不同原始组织对GCr15钢淬火组织及力学性能的影响

王贵槐

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

GCr15是一种合金含量较少的高碳铬轴承钢，可制作滚动轴承、冷冲模具、丝锥及柴油机的精密偶件等，是比较成熟的多用途钢种。GCr15钢经过淬火加低温回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。通常GCr15钢在淬火前进行球化退火预处理，其主要目的是获得铁素体基体上均匀分布着细小碳化物颗粒的组织，为淬火做好组织准备[1]。笔者对不同原始组织的GCr15钢进行了不同温度的淬火试验，通过试验发现原始组织主要是片状珠光体的GCr15钢，未经球化退火预处理，直接淬火后的组织以细板条马氏体为主加少量细针马氏体，残余奥氏体和少量未溶碳化物，回火后在保持较高强度、硬度的同时，还具有较高的断裂韧性。试验结果表明如果GCr15钢的原始组织中不存在网状组织时，可以直接淬火获得较高的综合机械性能。

1 试验内容及方法

1.1 试验用材料

试验所用材料为GCr15钢，其化学成分见表1，符合国标[2]。

表 1 试验用GCr15钢的化学成分

1.2 试验用GCr15钢的预先热处理

为了获得粒状珠光体和片状珠光体两种原始组织，试验用的GCr15钢为φ16的棒料，经过了如图1所示的预先热处理。

1.3 试样尺寸

经预先处理后的棒料，机加工成如图2所示的试样。

1.4 预先热处理后的试样组织

预先热处理后的试样经粗磨、细磨后进行机械抛光，用4%硝酸酒精腐蚀，其组织如图3所示。试样球化退火后组织为粒状珠光体，碳化物按GB/T 18254-2002评为2级，硬度HRB90.5；试样完全退火后组织为细片状珠光体加网状渗碳体，硬度HRC24.7。

通常认为粒状珠光体组织是淬火硬化前的最佳组织，它不易使奥氏体晶粒粗化，允许较宽的淬火温度范围，在淬火时具有最小的变形量和断裂敏感性，而且具有这种原始组织的钢经淬火后可得到较高的强度和韧性。经球化退火后的GCr15钢，其碳化物呈球状小颗粒均匀分布在铁素体基体上，在淬火和低温回火后，其接触疲劳强度，耐磨性和韧性都较高[3]。

图 1 GCr15钢φ 16棒料预先热处理工艺

图 2 试验试样

图 3 GCr15钢预先热处理后金相组织(×500)

1.5 试样的淬火试验工艺

GCr15钢的AC1=745℃，ACCM=900℃，淬火加热温度应在AC1～ACCM之间。试样淬火加热采用25KW的840℃盐浴炉(50%NaCl+50%BaCl2)，加热时间为4min[加热基数(1min)+加热系数(0.8min/mm)×材料厚度(3mm)]，奥氏体化后，迅速转入4KW的225℃盐浴等温炉(50%KNO3+50%NaNO2)等温2min后，迅速淬入10%NaCl水溶液中，如图4所示。

图 4 GCr15钢等温淬火工艺

2 试验结果及分析

一般认为GCr15钢粒状原始组织经840℃淬火后，奥氏体中溶解有约0.5～0.6%C，0.8%Cr，尚有7～9%未溶碳化物，淬火后的金相组织应为隐晶马氏体，碳化物和残余奥氏体所组成。也有的认为835～865℃温度下淬火，位错马氏体和孪晶马氏体混合存在，以位错马氏体为主[4]。本文试验结果与上述有所不同，如表2所示。

表 2 不同原始组织及奥氏体化温度的GCr15钢淬火组织

2.1 不同原始组织的GCr15钢840 ℃奥氏体化淬火组织

840 ℃奥氏体化后，粒状原始组织淬火后的组织为隐针马氏体，细针马氏体，碳化物和残余奥氏体组成。随着加热时间的延长，奥氏体晶粒长大，细针马氏体和残余奥氏体增多，隐针马氏体和未溶碳化物减少，如图5所示。

图 5 粒状原始组织的GCr15钢840 ℃淬火后金相组织(×500)

840 ℃奥氏体化后，片状原始组织淬火后的组织为细板条马氏体为主加少量细针马氏体，残余奥氏体和少量未溶碳化物组成。随着加热时间的延长，奥氏体晶粒粗大些，组织结构和相对量变化较少，如图6所示。

图 6 片状原始组织的GCr15钢840 ℃淬火后金相组织(×500)

2.2 不同原始组织的GCr15钢1050 ℃以上奥氏体化淬火组织

若将GCr15钢的奥氏体化温度升高到1050℃以上淬火，原始组织和加热时间对淬火后的金相组织影响不大。粒状、片状原始组织的GCr15钢淬火组织都是由板条马氏体为主加少量针状马氏体，残余奥氏体构成，如图7所示。

图 7 GCr15钢1230 ℃淬火后金相组织(×500)

2.3 不同原始组织的GCr15钢840℃奥氏体化淬火，低温回火组织

为了进一步了解淬火后的组织，对粒状、片状原始组织840℃淬火后的GCr15钢进行了170℃的回火，回火后的金相组织如图8所示。

对回火后的组织做透视电镜观察，粒状原始组织淬火马氏体为针状，其亚结构是孪晶；片状原始组织淬火马氏体主要为板条状和少量针状，板条马氏体的亚结构为高密度缠结位错，并有少量微孪晶条纹，如图9所示。

