GCr15钢碳氮共渗与马氏体淬火组织及性能试验对比研究

单琼飞, 王 鑫, 薛文方, 祝道明, 叶健熠

（1. 洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2. 滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039）

1 前言

轴承是装备制造业中的关键零部件，轴承的使用性能直接决定着机械设备的性能、质量、可靠性以及整体装备制造水平。目前，我国轴承行业的年产值达千亿级，其中高碳铬轴承钢用量占 80% 以上，尤以 GCr15 钢用量最大。如何提高GCr15 钢制轴承的使用寿命，尤其是提高抗污染润滑条件及高 DN 值工况条件下的使用寿命，已成为国内外学者主要的研究方向。目前，主要的研究方向为表面改性处理。通过改变轴承零件表层化学成分、组织和性能，淬回火处理后，渗层组织为含氮马氏体＋碳氮化合物＋一定量稳定残余奥氏体，芯部组织为常规马氏体＋碳化物＋少量残余奥氏体，表面硬度提高约 1.5～3HRC，达到表层具有比芯部更高的硬度、残余奥氏体和残余压应力，从而提升轴承的使用性能和使用寿命[1-4]。

本文以 GCr15 钢制某型号轴承为例，通过轴承套圈碳氮共渗与常规淬回火后的组织、硬度、回火稳定性、残余奥氏体及残余应力、接触疲劳寿命等性能对比分析，为实现轴承长寿命提供理论基础及数据支撑。

2 试验用料

试验材料选用真空脱气的 GCr15 钢球化退火棒料(直径φ55mm)，其化学成分和冶金质量按 GB/T18254-2016 检验，满足相关标准要求。具体检测结果见表 1、表 2。

表1 GCr15原材料的化学成分 w，%

表2 GCr15原材料的冶金质量

3 试样加工

3.1 加工成尺寸为φ52×12mm的试样数量若干，用于热处理质量分析检测使用。

3.2 加工成尺寸为φ52×φ32×8mm接触疲劳试样（TLP试样），共 4 组，每组 12～14个，用于 TLP 接触寿命试验。

3.3 同批次材料经锻造、退火、车加工为某型号试验套圈，试验抗回火性能和套圈变形量控制。

4 试验设备及检测仪器

4.1 试验设备

将加工好的试样及套圈零件分别在可控气氛式多用炉（气氛为NH3＋氮气+甲醇＋丙烷）进行碳氮共渗，在托辊式网带炉上进行常规马氏体淬火。试验设备为可控气氛式多用炉、托辊式网带炉、冷冻箱及气氛式回火炉等试验设备。

4.2 检测仪器

试验项目检测仪器为GX41光学显微镜、TIME6610AT 维氏硬度计、HR-150A 洛氏硬度计、X 射线衍射仪及 TLP 型接触疲劳试验机等检测仪器。

5 性能试验检测及分析

5.1 显微组织、硬度及晶粒度对比检测分析

用GX41金相显微镜观察检验碳氮共渗和常规马氏体淬回火试样的金相组织，用TIME6610AT 维氏硬度计对碳氮共渗试样的渗层硬度及深度梯度进行检测。

碳氮共渗试样的检测结果为：（1）渗层组织由含氮马氏体＋碳（氮）化物＋残余奥氏体组成，见图 1。（2）170℃×4h 回火表面硬度为 803～828HV；200℃×4h 回火后表面硬度为 743～758HV。（ 3）碳氮共渗热处理后，经200℃×4h 回火后的渗层深度 0.7mm，见图 2。渗层硬度梯度曲线见图 3。（4）通过显微组织图片可以发现，碳氮共渗热处理试验套圈的表层有明显的碳聚集现象，深度约 0.10mm，磨加工留量可以去除。

图1 碳氮共渗后的金相组织（500×）

图2 碳氮共渗渗层深度图片（100×）

图3 200℃回火后碳氮共渗硬化层深度梯度曲线

常规马氏体淬回火组织由马氏体＋碳化物＋残余奥氏体组成，见图 4，经 170℃×4h表面与芯部硬度为 61.9～62.5HRC。

图4 常规淬回火后的显微组织（500×）

碳氮共渗与常规马氏体淬回火的晶粒度级别均为 8 级，见图 5。

图5 碳氮共渗后晶粒度（与常规淬回火后的晶粒度相同）

5.2 残余奥氏体含量和残余应力分析

热处理后的试样经机械磨削表层去掉0.11mm，再经细砂纸手工抛光磨去 0.03mm后进行残余奥氏体和残余应力测试。测试仪器为X-射线衍射仪，测试位置为距渗层表面 0.14mm（接近成品零件使用表面）。测试结果见表 3、表 4。

