr15钢经930℃×40min退火的组织为粗大片状珠光体和网状二次渗碳体。与T10钢的完全退火组织相比，珠光体片间距减小，沿晶界析出的网状渗碳体变细，主要原因是GCr15中含有碳化物形成元素Cr，在随炉冷却过程中碳原子扩散受阻，因此从奥氏体中析出量减少，而形成片间距较细的珠光体及沿其晶界析出的细网状渗碳体 [4]。

（二）正火组织、等温球化退火组织的分析

GCr15钢经930℃×40min正火处理后的组织与T10钢相比，除屈氏体外+沿晶界分布的渗碳体颗粒更细小而又少。其原因是冷速快，该钢的C曲线与T10钢相比右移，实际相变速度减缓，在相同的冷速下碳从过冷奥氏体中的析出量少所致。

等温球化退火所得组织为球状珠光体，其组织中的碳化物颗粒与T10钢相比更细小。原因是钢中含有铬元素，碳原子聚集长大倾向较T10钢小，故形成的颗粒状渗碳体较小。

（三）正常淬火组织、高温淬火组织的分析

正常淬火的组织为细小针状马氏体和残余奥氏体及未溶的颗粒状的碳化物。

轴承钢淬火温度虽比T10钢高出50℃左右，但该组织中的马氏体针却很短。因为轴承钢中含有碳化物形成元素Cr，Cr有抑制奥氏体晶粒长大的作用，故在加热时形成的奥氏体晶粒细小，淬火后获得细小针状的马氏体。

高温淬火组织为粗大针状马氏体和比较多的残余奥氏体。与T10钢相比临界冷速较慢，也就是说过冷奥氏体的稳定性比较好，故淬火后得到粗大的马氏体和残余的奥氏体。

（四）不同回火温度下组织的分析

正常淬火+低温回火组织为隐针回火马氏体和细小粒状的未溶碳化物。

由此可看出，正常淬火+中温回火组织为回火屈氏体+细小未溶的粒状碳化物。正常淬火+高温回火组织为回火索氏体+细小粒状的碳化物。正常淬火+更高温回火组织为回火球状珠光体。

GCr15钢经不同工艺处理后试样，进行硬度测定的结果见表3。

五 结论

本文以GCr15轴承钢为研究对象，通过不同的热处理工艺对其进行处理，通过金相分析和硬度测试得出以下结论：

1.GCr15钢经正常淬火后，随着回火温度的增加，淬火马氏体将分别转变为回火马氏体、回火屈氏体、回火索氏体和回火球状珠光体组织。其硬度随着回火温度的升高而降低。

2.GCr15钢随着淬火温度的增加，奥氏体晶粒长大，淬火后得到的马氏体针也变得粗大，且残余奥氏体量也随之增加，其硬度随之降低。

3.GCr15钢在低于临界点（Ac1）30℃左右进行回火，其回火组织为球状珠光体组织。

参考文献：

[1]《钢铁材料手册》总编辑委员会.工具钢[M].北京：中国标准出版社，2003：3.

[2] 钟顺思，王昌生.轴承钢[M].北京：冶金工业出版社，2000：7～8.

[3]《钢铁材料手册》总编辑委员会.轴承钢[M].北京：中国标准出版社，2003：36.

[4] 李炯辉，施友方，高汉文.钢铁材料金相图谱[M].上海：上海科学技术出版社，1981：316.