电机轴瓦材料时效处理工艺研究

杜 娟，郑吉伟，曲兆国，秦 斌

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨 150066)

0 引言

电机轴承为水润滑轴承，轴承瓦部件服役环境复杂，要求瓦部件用材料具有良好的耐腐蚀性能，高硬度，优良的耐磨性及良好的加工性能。轴承瓦材料的综合性能需求对现有不锈钢材料提出新的发展要求[1]。GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢为德标材料，具有良好的耐磨性及耐腐蚀性，其铸态硬度(约51 HRC)满足主泵电机轴承瓦部件的设计要求(≥45 HRC)，然而其低塑韧性导致铸件在加工过程中出现掉渣现象，严重影响该材料的使用。通过热处理改善该材料的韧性，以满足主泵电机轴承瓦部件用材料的综合要求是有望解决问题的途径。

本课题对GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢时效处理工艺进行探索，初步掌握时效处理工艺与微观组织、力学性能的对应关系，确定合理的热处理工艺，在满足使用性能的同时优化其加工性能，从而达到电机推力轴瓦用材料的要求。丰富该材料热处理及性能数据，为其合理应用提供数据参考。

1 试验材料及方法

1．1 试验材料

试验材料为真空感应炉冶炼并经二次精炼的GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢铸件，其硬度约为51 HRC，化学成分范围如表1所示。

表1 GX150CrNiMoCuN41-6-2化学成分 %

1．2 实验方法

将GX150CrNiMoCuN41-6-2不锈钢奥氏体化处理(1 150 ℃固溶保温2 h)后进行不同温度时效处理[2-5]，探索不同时效温度及保温时间下试样的硬度及微观组织，从而找到满足设计要求(硬度≥45 HRC)且具有一定韧性的时效工艺。

对固溶空冷试样进行不同的工艺时效处理，如表2所示。

表2 GX150CrNiMoCuN41-6-2时效处理工艺

续表2 GX150CrNiMoCuN41-6-2时效处理工艺

2 实验结果与分析

2．1 硬度

由图1(a)可以看出，时效2 h与时效3 h试样硬度均随时效温度的变化趋势相同。随着时效温度的升高，试样的硬度先降低后升高，最后相对平稳。600 ℃时效试样的硬度略低于550 ℃时效试样的硬度。由于奥氏体中碳化物析出量很少，而外部存在的碳化物粗化的结果。随着时效温度的增加，650 ℃时效试样的硬度远高于600 ℃时效试样的硬度，由41 HRC增大到53 HRC。由于奥氏体中碳化物大量析出且相对弥散分布，导致硬度大幅度提高。650～750 ℃试样的硬度增加不大，表明试样已经完全时效，奥氏体中碳化物已全部析出。

由图1(b)中不同温度下硬度数据可以看出，在610～630 ℃区间，随着时效温度的升高试样硬度变化不大。当时效温度为640 ℃时，硬度为42.6 HRC，有小幅提高，但远远没有达到图1所示的增幅(650 ℃时硬度为53.3 HRC)。在610～640 ℃时效处理的样品，其硬度均无法满足设计要求。

图1 不同时效工艺条件下试样硬度

综合图1结果做如下推测：由于该材料时效温度区间较窄，时效析出较快，主要在650 ℃左右。因此在610～640 ℃即使时效保温2 h，试样的硬度也没有较大幅度的提高。

由以上推测进行时效工艺调整，对GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢铸件进行1 150 ℃固溶保温2h后分别在650 ℃、660 ℃时效保温1 h。实验结果如表3所示。

表3 不同时效工艺试样硬度值

由表3探索数据可以看出，650 ℃时效1 h试样硬度比640 ℃时效2 h(图1(b))还高，650 ℃时效2 h与650 ℃时效1 h时材料硬度对比，可见650 ℃为碳化物大量析出的开始温度。660 ℃时效1 h试样硬度与650 ℃时效1 h试样硬度相同，表明时效温度提高10 ℃对碳化物析出速度影响不大。

