机床轴承用新型合金钢的制备与性能研究

赵 辉，王红霞

ZHAO Hui, WANG Hong-xia

（郑州职业技术学院，郑州 450121）

0 引言

GCr15钢是一种合金元素含量较少、接触疲劳强度较高、尺寸稳定性和抗蚀性良好的高铬轴承钢，在滚珠轴承、机床滚珠丝杆、涡轮喷气发动机喷嘴、衬套、柱塞等有着广泛的应用。但是，随着工业技术的进步和机床轴承等产品性能要求的提高，原有的GCr15钢难以满足市场的需求，迫切需要开发新的合金钢。众所周知，合金化和制备方法是改善金属材料的两种有效途径。为此，本文以GCr15钢为基础，通过添加合金元素Nb、V和Y，并采用机械搅拌辅助熔炼法制备了机床轴承用新型合金钢，并对其显微组织、力学性能和耐磨损性能进行了测试与分析，为促进GCr15钢在机床轴承上的应用提供了新的途径。

1 试验材料与方法

1.1 试样材料

本试验以GCr15钢为基础，添加0.5wt.%Nb、0.4wt.%V和0.3wt.%Y，在ZAZ型感应熔炼炉中进行合金钢的制备，在合金钢熔炼和浇筑过程中，均进行机械振动辅助搅拌，机械振动频率为25Hz，试样的制备工艺流程，如图1所示。采用SPECTRO iQ II型X射线荧光光谱仪和和GC-508A型红外硫磷分析仪，对制备出的机床轴承用新型合金钢进行化学成分分析，分析结果如表1所示。

图1 新型合金钢的制备过程

表1 新型合金钢的化学成分（wt.%）

1.2 试验方法

试验制备的机床轴承用新型合金钢的显微组织采用XJL-03型金相显微镜和JSM6510型扫描电子显微镜进行观察；其力学性能采用LDS1000型高温拉伸试验机进行测试，测试温度分别为20oC、200oC和500oC，并用JSM6510型扫描电镜观察拉伸断口形貌；其耐磨损性能采用MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机进行测试，测试温度分别为20oC、200oC和500oC，测试过程中选用的主要参数为：磨损载荷100N、磨轮转速300r/min、摩擦磨损时间45min、相对滑动速度90mm/min，并以0.5%重铬酸钾水溶液作为冷却液。

2 试验结果及讨论

2.1 显微组织

本试验制备的机床轴承用新型合金钢的显微组织金相照片和SEM照片，分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，该新型合金钢的组织较为致密、无明显的孔洞等缺陷，晶粒较为细小、分布较为均匀。

图2 新型合金钢的显微组织金相照片

图3 新型合金钢的显微组织SEM照片

2.2 力学性能

商用GCr15钢与本试验制备的机床轴承用新型合金钢，分别在20oC、200oC和500oC的力学性能测试结果，如图4所示。从图4可以看出，不管是在20oC、200oC，还是在500oC测试环境下，与商用GCr15钢相比，本试验制备的机床轴承用新型合金钢的抗拉强度和屈服强度均明显提高，尤其是在200oC和500oC高温环境下，其提高幅度更为明显；也就是说在GCr15钢中添加合金元素Nb、V和Y，并采用机械搅拌辅助熔炼法制备的机床轴承用新型合金钢较商用GCr15钢具有更好的力学性能，尤其是高温力学性能。与商用GCr15钢比较，该新型合金钢的20oC抗拉强度从861MPa提高到969MPa、提高了12.5%，20oC屈服强度从518MPa提高到625MPa、提高了20.7%；200oC抗拉强度从702MPa提高到953MPa、提高了35.8%，200oC屈服强度从364MPa提高到614MPa、提高了68.7%；500oC抗拉强度从428MPa提高到882MPa、提高了106.1%，500oC屈服强度从189MPa提高到468MPa、提高了147.6%。图5是商用GCr15钢与本试验制备的机床轴承用新型合金钢在20oC拉伸的断口形貌SEM照片。从图5可以看出，上述两种钢的20oC拉伸断口均由较多的韧窝和少量的撕裂棱组成，呈现出较为明显的韧性断裂特征，但是与商用GCr15钢相比，本试验制备的机床轴承用新型合金钢的拉伸断口中韧窝更为细小、撕裂棱更少，表现为更好的拉伸性能。这与试样的抗拉强度测试结果一致。因此，我们可以认为本试验制备的机床轴承用新型合金钢的力学性能较商用GCr15钢得到了显著改善。这主要是因为两个方面的原因，1）是合金元素Nb、V和Y的共同作用，使该新型合金钢的显微组织得到了明显细化，合金中晶粒分布更为均匀，从而使得该新型合金钢具有更佳的力学性能；2）是由于在合金钢熔炼和浇注过程中采用了机械振动辅助搅拌技术，这使得合金钢在熔炼与浇注过程中，合金钢中各个组成部分得以在机械振动的带动下更为均匀的分布在基体中，从而进一步提高了该新型合金钢的力学性能。