表3 GCr15两种处理工艺下试样的残余奥氏体含量

表4 GCr15钢两种热处理工艺下残余应力状态

由表 3 可见，碳氮共渗明显提高了表层的残余奥氏体含量，采取同样的热处理回火工艺（170℃×4h），碳氮共渗表层残余奥氏体量是常规马氏体淬回火的 2 倍左右；随着回火温度升高，残余奥氏体含量逐渐下降。250℃×3h回火可以大大降低渗层中残余奥氏体量，但硬度下降约为 2～3HRC。

由表 4 可见，碳氮共渗试样在距表层相当深的范围内（超过 1mm）残留着压应力（超过150MPa）；而常规马氏体淬火的试样在距表层0.15mm 处就出现了拉应力。轴承零件表层存在残余拉应力，就势必降低轴承的使用性能。为使轴承零件表层获得残余压应力，需要采取适当措施使表层的 Ms 点低于芯部 Ms 点，使之颠倒淬火钢的相变顺序以获得表层压应力分布。对GCr15 钢轴承零件进行碳氮共渗，因 C、N 原子的表层渗入可以有效降低表层 Ms 点，从而获得表层残余压应力状态分布。

5.3 回火稳定性试验

从批量生产的碳氮共渗处理及常规马氏体淬回火处理的某型号轴承套圈中随机各抽取 5 组套圈进行回火稳定性工艺试验，回火温度分别为170℃、200℃、250℃、300℃。内、外套圈在不同回火工艺下进行回火处理后，用 HR-150A 洛氏硬度计对内、外套圈表面硬度进行检测。回火温度与硬度的对应关系见表 5。

表5 套圈的回火工艺与硬度的对应关系

由表 5 检测结果可知：（1）两种试验套圈在 170℃、200℃、250℃、300℃ 进行 4h 回火处理后，套圈的回火硬度都随回火温度的升高而降低；两种试验套圈在同一回火温度与回火时间下进行回火时，碳氮共渗热处理试验套圈的硬度均高于马氏体淬回火试验套圈的硬度。（2）250℃以下碳氮共渗产品的抗回火性能明显优于马氏体淬火。

5.4 两种试验套圈变形对比分析

从批量生产的碳氮共渗处理及常规马氏体淬回火处理的某型号轴承套圈中随机各抽取 20 组套圈进行变形量检测。两种试验套圈的变形情况检测结果见表 6。

表6 两种试验套圈的变形情况对比

通过表 6 可以得知：两种工艺试验套圈变形量基本一致，两种试验套圈的变形量控制均满足相关标准规定的椭圆度要求。

5.5 接触疲劳寿命试验及分析

在TLP推力片接触疲劳试验机上分别对GCr15 钢碳氮共渗与常规马氏体淬回火试样进行接触疲劳试验，试验机主轴转速 2 040r/min，接触应力为 4 508MPa，每组试验 12～14 个推力片。试验检测结果见表 7。

由表 7 可见，碳氮共渗＋170℃×3h 回火后的接触疲劳额定寿命 L10最高。 碳氮共渗的额定疲劳寿命（L10）和中值寿命（L50）均是未碳氮共渗的 2 倍以上。Dommarco 等人也证实了碳氮共渗热处理可增加稳定的残余奥氏体含量，有助于延长轴承寿命[5]。

表7 碳氮共渗与常规马氏体淬火后不同回火工艺下的接触疲劳寿命

由于轴承的工况条件及工作环境复杂，工作方式主要是以滚动为主，承受循环交变应力，这样就要求轴承零件的表面、次表面具有良好的性能，诸如表层具有高硬度、高残余压应力和相对较高的稳定的残余奥氏体含量，这样才能不断满足轴承长寿命和高可靠性的要求。通过碳氮共渗，氮原子在轴承零件表层的扩散导致稳定的残余奥氏体含量增多，同时由于氮的固溶，回火软化抗力上升，对提高轴承的疲劳寿命带来有益的影响。

6 结论

6.1 GCr15 钢经碳氮共渗热处理＋冷处理（或不冷处理）＋160 ～180℃ 回火后的表面硬度均高于其常规马氏体淬回火硬度。

6.2 GCr15 钢经碳氮共渗热处理后表面层存在较深的残余压应力层，压应力分布深度约 1mm左右。

6.3 250℃ 以下碳氮共渗产品的抗回火性明显优于常规马氏体淬火。

6.4 碳氮共渗后轴承的接触疲劳寿命优于常规马氏体淬火的接触疲劳寿命。