高淬透性轴承钢等温淬火工艺研究

孙小东，王云广，王红伟，郝奥玄

(洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471000)

国内轴承行业生产大壁厚轴承套圈，广泛使用GCr15SiMn高碳铬轴承钢，该材料在制备大壁厚、超重载的轴承时很难保证淬硬层深度和表面硬度的要求。为了满足大壁厚轴承套圈的硬度和使用性能，国外轴承行业普遍采用比GCr15SiMn淬透性更高的轴承钢。轴承零件经下贝氏体等温淬火后获得与马氏体淬火相近的硬度和耐磨性，同时具备较高的冲击韧性、断裂韧性和屈服强度[1]。本文对GCr20SiMo高淬透性轴承钢进行热处理工艺研究，通过工艺试验，以期获得较优的等温淬火工艺参数，得到性能良好的贝氏体组织。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为高淬透性轴承钢GCr20SiMo，加工成尺寸大小为60 mm×40mm×40 mm(L×W×H)的试样进行工艺试验。采用ARL4460直读光谱仪对试样的化学成分进行检测，结果见表1。试样化学成分较普通高碳铬轴承钢含有较多的Si、Cr、Mo等元素。

表1 试样化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

高碳铬轴承钢采用等温淬火可以获得贝氏体组织，这种组织具有较高的使用寿命。加热温度的不同会影响钢的奥氏体化过程，随着温度的提高，钢中奥氏体晶粒不断长大，温度越高原子的扩散运动越易进行。而这种粗大奥氏体晶粒在淬火冷却后会得到同样粗大的晶粒转变产物[2]，一般在500倍光学显微镜中会呈现为粗大的贝氏体，这种组织既不符合技术标准的要求，也会直接影响轴承的使用性能。因此，为了获得相对较优的组织状态和材料性能，合理的等温淬火工艺参数非常重要。

1.2.1工艺参数选择

试样淬火加热温度分别选择860、865、875和885 ℃；等温温度为239 ℃。

采用盐浴炉对试样进行加热，将淬火试样放入炉内加热时，温度升至试验设计温度时，开始计算保温时间，保证试样的表面及心部能够完全达到试验设计需要的温度。

试样温度到达试验温度后，保温进行奥氏体组织转变，若保温时间不足会造成奥氏体组织转变不完全，保温时间过长，会使奥氏体晶粒粗大。

该钢种化学成分中含有碳化物形成元素Mo、Cr，它们形成的合金碳化物对奥氏体晶粒长大起到阻碍作用[3]。在加热过程中保证试样充分奥氏体化，采用如下公式[4]计算：

T=1.5×D×Kmin/mm

式中：T为试样的加热保温时间；D为试样的有效壁厚；K为装炉系数，由于试样尺寸小，K值取1。

计算得出保温时间：

T=1.5×40 mm×1 min/mm=60 min。

1.2.2工艺制定

试验工艺流程为：试样淬火加热保温→盐浴淬火→盐浴等温。试验工艺见图1。

图1 试验工艺Fig.1 The experiment process

淬火盐液及等温盐液组成为成分重量比1:1的NaNO2和 KNO3，试样盐浴淬火时，在盐浴中上、下运动，保证淬火冷却充分。

2 试验结果

2.1 硬度

采用HR-150洛氏硬度计分别对4组试样进行硬度检验，检验结果见表2，符合标准JB/T 1255—2014[7]的要求。

表2 试样硬度值(HRC)

2.2 显微组织

将等温淬火试样磨制成金相试样，在OLYMPUS GX51光学显微镜下观察显微组织。按JB/T 1255—2014标准中第二、第五级别图进行评定，显微组织见图2，金相检验结果见表3。由表3可知，860 ℃和865 ℃等温淬火温度下，试样中贝氏体组织<1级，合格；875 ℃和885 ℃等温淬火温度下，试样中贝氏体组织>1级，不合格。不同淬火工艺下，组织中均无屈氏体。

(a)860 ℃；(b) 865 ℃；(c) 875 ℃；(d) 885 ℃图2 不同等温淬火温度试样显微组织Fig.2 Microstructure of samples with different austempering temperatures

表3 试样金相组织

2.3 残余奥氏体

采用Empyrean X射线衍射仪对试样残余奥氏体进行检测，结果如表4所示，残余奥氏体含量在8.5%～12.5%之间。

表4 试样残余奥氏体含量(%)

3 结论

1)不同淬火加热温度下,试样的硬度均满足技术要求；

2) 不同淬火加热温度下,试样的残余奥氏体含量在8.5%～12.5%之间；

3) 淬火加热温度为860 ℃或865 ℃，盐浴等温温度为239 ℃时，试样的显微组织为细小贝氏体，组织合格；淬火加热温度为875 ℃或885 ℃，盐浴等温温度为239 ℃时，试样的显微组织为粗大贝氏体，组织不合格；

4)建议采用淬火加热温度为860 ℃或865 ℃，盐浴等温温度为239 ℃的等温淬火工艺进行生产。