图4 试样的力学性能测试结果

图5 试样20oC拉伸断口形貌SEM照片

2.3 耐磨损性能

商用GCr15钢与试验制备的机床轴承用新型合金钢分别在20oC、200oC和500oC进行摩擦磨损试验，实验结果，如图6所示。从图6可以看出，不管是在20oC、200oC，还是在500oC摩擦磨损，本试验制备的机床轴承用新型合金钢的磨损体积均较商用GCr15钢小，表现为更好的耐磨损性能。与商用GCr15钢相比，该新型合金钢的20oC磨损体积从74×10-3mm3减小至12×10-3mm3，减小了83.8%；200oC磨损体积从159×10-3mm3减小至28×10-3mm3，减小了82.4%；500oC磨损体积从241×10-3mm3减小至40×10-3mm3，减小了83.4%。图7是商用GCr15钢与本试验制备的机床轴承用新型合金钢摩擦磨损后的表面形貌SEM照片。从图7可以看出，商用GCr15钢在摩擦磨损后表面出现了较明显的磨削颗粒和脱落起皮，磨损现象较为严重；而本试验制备的机床轴承用新型合金钢在摩擦磨损后表面未有明显的磨削颗粒或脱落起皮，表面仅出现磨痕，磨损现象轻微。由此，我们可以认为该新型合金钢的耐磨损性能较商用GCr15钢而言得到了明显改善。这主要是归功于合金元素Nb、V和Y的添加，以及采用机械振动辅助搅拌的合金制备方法，使该新型合金钢的显微组织细化、晶粒分布更为均匀，因此得以显著改善商用GCr15钢的耐磨损性能。

图6 试样的耐磨损性能测试结果

图7 试样摩擦磨损后的表面形貌

3 结论

1）以GCr15钢为基础添加0.5wt.%Nb、0.4wt.%V和0.3wt.%Y，并在合金钢熔炼和浇注过程中采用机械振动辅助搅拌，可以制备出组织力学性能和耐磨损性能均较佳的机床轴承用新型合金钢。

2）与商用GCr15钢相比，机床轴承用新型合金钢的20oC抗拉强度从861MPa提高到969MPa、提高12.5%，20oC屈服强度从518MPa提高到625MPa、提高20.7%；200oC抗拉强度从702MPa提高到953MPa、提高35.8%，200oC屈服强度从364MPa提高到614MPa、提高68.7%；500oC抗拉强度从428MPa提高到882MPa、提高106.1%，500oC屈服强度从189MPa提高到468MPa、提高147.6%，合金钢的力学性能得到明显提高。

3）与商用GCr15钢相比，机床轴承用新型合金钢的20oC、200oC和500oC磨损体积分别减小83.8%、82.4%、83.4%，合金钢的耐磨损性能得到显著改善。

[1] 高超,李运刚,齐燕飞,等.微合金元素Sn、Nb、Re对无取向硅钢性能的影响[J].河北联合大学学报（自然科学版）,2013,35(3)∶27-30.

[2] Hou Chunkan, Liao Chunchi. Effect of cerium content on the magnetic properties of non-oriented electrical steels[J]. ISIJ International, 2008, 48(4)∶531-539.

[3] 光红兵,刘雅政,菅瑞雄,等.稀土对高牌号无取向电工钢表面纵条纹的影响[J].山西冶金,2009,32(6)∶4-6,69.

[4] 李亚波,袁凯杰,程晓农,等.D2冷作模具钢边部裂纹成因分析[J].热加工工艺,2011(23)∶217-218+221.

[5] 匡建新,汪新衡,刘安民,等.5CrNiMo钢大型热锻模复合强化工艺研究[J].热加工工艺,2011,40(6)∶187-189.