渗氮预处理对GCr15轴承钢性能的影响

王浩,叶健熠,薛文方,王鑫,冯江

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039)

GCr15钢是一种合金含量少、性能优良、应用广泛的高碳铬轴承钢，常规淬回火后具有高而均匀的硬度和一定的冲击韧性。要提高其回火稳定性、表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗腐蚀能力，需对零件进行表面强化处理，如渗碳、渗氮、碳氮共渗等[1]。氮原子与碳原子的直径相近，都能以间隙固溶体的方式溶入α-Fe和γ-Fe，氮具有降低Ms点的作用，将钢件表层渗氮或碳氮共渗，可改善表层多种性能。钢件表层渗氮或碳氮共渗的热处理工艺方法可分为：1)低温(520～570 ℃)氨分解渗氮(一段式或二段式)→在保护气氛中正常奥氏体化淬火→回火；2)在奥氏体化温度碳氮共渗→淬回火。其中，GCr15钢碳氮共渗技术已应用于柴油机喷油嘴、空心圆柱滚子等零件，使其回火稳定性、耐磨性等得以提高[2-3]。但碳氮共渗温度一般在820～840 ℃，碳氮共渗时间较长，奥氏体晶粒易长大，淬火组织易偏粗。国内对低温氨分解渗氮作为GCr15钢表面预处理的研究相对较少。

现对GCr15轴承套圈进行表面渗氮预处理，研究了预渗氮处理后套圈的淬回火金相组织、表面硬度、硬度梯度和回火稳定性，并与未经渗氮处理的GCr15轴承套圈进行对比分析。

1 试验

选用材料为GCr15轴承钢的B7011C/01套圈作为试样。渗氮预处理采用一段式气体渗氮工艺：540 ℃×30 h，气氛为氨气。在RCWC9型保护气氛网带炉中加热淬火，在WD9-0.5型低温试验箱中冷处理，淬火和冷处理工艺见表1，然后分别在150，200，250，300 ℃下回火4 h。利用HR-150A型洛氏硬度计和HBV-30A型显微维氏硬度计分别测试表面硬度、渗氮硬化层硬度。

表1 热处理工艺

2 结果与分析

2.1 组织分析

图1、图2分别为渗氮预处理试样和未渗氮试样经淬火+150 ℃回火的100和500倍金相组织。由图1a、图2a、图2b可知，渗氮预处理后，轴承钢金相组织由3部分组成：1)白亮层：表层出现很薄的白亮氮化物层，深度约0.01 mm；2)渗氮硬化层(含过渡层)：根据金相观察，并结合硬度法测量，渗氮硬化层深度约为0.50 mm，渗氮层组织主要为碳/氮马氏体和残余奥氏体组成，渗氮硬化层中的碳/氮化物颗粒细小，均匀分布在基体上，与心部组织相比，碳/氮化物颗粒显著增多；3)心部：马氏体组织、均匀分布的细小碳化物颗粒和少量残余奥氏体。由图1b和图2c可知，未经渗氮预处理的轴承钢表面和心部均为正常马氏体组织，由隐针马氏体、亮白色点状碳化物以及少量残余奥氏体组成。

图1 淬火+150 ℃回火后的低倍金相组织(100×)

图2 淬火+150 ℃回火后的高倍金相组织(500×)

2.2 不同回火温度对硬化层硬度的影响

不同回火温度下的渗氮硬化层硬度如图3所示。由图可知，距表面距离一定时，硬化层硬度随回火温度的升高而降低；回火温度一定时，硬化层硬度随距表面距离的增加而降低。其中，经过150 ℃回火试样的硬化层硬度在距表面约0.50 mm以后趋于恒定；经过200 ，250 ，300 ℃回火的试样距表面0.9 mm后硬度趋于恒定，并且表面硬度比心部硬度高1～2 HRC。这是因为含碳氮马氏体具有较高的过饱和度，在回火过程中会析出更多的碳氮化物，从而提高基体硬度。随着回火温度的升高，碳氮化物可以继续析出，使基体硬度提高[4]。

2.3 抗回火稳定性

渗氮预处理和未渗氮的淬火套圈在不同温度下回火4 h后的表面硬度如图4所示。由图可知，2种试样的表面硬度均随回火温度的升高而降低，但在相同淬回火条件下，较低温度(150 ℃)回火后，氮预处理试样的表面硬度比未渗氮处理试样的表面硬度差约2 HRC，随回火温度升高硬度差值增大，故渗氮预处理可提高GCr15轴承钢的回火稳定性。这是由于表层富含大量氮元素，在淬火加热时固溶到奥氏体晶格中，淬火时再固溶到马氏体基体中形成含氮马氏体，对钢起到固溶强化作用。氮元素与合金元素之间的结合力大于碳，氮原子固溶到基体中可以增加其稳定性，从而延缓分解过程。同时，未溶及回火析出的细小氮化物弥散分布于马氏体基体上，起到弥散强化作用。

图4 不同回火温度下的表面硬度

渗氮硬化层的回火稳定性较高，因此轴承零件进行高温回火能够提高尺寸稳定性及心部韧性，也可以使马氏体中ε碳化物析出，降低马氏体内应力，有利于提高轴承套圈的使用寿命。

3 结论

1)GCr15轴承钢渗氮预处理后进行淬回火，可在表面形成约0.50 mm的硬化层。

2)GCr15轴承钢渗氮预处理后，表面硬度及回火稳定性提高，有利于提高轴承套圈的使用寿命。