G95Cr18钢不同回火温度下的冲击韧度与断口形貌

李红涛，叶健熠，曾献智，王鑫

(1.空军驻洛阳地区军事代表室，河南 洛阳 471039；2.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

目前，G95Cr18或G102Cr18Mo高碳铬不锈轴承钢是制造耐腐蚀滚动轴承的主要材料，广泛用于制造航空航天、石油机械、化工机械、食品机械、船舶工业和某些仪器仪表的轴承，也用于制造高、低温下工作的轴承。轴承使用环境介质大多具有腐蚀作用，诸如海水、河水、硝酸及海洋性气候等。

G95Cr18钢制零件常用的热处理方式为马氏体淬回火，回火温度通常根据零件的工作温度、钢材的性能及其具体要求而确定。据文献[1]介绍，G95Cr18钢淬火后，经150～160 ℃回火，综合力学性能较好。但用该钢制造的零件有时会在高温下使用，且使用中还会受到一定的冲击载荷作用。文献[1]只给出了100，150和200 ℃回火温度下的冲击韧度，因此，有必要对该轴承钢在更高回火温度下的冲击性能进行研究。

下文对G95Cr18钢在不同回火温度下的冲击性能做了较详细的试验研究，并对其冲击断口的特征进行了观察与分析。

1 试样的加工及热处理

试验材料为按GB/T 3086—2008标准交货的φ45 mm规格的G95Cr18钢棒料，状态为退火磨光材。经检测分析，其退火组织为均匀的粒状珠光体+共晶碳化物，退火硬度为223～225 HBW，化学成分见表1，非金属夹杂物和共晶碳化物不均匀度见表2。

表1 试验材料化学成分 w,%

表2 非金属夹杂物和共晶碳化物不均匀度 级

由表2可知，试验材料化学成分、非金属夹杂物和共晶碳化物不均匀度等均符合标准要求。

把φ45 mm的G95Cr18钢退火棒料加工成10 mm×10 mm×55 mm的无缺口冲击试样，然后将其分成6组，每组数量为4～5个。

试样淬火在真空炉中进行，回火在箱式炉中进行，热处理工艺及流程为：850 ℃×45 min预热→1 070 ℃×35 min油淬→-78 ℃×1 h冷处理→不同回火温度×3 h回火(回火温度分别为150，200，250，300，350和400 ℃)，试样回火处理后的硬度见表3。

表3 试样回火处理后的硬度

由表3可知，G95Cr18钢在250～400 ℃回火，硬度值保持在54.0～55.5 HRC，表明该轴承钢具有良好的抗回火稳定性。

2 冲击韧度试验结果

冲击试验在PTM-2100型冲击试验机上进行，试验温度为常温。不同回火温度下的冲击韧度试验结果见表4。

表4 不同回火温度下试样的冲击韧度ak

由表4可知，G95Cr18钢在150～300 ℃回火，冲击韧度随回火温度的升高而增大，回火温度至300 ℃时，冲击韧度达到最大值。在350 ℃回火时，冲击韧度出现一个低值拐点，然后，随回火温度升高又呈上升趋势。

3 不同回火温度下的断口特征

分别选取冲断后的1-1#试样、4-4#试样和5-1#试样，观察其断口宏观形貌,结果如图1所示。

图1 冲击断口宏观形貌

3个试样的断口形貌特征基本为纤维区+放射区+剪切唇区，图2所示为断口示意图。

图2 断口示意图

仔细观察3个试样的断口，可以看出纤维区、放射区和剪切唇区所占断口的面积是不同的，经估算其结果为：(1)1-1#试样的纤维区+放射区的面积约占断口面积的50%，剪切唇区约占断口面积的50%；(2)4-4#试样的纤维区+放射区的面积约占断口面积的70%以上，剪切唇区占断口面积的比例接近30%；(3)5-1#试样的纤维区+放射区的面积约占断口面积的50%以上，剪切唇区占断口面积的比例接近50%。由此可见，相对面积的估算结果与其各自对应的冲击韧度值基本吻合(1-1#试样ak值为49.7 J/cm2；4-4#试样ak值为79.7 J/cm2；5-1#试样ak值为 55.3 J/cm2)。

4 结果分析

通常经淬火的钢在回火时，随着回火温度的升高，其硬度降低、韧性增加，但是在许多钢的回火温度与冲击韧度的关系曲线中会出现2个低谷，一个在200～350 ℃，另一个在450～650 ℃[2]。这种随着回火温度升高，冲击韧度反而降低的现象称为钢的回火脆性。前者称为第一类回火脆性，也叫低温回火脆性；后者称为第二类回火脆性，也叫高温回火脆性。因钢的含碳量和合金元素的含量不同，回火脆性温度区间也会有差异。文献[2]的研究认为，由于钢中的ε-FexC转变为θ-Fe3C或X-Fe5C2的温度与产生脆性的温度相近，故认为钢的第一类脆性是新生成的碳化物沿板条马氏体的板条、束的边界或在片状马氏体的孪晶带和晶界上析出，因而导致钢的韧性明显降低。继续升高回火温度，由于碳化物的聚集、长大和球化，改善了各类界面的脆化性质，因而又使钢的冲击韧度提高。试验中G95Cr18钢在350 ℃回火后的冲击韧度出现了最低值(除常规的150 ℃回火外)，故该轴承钢的第一类回火脆性温度在350 ℃左右。

5 结论

(1)G95Cr18钢在150～300 ℃回火时，冲击韧度随回火温度的升高不断增大，至300 ℃回火时，冲击韧度达到最大值。

(2)G95Cr18钢在350 ℃回火后冲击韧度最低(除常规的150 ℃回火外)，因此，该钢的第一类回火脆性温度在350 ℃左右。

(3)通过观察冲击断口可知，纤维区(含裂纹源区)+放射区在断口上所占面积的比例与相应回火温度下的冲击韧度值基本一致。