淬火温度对大尺寸GCr15SiMn钢球组织及硬度的影响

徐晗升,杨晨星,李怡蓁,王 超,崔广发,史亚妮

(1.洛阳LYC轴承有限公司,河南 洛阳 471039;2.航空精密轴承国家重点实验室,河南 洛阳 471039;3.河南省高端轴承产业研究院,河南 洛阳 471039;4.河南省轴承技术创新中心,河南 洛阳 471039)

GCr15SiMn钢是在GCr15钢的基础上增加Si 和Mn的一种高碳铬轴承钢,具有更好的淬透性和淬硬性[1-2]。淬火温度和冷却方式是影响淬透性的最主要因素[3-4]。王珂等[5]研究发现直径为40～50 mm的GCr15钢球在适当的淬火液即浓度范围内可以消除淬火软点。燕一笑等[6]研究发现无机高分子水溶性淬火液对GCr15SiMn钢淬回火后的硬度和金相组织可达到标准JB/T 1255—2014要求,现行的高碳铬轴承钢标准中淬透性最大的是GCr15SiMn 钢[7]。王云广等[8]对直径为76.2 mm的GCr15SiMn钢球的水剂淬火工艺进行研究,其心部硬度≥55 HRC,淬回火后的金相组织符合标准JB /T 1255—2014要求。

大尺寸GCr15SiMn钢球热处理的难点在于心部屈氏体的含量,而残留奥氏体的含量对精密钢球的尺寸稳定性有着决定性的影响[9-10]。本文研究不同淬火温度对直径为85 mm的GCr15SiMn钢球的组织特征和硬度的影响,为大尺寸钢球的淬火工艺提供实验依据。

1 试验材料与方法

试验材料为直径85 mm的GCr15SiMn退火态钢球,其化学成分见表1,硬度为211 HBW,退火组织为均匀的细粒珠光体,如图1所示。

图1 GCr15SiMn钢球退火态组织Fig.1 Annealed microstructure of GCr15SiMn steel ball

表1 GCr15SiMn钢的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of GCr15SiMn steel(mass fraction,%)

GCr15SiMn钢球分别在825、830、835和840 ℃温度下淬火保温1 h后,采用特殊冷却液冷却,随后在170 ℃回火保温4 h,空冷。淬、回火试样经研磨抛光后,采用4%硝酸酒精腐蚀,并利用金相显微镜和洛氏硬度计进行组织观察和硬度测试。

2 试验结果与分析

2.1 组织特性及分析

GCr15SiMn钢球在不同温度淬火、回火后的金相组织如图2、3所示。经825 ℃淬火、回火后,试样边部和心部的板条马氏体组织较为细小,马氏体板条上分布大量均匀的碳化物,见图2(a)和2(e);试样心部有大量块状屈氏体和针状屈氏体组织,边部有少量针状屈氏体组织,见图3(a)和3(e),按照标准JB/T 1255—2014评级:针状屈氏体2级,块状屈氏体1级。经830 ℃淬火、回火后,试样边部和心部的板条马氏体组织略微增大,碳化物含量减小,见图2(b)和2(f);试样心部为大量针状屈氏体,针状屈氏体2级,块状屈氏体<1级,见图3(b)和3(f);经835 ℃和840 ℃淬火、回火后,试样边部和心部的板条马氏体粗化,碳化物含量继续减少,见图2(c)、2(d)、2(g)和2(h);试样心部仅有少量针状屈氏体,针状和块状屈氏体均<1级,说明在该淬火温度下大部分奥氏体转化为马氏体,见图3(c)、3(d)、3(g)和3(h)。

(a)825 ℃淬火,心部;(b)830 ℃淬火,心部;(c)835 ℃淬火,心部;(d)840 ℃淬火,心部;(e)825 ℃淬火,边部;(f)830 ℃淬火,边部;(g)835 ℃淬火,边部;(h)840 ℃淬火,边部图3 不同淬火温度下试样屈氏体组织(a)quenched at 825 ℃, core; (b)quenched at 830 ℃, core; (c)quenched at 835 ℃, core; (d)quenched at 840 ℃, core;(e)quenched at 825 ℃, edge; (f)quenching at 830 ℃, edge; (g)quenched at 835 ℃, edge; (h)quenched at 840 ℃, edgeFig.3 Troostite structure of sample at different quenching temperatures

