GCr15轴承钢双细化工艺研究

■ 王艳山，陈小超，尤蕾蕾，郝奥玄

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由于高档机械轴机床主轴轴承极其特殊的工作环境对轴承的尺寸稳定性、耐磨性、冲击韧度以及接触疲劳寿命等指标的要求特别高，按照轴承钢常规的热处理工艺根本无法满足其极高的要求，因此必须对高档机械轴机床主轴轴承的热处理工艺进行深入的研究，以达到大幅度提高其质量、寿命以及可靠性，并满足高档机械轴机床主轴轴承各项性能指标要求的目的。

轴承零件热处理后的晶粒度和碳化物是影响轴承性能与寿命的关键因素，金属学强韧化机制表明，轴承零件的晶粒度和碳化物的尺寸越细小，轴承的强度、韧性以及耐磨性等性能就越好。按照常规的轴承热处理工艺处理后，晶粒度和碳化物比较粗大，难以满足高档机械轴机床主轴轴承的使用要求。本研究拟采用对轴承钢“双细化”的热处理工艺，细化轴承钢的晶粒度和碳化物，大幅度地提高轴承钢的各项性能指标，充分挖掘轴承钢的材料潜质，在高档机械轴机床主轴轴承的热处理方面优化传统的热处理工艺，为我国高档数控机床主机的国产化提供高速精密轴承基础件，填补国内空白。

1. 工艺试验

充分考虑结合当下现行轴承钢制零件的热处理情况，本研究选材使用满足GB/T 18254—2016的球化退火态GCr15轴承钢，化学成分如表1所示，按照各性能测试标准尺寸要求加工的试样如图1所示，设计两种双细化热处理工艺进行碳化物尺寸和晶粒度的细化研究，具体工艺参数如表2所示。

图1 工艺试样

表1 球化退火态GCr15化学成分（质量分数） （%）

表2 热处理工艺

2. 性能检验

GCr15轴承钢制各性能测试标准试样经过表2所列出的热处理工艺处理后，对试样分别进行碳化物尺寸、晶粒度、金相组织、硬度、冲击、拉伸、耐磨性等性能进行检验。

（1）碳化物尺寸检验 采用线切割方法横向切断两工艺处理后试样各3个，经磨制后冷酸腐蚀试样截面，在扫描电镜下放大5000倍测量其碳化物尺寸，具体数据如表3所示。

两工艺处理后试样碳化物分布如图2、图3所示。

图2 工艺Ⅰ试样碳化物分布

图3 工艺Ⅱ试样碳化物分布

图4 工艺Ⅰ试样晶粒度图片

图5 工艺Ⅱ试样晶粒度图片

图6 工艺Ⅰ试样金相组织照片

图7 工艺Ⅱ试样金相组织照片

表3 碳化物颗粒尺寸

表4 晶粒度级别

（2）晶粒度测试 取两工艺处理后试样各3个，经苦味酸盐酸水溶液腐蚀后，在光学显微镜500倍下拍摄其金相照片。在图像分析软件中对照片采用人工截点法进行评级，具体晶粒度级别如表4所示。

两工艺处理后试样晶粒度图片如图4和图5所示。

（3）金相组织检验 将双细化热处理工艺处理后试样各取3个制成金相试样，经冷酸腐蚀后检验其截面金相组织，按照标准JB/T 1255—2014金相图谱进行评级，具体级别如表5所示，金相图片如图6、图7所示。

（4）硬度检验 在两工艺处理后各3个试样上检测洛氏硬度，每个试样检测3点，最终取平均值，检测结果如表6所示。

（5）冲击性能测试 对两工艺处理后各9根冲击试样进行冲击试验测试，冲击试样开U型缺口，冲击试验结果如表7所示。

（6）拉伸性能测试 对两工艺处理后各3根拉伸试样均进行拉伸试验测试，拉伸试验结果如表8所示。

（7）耐磨性测试 对两工艺处理后各3对摩擦副试样进行耐磨性测试，采用MMS-2A微机控制摩擦磨损试验机。试验条件为：试验载荷200N，转速200r/min，试验时间60min，干摩擦。检测结果如表9所示。

表5 金相组织级别

表6 硬度测试值 （HRC）

表7 冲击测试 （J）

表8 拉伸测试

表9 耐磨性测试

3. 分析与讨论

经两种工艺处理和性能测试结果不难看出，GCr15轴承钢经工艺Ⅰ处理，即840℃×40min油淬+170℃×2h回火，一次淬回火操作直接简单，获得常见的细小的3级回火马氏体和细小均匀的碳化物组织，并伴有少量屈氏体，碳化物尺寸达到0.93μm，平均晶粒度9.9级，洛氏硬度可达60.0HRC，冲击和拉伸及耐磨性均能达到常见指标，满足一般工程机械需要。

GCr15轴承钢加热时临界点温度Ac1为750～795℃，Accm为900℃，将GCr15轴承钢试样在840℃×40min油淬+170℃×2h回火之前增加860℃×25min油淬，即为工艺2处理。提高奥氏体化温度至860℃，让更多的碳化物溶解，在淬火后获得更加细小的马氏体和碳化物显微组织和更细小的晶粒，并提高淬火组织的基体浓度和均匀性，为最终的840℃×40min油淬+170℃×2h回火提供组织准备。碳化物的细化有利于晶粒细化和均匀性，晶粒细化又可双重提高钢的强度和塑韧性。经工艺Ⅱ处理后，获得更加细小的1级回火马氏体和更加细小的碳化物，晶粒得到进一步细化，基体更加均匀，碳化物尺寸达到0.33μm，平均晶粒度11.5级，在细晶强化和碳化物弥散强化的双重作用下，洛氏硬度提高 到61.8HRC，冲击和拉伸性能均大幅提高，耐磨性更是大幅改善，这种高强度、高硬度和优良的冲击、拉伸性能可满足复杂苛求环境工况条件下轴承的使用。

工艺Ⅱ操作简单，便于工业化应用推广，各项性能优异，有助于生产出能够满足要求的高速精密轴承基础件。

4. 结语

通过工艺研究试验和性能测试，工艺Ⅱ为一种最佳的GCr15轴承钢双细化热处理工艺，即：860℃×25min油淬+840℃×40min油淬+170℃×2h回火。

此工艺操作简单，经此工艺处理后，GCr15轴承钢的平均碳化物尺寸为0.33μm，平均晶粒度达到了11.5级，在冲击、拉伸试验中有性能优异，在耐磨性试验中磨损量最小。