带状碳化物对GCr15轴承钢耐磨性能的影响

李 明 赵永桥 何 星 张恒华

(省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点试验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点试验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

带状碳化物对GCr15轴承钢耐磨性能的影响

李 明 赵永桥 何 星 张恒华

(省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点试验室、上海市钢铁冶金新技术开发应用重点试验室和上海大学材料科学与工程学院，上海 200072)

GCr15轴承钢在不同的热处理条件下，分别获得了1级、2级、3.5级三个级别的带状碳化物。采用MM- 200型环- 块摩擦磨损试验机对三个级别的带状碳化物试样进行室温下的干摩擦磨损试验，用失重法测量其耐磨性能、三维超景深显微镜测量磨痕宽度、扫描电镜观察磨损表面形貌。结果表明，GCr15轴承钢的带状碳化物级别越低，耐磨性能越好。分析了磨损机制与带状级别之间的关系。

GCr15轴承钢 带状碳化物 耐磨性能

轴承钢通常用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈，要求有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。生产中对轴承钢化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。粗大、多角状及偏析碳化物对轴承的使用寿命非常有害，希望得到细小而均匀弥散分布的碳化物。此外，钢中带状碳化物组织是钢材内部的一种缺陷，带状组织的存在使钢的组织不均匀，并严重影响钢材的性能[1- 2]。如果轴承钢的耐磨性差，滚动轴承便会因磨损而过早地丧失精度或因旋转精度下降而使轴承振动增加、寿命降低。因此，要求轴承钢具有高的耐磨性[3]。本文以最常用的GCr15轴承钢为研究对象，试验研究对比了不同带状碳化物级别GCr15钢的耐磨性能，并分析了带状碳化物分布对轴承钢性能的影响，以期为我国轴承尤其是高端轴承的研发提供参考和依据。

1 试验材料及方法

1.1 试样的制备

试验材料为市售退火态φ30 mm的GCr15轴承钢棒材，其化学成分如表1所示。为了获得级别较高的带状碳化物组织，首先对棒材进行热处理。通过系列试验，最终确定的奥氏体化温度为850 ℃,保温2 h，获得的带状组织级别为3.5级的1号试样；奥氏体化温度为830 ℃,保温2 h，获得的带状组织级别为3级。再通过980 ℃正火+740 ℃/750 ℃球化退火[4- 6]对3级带状碳化物进行改善，分别获得带状组织级别为2级的2号试样和1级的3号试样。具体热处理工艺过程如图1所示。

表1 试验用钢化学成分(质量分数)

图1 GCr15轴承钢的热处理工艺过程

为了保证试样硬度基本一致，将3组试样同时进行淬火、回火处理，具体工艺为845 ℃油淬、150 ℃×2 h回火。对淬火后的试样取心部组织，经打磨、抛光、腐蚀后，用Nikon金相显微镜观察其组织形态，并对带状组织进行评级。采用线切割从淬、回火态的棒材中心切取尺寸为3 mm×7 mm×30 mm的摩擦磨损试样，磨损表面经磨床打磨。

1.2 试验方法

摩擦磨损试验在MM- 200型磨损试验机上进行，图2为试样的接触示意图。对磨试样为外径40 mm、内径16 mm、厚度10 mm的淬、回火态GCr15轴承钢圆环。为了便于机加工，采用中温回火，表面硬度为50 HRC，粗糙度为0.613 μm。试验采用室温干摩擦，试验力为100 N，时间为1、2、4 h；对磨环转速为200 r/min，试样上下运动的频率约为60次/min。利用TR200粗糙度测试仪测量试样的表面粗糙度、洛氏硬度计测量硬度。试验开始前和结束后均采用丙酮超声清洗试样10 min并烘干，采用千分之一电子天平对试样的磨损质量进行称重，利用VHX- 600型三维超景深显微镜对试样的磨痕宽度进行测量，利用HITACHI SU- 1500钨灯丝扫描电子显微镜观察磨损表面形貌，以此来评判磨损状况，分析磨损机制。

图2 环- 块式接触方式示意图

2 试验结果及分析

2.1 带状碳化物组织的评级

通过不同的热处理工艺，获得了不同碳化物带状级别的GCr15轴承钢，并根据GB/T 18254— 2002标准进行评级。在淬火态试样的纵向上，依据100倍下观察带的黑白差、带的条数及宽度和500倍下碳化物的大小、分布，综合评定带状碳化物的级别。不同工艺热处理后试样的显微组织如图3所示。由于试样的硬度及表面粗糙度均对耐磨性有很大影响，为了相对准确地研究带状级别对耐磨性能的影响，固定试样的硬度、表面粗糙度基本一致，实测结果如表2所示。带状碳化物区域由于富含金属Cr等元素，其硬度比基体的硬度高出2～3 HRC，带状级别越高，差异越明显。

2.2 磨损性能分析

3种不同级别带状组织试样在正压力为100 N下与对磨环进行室温干摩擦磨损试验，磨损试验按1、2、4 h测定磨损质量。磨损量随磨损时间的变化曲线如图4所示，可以明显地看出，随着摩擦时间的增加，3种试样的磨损量都呈现出递增的趋势。带状级别为3.5级的1号试样随着时间的延长，磨损最为严重，带状级别小于2级时，磨损量相对较小。图5为光镜下不同带状组织磨损形貌的宏观比较，每张图从上到下分别对应1、2、4 h的磨痕宽度随时间的变化。图6是磨痕宽度随时间的变化曲线图，与磨损量表现出类似的变化趋势。