ZJ-5和ZJ-6工艺硬度值与目标硬度值(45 HRC)非常相近，由此将GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢按照ZJ-5、ZJ-6或更高时效温度和更长时效保温时间处理即可得到满足设计要求(≥45 HRC)的样品。

2．2 显微组织

由于时效保温3 h和时效保温2 h试样硬度随时效温度变化相同，其显微组织结果相似，下面只对时效保温2 h试样的显微组织进行分析。

国内对GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物双相不锈钢铸件热处理工艺研究较少，资料匮乏，为建立该材料金相组织与热处理工艺之间的对应关系，对不同时效工艺下的样品进行金相组织观察，如图2所示。

(a) 550 ℃时效保温2 h

(b) 600 ℃时效保温2 h

(c) 650 ℃时效保温2 h

(d) 700 ℃时效保温2 h

(e) 750 ℃时效保温2 h

由图2(a)可以看出，过饱和奥氏体中颗粒状碳化物析出略微增多，并伴有微裂纹。灰白色常规奥氏体中没有碳化物析出，在常规奥氏体和铁素体内没有发现微裂纹。由图2(b)可以看出，过饱和奥氏体中颗粒状碳化物析出并没有显著增多，但过饱和奥氏体内部同样存在细碎微裂纹。常规奥氏体中也析出少量碳化物，在常规奥氏体和铁素体内没有发现微裂纹。由图2(c)、(d)可以看出，过饱和奥氏体中碳化物大量析出，已经看不见有微裂纹。常规奥氏体中碳化物也大量析出，由灰白色变为黑色。金相组织中只有铁素体呈白色。

由图2(e)可以看出，奥氏体中碳化物细小且弥散分布，碳化物分布更加均匀，没有发现微裂纹。由于时效温度较高(接近奥氏体转变温度)，奥氏体溶碳量增加，析出的碳化物量较少、细小弥散，部分不规则白色铁素体正逐渐溶解在周围的奥氏体中。

总体来看，650 ℃、700 ℃时效后，碳化物析出量最多，硬度也最高。从图2(a)、(b)显微组织中可以看出，过饱和奥氏体中存在微裂纹，该组织条件下材料冲击性能不会有所提高。

2．3 冲击性能

550 ℃、600 ℃时效2h后试样显微组织有微裂纹，而650 ℃时效2 h后试样显微组织由于碳化物的析出看不见微裂纹。为探索GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢综合应用性能，对ZJ-5工艺条件下试样进行显微组织观察和夏比V型室温冲击性能检测，冲击试验结果如表4所示。

表4 冲击性能

由表4结果看出，该材料硬度为44 HRC时，其冲击功为3 J，韧性很差。由此，硬度为44 HRC的GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢的韧性并没有提高。

3 结论

通过对电机轴瓦材料GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物双相不锈钢热处理工艺及应用性能的研究，总结如下结论：

(1) 在固溶温度为1 150 ℃，空冷后保温2h的条件下，当时效温度为650 ℃时，GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢中碳化物开始大量析出，硬度显著提高。即650 ℃为GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物不锈钢碳化物大量析出开始温度点。

(2) 在固溶温度为1 150 ℃，空冷后保温2 h的条件下，随着时效温度从550 ℃升高到750 ℃时，试样的硬度呈先下降后上升的趋势。当时效温度为650 ℃，时效保温1 h时，获得硬度为44 HRC，材料夏比V型冲击功为3 J。

(3) 1 150 ℃固溶保温2 h，空冷后650 ℃时效1 h即为推力轴瓦GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物双相不锈钢铸件固溶时效处理的临界工艺参数。

初步探索了GX150CrNiMoCuN41-6-2高铬碳化物双相不锈钢时效处理工艺、显微组织、力学性能。虽然找到满足硬度指标(≥45 HRC)的临界热处理工艺参数，但如何显著提高该材料的冲击性能的时效处理工艺有待进一步的研究。