2.2 硬度分析

GCr15SiMn钢球经不同温度淬火、回火后硬度梯度如图4所示。由图4可知,经825 ℃淬火、回火后,试样边部硬度为60.1 HRC,心部硬度为56.2 HRC,降低了3.9 HRC,这是由于淬火温度偏低导致心部有大量针状屈氏体组织存在,淬硬层深度为22.9 mm。经830 ℃淬火、回火后,试样边部硬度为61.5 HRC,心部硬度为59.4 HRC,降低了2.1 HRC,整体硬度较825 ℃时增加了1.4 HRC以上。经835 ℃淬火、回火后,试样边部至心部的硬度与830 ℃相差不大。840 ℃淬火、回火后,试样边部硬度为63.4 HRC,较825 ℃时增加了3.3 HRC,这是由于马氏体组织粗化导致硬度增高;心部硬度为60.6 HRC。可以看出,830～840 ℃×1 h淬火+170 ℃×4 h回火热处理后,直径为85 mm的GCr15SiMn钢球可以完全淬透。

(a)硬度梯度;(b)边部与心部硬度图4 不同淬火温度下试样的硬度(a)hardness gradient;(b)edge and center hardnessFig.4 Hardness of samples at different quenching temperatures

2.3 残留奥氏体

通过Co靶X-射线衍射仪对GCr15SiMn钢球试样进行扫描,测角范围55°～115°,选取A(200)、A(211)、M(200)、A(220)和M(311)峰配对平均值,采用对比法进行残留奥氏体含量计算。不同温度淬火、170 ℃回火后,试样心部和边部残留奥氏体含量如图5所示。淬火温度由825 ℃升高至840 ℃时,边部残留奥氏体由11.42%增加至16.06%,心部残留奥氏体由13.49%增加至21.76%。这是由于在Acm线以上,碳化物中的C元素全部溶解到γ-Fe中,随淬火温度升高时,奥氏体中合金元素增多,导致奥氏体稳定性增加,析出碳化物减少,淬火后残留奥氏体含量增加;同时在一定范围内,淬火温度升高,板条马氏体粗化,硬度增加,这也解释了图2中碳化物减少和图4中硬度增加。

图5 试样的残留奥氏体含量Fig.5 Retained austenite content of the sample

图6为不同温度淬火、170 ℃回火后GCr15SiMn钢球的X射线衍射谱。835 ℃淬火温度下,试样边部A(200)、A(211)、M(200)、A(220)和M(311)向高角度方向偏移,根据布拉格公式

(a)心部;(b)边部图6 不同淬火温度下试样的X射线衍射图谱(a)center;(b)edgeFig.6 X-ray diffraction spectrum of samples at different quenching temperatures

可知,晶格常数a随θ角的增大而减小,马氏体晶格和奥氏体面晶格发生收缩,碳化物更容易析出。试样心部各峰值基本保持一致,影响碳化物含量的主要原因是淬火温度。

3 结论

1)经825 ℃×1 h淬火、170 ℃×4 h回火热处理后,GCr15SiMn钢球的心部组织为板条马氏体+碳化物+块状屈氏体+针状屈氏体,针状屈氏体2级,块状屈氏体1级,距表面距离大于22.9 mm时,洛氏硬度低于58 HRC;

2)经830～840 ℃×1 h淬火、170 ℃×4 h回火热处理后,GCr15SiMn钢球的心部组织为板条马氏体+碳化物+针状屈氏体,心部硬度大于59 HRC;

3)淬火温度由825 ℃升高至840 ℃时,GCr15SiMn钢球边部残留奥氏体由11.42%增加至16.06%,心部残留奥氏体由13.49%增加至21.76%;淬火温度在830～835 ℃范围内,其硬度、组织和残留奥氏体最稳定。