图3 不同工艺热处理后不同级别带状碳化物的分布

表2 不同级别带状组织GCr15轴承钢的洛氏 硬度及粗糙度

Table 2 Rockwell hardness and roughness of GCr15 bearing steel with different level banded carbides

带状组织的存在使钢材的力学性能具有方向性，导致钢的横向塑性和韧性降低，采用此种材料加工的工件在服役过程中易沿着两相的交界处开裂，缩短工件的使用寿命[7]。即带状级别越高，其磨损量和磨痕宽度也就越高，对应的磨损性能越差，带状级别为2级以下时具有比较好的耐磨性能。在生产实践中， 希望能够完全消除带状碳化物组织，但由于完全消除存在一定的难度，故生产中一般要求带状组织≤2级。

图4 不同级别带状组织GCr15轴承钢的磨损量随时间的变化

图5 不同级别带状组织GCr15轴承钢在三维超景深显微镜下的磨损形貌

图6 不同级别带状组织GCr15轴承钢的磨损宽度随时间的变化

2.3 磨损表面形貌分析

不同级别带状碳化物的GCr15轴承钢经摩擦磨损试验后，各试样的磨损表面出现许多鱼鳞状薄片，由小型犁沟、麻点和剥落组成，如图7所示。其磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。粘着磨损是在滑动摩擦条件下，摩擦副相对滑动速度较小时发生的。由于试样是在空气中干摩擦，摩擦副表面无氧化膜，且单位法向载荷较大，在磨损过程中与被磨试样组成的摩擦副会产生大量摩擦热，使相对摩擦表面发生焊合并在相互运动过程中产生撕裂，从而形成材料转移，即粘着磨损[8- 9]，如图7(a)所示。在磨损初期阶段，大部分所施能量消耗于表层材料的塑性变形上，相对小的能量则逐渐使磨损表面层温度升高，随着循环硬化，变形程度趋于稳定。由于该材料表面硬度较高，当带状碳化物级别达到3.5级时，硬度分布不均，在磨损过程中，材料变形不断积聚，易产生薄片状脱落，如图7(h)、7(i)所示，从而发生剥落磨损[10]。

图7 不同级别带状组织GCr15轴承钢的表面磨损形貌随时间的变化

由图7可见，当带状碳化物级别较低为1级时，由于碳化物在基体中分布比较均匀，刚开始时以轻微的粘着磨损为主，随着磨损时间的延长，磨损程度逐渐加重，在磨损表面形貌上则表现出磨损划痕的粗化、犁沟的加深，即粘着磨损到磨粒磨损的转变[11]；当磨损时间较短时，随着带状级别的增加，磨损机制由粘着磨损转变为磨粒磨损、剥落，随着磨损时间的增加，磨损现象加剧；带状碳化物级别越高，达到3.5级时磨损现象越严重，磨损机制由最初的磨粒磨损、小面积剥落，随着磨损时间的增加，到最后形成大面积的剥落以及比较深的剥落坑出现，如图8所示。这是由于带状碳化物级别高时，常常伴随着异常组织的出现，带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不相同[12]。富Cr的白色带状区域，其硬度比暗区平均高出2～3 HRC，在外力作用下性能较差的带成为薄弱区域，容易造成应力集中。带状碳化物的存在还可以破坏金属的连续性，基体组织则更易发生损坏，磨损现象更加严重。

图8 GCr15轴承钢在磨粒磨损下的典型剥落坑形貌(3.5级，4 h)

3 结论

(1)正火+球化退火工艺可以改善GCr15轴承钢的带状碳化物，带状等级可降低至2级以下。

(2)GCr15轴承钢的带状碳化物级别越高，其耐磨性越差。带状碳化物级别低时主要以粘着磨损为主，随着磨损时间的增加，则由粘着磨损向磨粒磨损转变。

(3)带状碳化物级别较高时主要发生磨粒磨损，并伴随着轻微的粘着磨损，随时间的延长而出现剥落现象。

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收修改稿日期：2016- 06- 15

Effect of Banded Carbides on the Wear Resistance of GCr15 Bearing Steel

Li Ming Zhao Yongqiao He Xing Zhang Henghua

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Three levels of structure with banded carbides of grade 1, grade 2, grade 3.5 were obtained for GCr15 bearing steel under different heat treatments. Dry friction and wear test of the three samples was carried out at a MM- 200 wear tester at room temperature, wear resistance was assessed by weight- loss method, wear width was measured by three- dimensional digital microscope, and wear surface layers was observed by SEM. The results showed that the wear resistance of GCr15 bearing steel increased significantly with the reduction of level of banded carbides. The relationship between banded carbides and wear resistance was also analyzed.

GCr15 bearing steel，banded carbide，wear resistance

李明，男，主要从事GCr15轴承钢碳化物不均匀性改善的研究，Email:mingyuw@163.com

张恒华，男，教授，博导，主要从事材料强韧化的研究，电话：021- 56331911，Email:hhzhang@shu.edu.cn