热处理工艺对高碳铬轴承钢组织和性能的影响

商肇东

摘 要：高碳鉻轴承钢在现今机械制造中应用较为常见，其在实际中具有高硬度、耐磨性好、弹性高等优点，而且在实际的生产及加工中有着较为严格的生产要求。目前GCr15高碳铬轴承钢是生产量最大的轴承钢种，本文则根据此种高碳铬轴承钢的性质、特点对其进行分析，主要研究了不同的热处理工艺对高碳铬轴承钢所产生的影响，从组织及性能的变化入手，探究热处理在实际的生产加工中所产生的功效，以此来保证在高碳铬轴承钢加工中可以对热处理工艺进行适当的选用。

关键词：热处理工艺；高碳铬轴承钢；组织与性能；贝氏体

在制造业中，需要应用轴承的部分较多，同时也是制造生产中的重要零件，关系着产品的使用质量。目前在相关领域技术不断发展的推动下，为了使高碳铬轴承钢的各方面性能得到提升会采用热处理工艺来对其进行改造，目前在对高碳铬轴承钢进行改造的热处理工艺有淬回火、贝氏体等温淬火等技术，虽然在实际的使用中其有效的对高碳铬轴承钢组织结构进行更改使其具备更高的硬度及强韧性，但是其处理周期却存在较长的问题，以下则是热处理工艺对高碳铬轴承钢产生的影响的详细分析。

一、试验材料与方法

本次试验主要选取某工厂所生产的GCr15高碳铬轴承钢，其化学成分主要有C（0.95%）、Si（0.25%）、Mn（0.35%）、S（0.019%）、P（0.023%）、Cr（1.45%）、Fe（Bal.），此次试验主要对淬回火（工艺1）、贝氏体等温淬火（工艺2）、马氏体预淬火（工艺3）、贝氏体变温淬火（工艺4）这四种高碳铬轴承钢热处理工艺进行研究。热处理后的试样在CMT5605型拉伸机上进行拉伸试验；在ZEISSULTRA55型热场发射扫描电镜上进行组织观察；在HXD-1000TM型维氏硬度试验机上进行硬度试验，压力为1000g；在JBDW-300D型冲击试验机上进行常温冲击试验；在DMAX-RB型X射线衍射仪上进行残留奥氏体分析；在TecnaiF30s型场发射高分辨透射电子显微镜上进行相精细组织观察与分析；利用ZEISSULTRA55型扫描电子显微镜上的辅助配件电子背散射衍射技术（EBSD）进行晶粒尺寸、形状及分布分析、晶界性质分析等；对热处理后试样进行组织观察；热膨胀试验在DIL805A型膨胀仪上进行，模拟上述4种工艺。

二、结果与分析

1、显微组织分析

在试样经热处理后经微观显示观察发现，其组织形貌出现了不同的变化，这四种热处理工艺使用过后试样均为球化退火，终处理则各有不同。工艺1为普通的马氏体淬火+回火工艺，得到的组织为针状回火马氏体+碳化物+残留奥氏体；工艺2为完全下贝氏体转变工艺，得到的组织为下贝氏体+碳化物+少量残留奥氏体；工艺3为马氏体+贝氏体复合组织淬火工艺，得到的组织为回火马氏体+下贝氏体+碳化物+少量残留奥氏体；工艺4为贝氏体变温淬火工艺，得到的组织为下贝氏体+碳化物+残留奥氏体。实验钢淬回火和贝氏体等温淬火处理后的试样能够在高分辨率透射电镜下观察到的马氏体、贝氏体片和分布在上面的棒状碳化物。

淬回火处理后，弥散析出的棒状碳化物在片状马氏体内呈平行分布，贝氏体等温淬火处理后弥散析出的碳化物呈细片状或细粒状在铁素体基体上与轴向呈55°～60°角分布。下贝氏体铁素体的亚结构是缠结位错，未发现孪晶亚结构，因而与片状回火马氏体相比，有可能成为韧性较高的原因之一。

2、力学性能

下贝氏体的硬度低于马氏体的硬度，GCr15钢的硬度随着马氏体量的减少和贝氏体量的增加而降低。经过贝氏体变温淬火工艺处理后，其硬度与全下贝氏体处理工艺获得的硬度相当。下贝氏体、下贝氏体/马氏体复合组织的强度均高于回火马氏体，分析原因有：一方面，下贝氏体组织中碳化物为均匀弥散析出，而使贝氏体组织强化；另一方面，从热处理后的应力状态考虑，马氏体淬回火处理后，表面为拉应力，心部为压应力，这种应力分布不合理。而贝氏体处理后的工件表面为压应力，心部为拉应力，显然后者对提高强度有利；最后，对于下贝氏体/马氏体复合组织，先析出的下贝氏体分割了未转变的过冷奥氏体，细化奥氏体晶粒，从而使后面转变的马氏体细化，同时，由于马氏体比容比奥氏体大，过冷奥氏体在转变为马氏体的过程中，下贝氏体会受到马氏体膨胀的挤压而产生一定的形变强化。

3、残留奥氏体分析

为了对不同热处理工艺条件下残留奥氏体进行定量分析，本文在X射线衍射仪上进行了物相分析，在球化退火状态下，组织主要为珠光体基体上分布着球状碳化物，在XRD图谱上主要有珠光体（P）和碳化物（M3C）两种峰。工艺1处理后残留奥氏体（RA）量最多，达到12.5%，主要组织为回火马氏体+残留奥氏体+碳化物；工艺2处理后，残留奥氏体含量较少，为3.88%，组织主要为贝氏体+碳化物；工艺3处理后，残留奥氏体含量仅为3.50%；工艺4处理后，残留奥氏体含量为7.80%，室温组织主要为贝氏体+碳化物+残留奥氏体。

贝氏体处理短时化及尺寸稳定性通过对膨胀仪模拟的工艺2和工艺3温度-膨胀量曲线处理，可得贝氏体等温转变动力学曲线。可知，预先在较低温度下部分发生转变形成少量马氏体，可以加速随后在较高温度进行的贝氏体转变，这可能与预转变组织引起的应变促发形核有关，由于过冷奥氏体所受应变促发作用，加速了贝氏体中α相的形核，从而加速贝氏体转变有关，使其孕育期大为缩短。贝氏体变温处理在不影响性能的情况下，很明显也缩短了贝氏体转变时间。高碳铬轴承钢尺寸稳定性可分为热处理过程中稳定性和服役过程中的稳定性。一般热处理过程中稳定性可以由热处理前后尺寸变化量来衡量，而服役过程中稳定性往往由残留奥氏体量和残留奥氏体含碳量来表征。

结语：

依据实验数据可以得知在淬回火热处理后高碳铬轴承钢的组织结构会出现马氏体组织，经过贝氏体等温淬火处理后会的出现贝氏体组织，而这两种热处理工艺在结合使用后会生成两种组织结构的复合体。经由实验表明，在高碳铬轴承钢中可以应用的热处理工艺的其在实际中表现出的特点也有一定的区别，根据其表现性能来看，贝氏体组织性能具有更强的使用优势，高碳铬轴承钢综合性能有着明显的提升，主要表现在强度、耐磨性、韧性等方面。因此为了保证热处理工艺的使用性能，必须要对热处理工艺对高碳铬轴承钢组织及性能的影响进行全面的分析及掌控。

参考文献：

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