GCr15钢M-B复相组织的强韧性研究

张大伟，张新平，赵文胜，谢晓文，潘晓铭，陈旭光

(1.温州大学机电工程学院，浙江温州 325035；2.温州人本轴承有限公司，浙江温州 325011)

GCr15钢M-B复相组织的强韧性研究

张大伟1，张新平1，赵文胜2，谢晓文1，潘晓铭1，陈旭光2

(1.温州大学机电工程学院，浙江温州 325035；2.温州人本轴承有限公司，浙江温州 325011)

研究了连续淬火和等温淬火热处理工艺对GCr15轴承钢淬火组织、钢硬度、冲击韧性和抗拉强度的影响.结果表明，等温淬火工艺获得的M-B复相组织（马氏体-下贝氏体复相组织）比连续淬火获得的单一片状马氏体组织具有更好的强韧性能.在等温淬火工艺的加热和等温温度不变条件下，等温时间对M-B复相组织及强韧性能有较大影响.

GCr15钢；M-B复相组织；力学性能；等温淬火

国内大部分轴承用GCr15钢制造.GCr15钢采用常规淬火、回火热处理工艺处理，可获得以马氏体（M）为主+少量残余奥氏体和碳化物的组织.这种基本属于单相马氏体组织的轴承钢硬度高、脆性大，用来制造在恶劣环境下承受较大冲击载荷的部件如轧机轴承，往往会由于轴承内外圈开裂或挡边断裂而使轴承失效[1-2].研究表明，马氏体组织中含有适当数量的下贝氏体（B下），既能保证高碳铬轴承钢具有高的比例极限、屈服强度、抗弯强度，又可提高钢的塑韧性，增加耐磨性[3-4].本文选择 GCr15钢，主要研究贝氏体等温淬火工艺对其硬度、冲击韧性和抗拉强度的影响.

1 试验材料及方法

试样基材为GCr15轴承钢，其化学成分（Wt%）：1.0 C，1.49 Cr，0.31 Mn，0.26 Si，0.009 P，0.004 S.

选择4种热处理工艺进行试验.4种工艺的预处理均为球化退火，即800℃ × 5 h → 650℃出炉、空冷，终处理工艺分别为连续淬火（工艺1）、等温分级淬火（工艺2、工艺3）和贝氏体等温淬火（工艺4），预热处理和终处理加热均在箱式电阻炉中进行，终处理加热后淬入230℃的硝盐浴中等温不同时间，以获得不同的下贝氏体（B下）量.终热处理工艺条件如表1所示.淬火冷却介质采用N32机油.

在蔡司金相显微镜上观察试样的金相组织形貌.用 4%硝酸酒精溶液腐刻试样.冲击试样为55 mm × 10 mm × 10 mm的无缺口试样，试验设备为JB-300B型机械式半自动冲击试样机.拉伸试样为φ6 mm的标准短试样，试验在WEW-300型屏显式液压万能试验机上进行.每种条件下的冲击韧性和抗拉强度值取4个数据的平均值.硬度试验在HBRVU-187.5型布洛维氏硬度计上完成，每个硬度值取3次测量的平均值.

表1 GCr15钢淬火热处理工艺Table 1 Quenching Technologies of GCr15 Steel

2 试验结果及分析

2.1 组织分析

各试样经不同淬火工艺终热处理后的组织形貌如图1所示.由图1可见，无等温的连续淬火和低温回火的终处理组织为马氏体+残余奥氏体+碳化物的混合组织，如图1（a）所示.将钢870℃奥氏体化后，淬入230℃等温介质中，等温不同时间后，回火或空冷后得到的组织为马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+残余碳化物的混合组织.随等温时间的延长，GCr15钢中呈浅灰色的马氏体量逐渐减少，黑团状的下贝氏体量逐渐增多，灰白色的残留奥氏体以等温时间最短的工艺1的为最多.黑色针状的下贝氏体，其针较细长，随等温时间的延长，贝氏体针会逐渐粗化.在等温初期，下贝氏体长大速率较快，长大到一定程度将不再长大，这与贝氏体组织的形成过程有关.由于晶界能优先满足形核的能量条件，所以贝氏体铁素体晶核首先在过冷奥氏体晶界上形成，碳浓度差的存在，使得晶核逐渐长大，构成下贝氏体片，但由于体心立方晶格的铁素体比容较大，相变时会发生体积膨胀而阻碍贝氏体长大.此外，贝氏体转变量也不是随时间延长呈线性增加，开始时转变较快，后来渐慢，该过程是一个与等温转变时间有关的过程.有研究表明[5]，GCr15钢经860℃奥氏体化，在230℃下，等温30 min可得到约31.4% B下，等温60 min可得到约57% B下，等温90 min可得到约76% B下，要得到全B下组织需等温240 min.由于下贝氏体中的硬质碳化物粒子是定向分布于软性铁素体基体中，这使得下贝氏体的综合力学性能明显高于马氏体，所以马氏体组织钢中若含有不同数量的B下，一定会对钢的性能产生影响.