2.4 不同原始组织，不同奥氏体化温度对马氏体形态的影响

粒状原始组织的GCr15钢在840℃奥氏体化时，粒状原始组织中的部分碳化物溶解，晶粒长大，是富碳区，淬火得到针状马氏体。由于针状马氏体形成温度较低，未回火，经4%HNO3酒精腐蚀后呈灰色。碳化物溶解少的贫碳区，形成隐晶马氏体，形成温度较高，被回火，经4%HNO3酒精腐蚀后呈黑色，如图8所示。

图 8 GCr15钢840℃淬火170℃回火后金相组织(×500)

图 9 GCr15钢840 ℃淬火170℃回火后的精细结构(×50000)

片状原始组织的GCr15钢在840℃奥氏体化时，由于片状原始组织中碳化物分散度较粒状原始组织的要大，渗碳体较薄，相界面较大，易于溶解，故在相同的加热时间中，片状原始组织转变成的奥氏体中含碳量较多，淬火后的组织以板条马氏体为主加少量针状马氏体，如图9所示。

片状原始组织的GCr15钢在840℃加热淬火得到板条马氏体，其原因，徐祖耀认为，可能是去除第二相及晶界析出物，以及晶粒粗大使滑移的临界应力降低的结果[5]。在840℃奥氏体化过程中，片状原始组织较粒状原始组织碳化物溶解较多，但奥氏体含碳量并不比粒状原始组织的奥氏体含碳量高许多，片状原始组织的奥氏体晶粒又粗大些，晶界上析出物少，降低了滑移的临界分切应力，使淬火后得到具有方向，排列成条的马氏体。由于该板条马氏体含碳量相对较高，故板条界模糊。

GCr15钢在1050～1230℃奥氏体化时，奥氏体晶粒粗大，原始组织中的碳化物基本上都溶入奥氏体中，奥氏体晶粒粗大，晶界减少，晶体缺陷减少。因此原始组织和加热时间对淬火后的金相组织影响不大，淬火组织都是由板条马氏体为主加少量针状马氏体，残余奥氏体构成。

2.5 不同原始组织的GCr15钢淬火低温回火后的断裂韧性

因为位错的塞积和位错的缠结的障碍作用，使位错运动受阻，强度提高。由于裂纹不是在板条马氏体中沿板条界直线扩展，而是横切板条束，这样路径曲折，行程较长，裂纹扩展需要较高的能量，即板条马氏体有阻碍裂纹扩展的作用[5]。此外，板条马氏体的高密度位错分布不均匀，存在低密度区，为位错提供了活动的余地，减少了应力集中[6]。因此板条状马氏体的断裂韧性高于针状马氏体的断裂韧性。

对两种不同原始组织的GCr15钢经淬火低温回火后测试KIC值，结果如表3所示。

表 3 断裂韧性试验记录

测试结果显示，840℃淬火，170℃回火处理后，GCr15钢在相同硬度的情况下，片状原始组织的断裂韧性要高于粒状原始组织的，也间接证明了片状原始组织淬火马氏体以板条状为主，其亚结构为高密度缠结位错及少量微孪晶。

2.6 试验结果的应用

制造滚动轴承的套圈和滚动体的最佳钢种是高碳铬轴承钢，而GCr15钢占滚动轴承用量的90%以上[1]。轴承套圈加工过程为：棒料→锻压毛坯→正火→球化退火→车削加工→淬火、回火→粗磨(附加回火)→细磨[1]，其预备热处理为正火和球化退火，正火的目的为消除和改善网状碳化物，细化和均匀化组织。GCr15钢的正火、一般球化退火、快速球化退火[1]等工艺如图10所示，球化退火工艺加热保温时间较长。

图 10 GCr15钢轴承套圈预先热处理工艺

试验发现原始组织主要是片状珠光体的GCr15钢，未经球化退火预处理，直接淬火后的组织以细板条马氏体为主加少量细针马氏体，残余奥氏体和少量未溶碳化物，回火后在保持较高强度、硬度的同时，还具有较高的断裂韧性。试验结果表明用GCr15钢制造轴承套圈，其加工过程可以简化为：棒料→锻压毛坯→正火→车削加工→淬火、回火→粗磨(附加回火)→细磨。

3 结论

(1)片状原始组织的GCr15钢840℃淬火后的组织由大量板条马氏体，少量细针马氏体，未溶碳化物和残余奥氏体组成，板条马氏体的亚结构主要为位错，并有少量微孪晶条痕，低温回火后的KIC值较高。

(2)当GCr15钢的原始组织中不存在网状渗碳体组织时，其热处理工艺中可取消通常的预先球化退火工艺，直接淬火，简化生产过程，降低生产成本。

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[1]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册(第二卷)[M].北京： 机械工业出版社， 2008：120-127.

[2]GB/T18254-2002，高碳铬轴承钢[S].2002.

[3]杨凌华，李冰伦.GCr15模具钢热处理工艺分析[J].模具制造,2001(2)：47-49.

[4]谢学智.高碳铬轴承钢马氏体的形态和亚结构[J].理化检验(物理分册),1983(1)：11-15.

[5]徐祖耀.马氏体相变与马氏体[M].北京：科学出版社，1980：121-122.

[6]贡海.板条马氏体研究的新进展[J].金属热处理,1982(3)：1-13.