2.2 力学性能测试

2.2.1 硬度测试

4种热处理工艺处理的轴承钢试样的硬度、冲击韧性和抗拉强度等力学性能测试结果如表 2所示.硬度数据中，以连续淬火的工艺1试样的硬度值为最高，平均为61.9 HRC，以最长等温时间的工艺4试样的硬度值为最低，平均为58.8 HRC.硬度差别与它们的组织状态不同有关.连续淬火获得的主要是马氏体组织，等温淬火获得的是马氏体+下贝氏体混合组织.在等温淬火工艺中，随等温时间的延长，平均硬度值有所降低，这表明在相同加热温度条件下，试样的硬度取决于贝氏体等温时间，等温时间越长，组织中下贝氏体量越多，而下贝氏体的硬度又低于马氏体的硬度，这就使得有较长等温时间的组织的硬度值偏低.

图1 不同淬火工艺终处理试样的组织形貌(500x)Fig 1 Microstructure of Specimens Final-treated in Different Quenching Technologies (500x)

2.2.2 冲击韧性与抗拉强度测试

由表2可见，4种工艺条件处理试样的冲击韧性和抗拉强度值有所不同.连续淬火工艺处理试样的冲击韧性平均值最低，约15.8 J cm-2；4 h贝氏体等温淬火工艺处理试样的冲击韧性平均值最高，平均值为80.8 J cm-2，比连续淬火工艺的提高约4倍；0.5 h和1 h等温淬火工艺处理试样的冲击韧性值居中，也比连续淬火工艺的提高约55%.以上表明等温淬火贝氏体组织的冲击韧性明显好于连续淬火马氏体组织的冲击韧性.抗拉强度数据中，连续淬火工艺处理试样的平均值为1 501 MPa，等温处理的试样，随等温时间延长其强度平均值分别为1 633 MPa、1 750 MPa和1 787 MPa.综合来看，在硬度及强韧性上配合较好的是工艺3，在要求高韧性场合可考虑工艺4.连续淬火工艺处理试样的硬度值虽高，但其冲击韧性和抗拉强度值较低，这是因为连续淬回火工艺所得组织为片状马氏体，GCr15钢的高碳量使得马氏体中固溶了较多的碳，产生了很强的固溶强化效应，使其具有高硬度，这种高硬度的马氏体片中存在较多的显微裂纹，严重损害了它的韧性，使其强韧性在4种工艺中处于最低.等温处理工艺得到的M-B下复相组织表现出良好的强韧性能，其平均硬度值不及连续淬火工艺所得的单相马氏体组织的高，并随等温时间延长有降低趋势，但其强韧性能随等温时间延长会逐渐增强，这与它们的亚结构不同有关[6].下贝氏体的亚结构是高密度位错，不形成孪晶，其碳化物不沿原奥氏体晶界析出，而是在较软的铁素体内沿铁素体片的长轴呈约 60°角方位析出，这使软铁素体相得以强化；片状马氏体的亚结构是孪晶，碳过饱和产生的高硬度导致大量的显微裂纹产生，使其韧性下降.当承受载荷时，由于下贝氏体的塑性好于马氏体，可通过塑性变形来缓解裂纹尖端的应力集中，使单裂纹的路径缩短或裂纹扩展方向改变，从而增加裂纹穿越不同位向的下贝氏体和马氏体的扩展功，因此，由马氏体和抵抗裂纹扩展能力较强的下贝氏体所构成的混合组织，其韧性要比单一马氏体组织的好.复相组织强度的改善主要与细晶强化和形变强化有关[7]，先析出的下贝氏体分割了未转变的过冷奥氏体，使奥氏体晶粒细化并引起马氏体细化，使晶界增多、位错运动受阻，过冷奥氏体向马氏体转变过程中，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，两种因素综合作用的结果使得复相组织的抗拉强度比单相组织的高.

表2 不同淬火工艺试样的力学性能Table 2 Mechanical Properties of Specimens in Different Quenching Technologies

3 结 论

经等温淬火工艺处理的GCr15钢的强韧性比经连续淬火工艺处理的GCr15钢更好.本试验条件下，GCr15钢经800℃ × 5 h球化退火+ 870℃ × 15 min加热+ 230℃ × 1 h等温+ 180℃ × 2 h回火的热处理可获得较好的强韧性配合.

在等温淬火的加热及等温温度不变条件下，等温时间是控制马氏体-下贝氏体相对含量的主要因素，也是影响GCr15钢强韧性能的主要因素.马氏体与抵抗裂纹扩展能力较强的下贝氏体构成的复相组织，其强韧性能优于单一的片状马氏体组织.

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Study on Strength-toughness of GCr15 Steel with M-B Duplex Structure

ZHANG Dawei1, ZHANG Xinping1, ZHAO Wensheng2, XIE Xiaowen1, PAN Xiaoming1, CHEN Xuguang2
(1. School of Mechatronics Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035; 2. Wenzhou C & U Bearing Co., Ltd, Wenzhou, China 325011)

The effect of direct and isothermal quenching technologies on quenched structure, hardness, impact toughness and tensile strength of GCr15 bearing steel was investigated in this paper. The results showed that the impact toughness and tensile strength of M-B duplex structure (Martensite-bainite duplex structure) obtained by isothermal quenching technology are better than that of single martensite structure by direct quenching; and under the condition of keeping the same heating and isothermal temperature for isothermal quenching, the isothermal time has greater influence on the impact toughness and tensile strength of M-B duplex structure of GCr15 steel.

GCr15 Steel; M-B Duplex Structure; Mechanical Property; Isothermal Quenching

(编辑：王一芳)

TG142.1

A

1674-3563(2011)01-0032-05

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.01.005 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

2010-09-04

温州市科技计划项目(G20100112)

张大伟(1954- )，男，黑龙江大庆人，教授，博士，研究方向：金属热处理，激光表面改性