第一、二、三代轴承钢及其热处理技术的研究进展(十九)

朱祖昌，杨弋涛，朱闻炜

(1.上海工程技术大学，上海 201620； 2.上海大学，上海 200072；3.上海轨道交通检测认证(集团)有限公司，上海 200434)

5.1.6冷处理的安排

(1)冷处理的温度

冷处理温度主要根据钢的马氏体转变终止点(Mf)、淬火组织中残余奥氏体含量、冷处理对力学性能的影响、零件的技术要求和形状复杂情况而定。GCr15钢在加热到正常淬火温度后连续冷却到低温时，马氏体转变终止点(Mf)在-70 ℃左右。低于Mf的冷处理，对减少残余奥氏体的效果并不显著。GCr15、GCr15SiMn钢的冷处理温度对残余奥氏体含量的影响见图138。

GCr15钢所采用的冷处理温度：一般精密品多在-20 ℃冷冻室内处理；高精品(p2，p4级)产品零件采用-78 ℃(干冰酒精)或低温箱等其他冷处理方法。此种钢如采用-183 ℃和-195 ℃冷处理与-80 ℃相比，不仅不能显著减少，还会加大零件内应力，会引起超显微裂纹，从而降低疲劳寿命和冲击韧性，因而很少采用。如GCr15钢在-78 ℃时的残余奥氏体的量为7%，在-196 ℃时大约为5%。

(2)冷处理的保温时间

仅从马氏体相变来看，奥氏体转变是冷至Ms～Mf温度范围内完成的。由于装入量不同，在生产上冷处理保温时间通常规定为1～1.5 h。但应指出，深冷处理并不能使残余奥氏体全部转变(图138)。

1-GCr15钢，850 ℃淬火；2-GCr15SiMn钢，830 ℃淬火图138 GCr15和GCr15SiMn钢冷处理温度对残留奥氏体含量的影响Fig.138 The affect of cold heat-treatment temperature on the content of retained austenite in the GCr15 and GCr15SiMn steel

(3)冷处理的方法

淬冷后到冷处理之间的停留时间不宜过长。生产中零件淬冷到室温后，立即在低温箱或干冰酒精中进行冷处理。从淬冷后到冷处理之间停留时间越短，冷处理的效果越好；停留时间过久，易出现残余奥氏体的陈化稳定，降低冷处理效果。对形状复杂的零件淬冷到室温后立即进行冷处理会产生开裂。因此，对这种零件在淬火和冷到室温后，可先进行110～130 ℃保温30～40 min预回火。然后再进行冷处理，但回火会使残余奥氏体陈化稳定。冷处理后零件应放在空气中恢复到室温后立即进行回火，否则会导致零件开裂。一般从深冷处理后至回火的停留时间不应超过4 h。

对一些零件的尺寸稳定性有特殊要求时，可采用多次冷处理与活化相结合的工艺，即在第一次冷处理后，待零件温度恢复到室温，进行110～120 ℃加热保温1～2 h的活化处理，出炉后冷却到室温再进行第二次深冷处理。

5.1.7回火和回火规范

GCr15和GCr15SiMn轴承钢的淬火组织中存在马氏体和残留奥氏体两种亚稳定组织，具有会自发转变或诱发转变为稳定组织的趋势。同时，零件在淬火后处于高应力状态，在长时间存放或使用过程中，会容易发生变形而失去精度，甚至于产生开裂。

通过回火可以减少GCr15和GCr15SiMn钢中淬火残余奥氏体Aγ量(见图139、图140)。GCr15钢在850 ℃淬火时Aγ约为12%，170 ℃回火4～8 h时降低为9%，在225 ℃回火时大约降低为0%。GCr15SiMn钢淬火后Aγ约为9%，170 ℃回火时降低为7.8%，在250 ℃回火时大约降低为0%。GCr15钢在150 ℃回火5～10 h后硬度为62 HRC，GCr15SiMn钢在150 ℃回火5～10 h后硬度为63 HRC，见图141；消除残留应力在100 ℃回火1～10 h时达到90±(2～3)%范围，见图142；GCr15钢的接触疲劳寿命在150 ℃开始出现下降，数值为230 h，回火温度在200 ℃时的数值为200 h，见图143。另外回火还影响GCr15钢的耐磨性，在840 ℃加热，150 ℃马氏体分级淬火，-78 ℃×2 h冷处理，不同温度回火3 h后GCr15钢的耐磨性见图144，回火温度对GCr15钢力学性能的影响见图145，稳定组织、提高韧性和获得良好力学性能。

1-未冷处理15 ℃;2-冷处理-25 ℃×1 h;3-冷处理-78 ℃×1 h;4-冷处理-196 ℃×1 h(a)回火温度(保温8 h);(b)回火时间图139 回火温度和时间对GCr15钢(850 ℃淬火)残留奥氏体的影响(a)tempering temperature(holding time 8 h)；(b)tempering timeFig.139 The affect of tempering temperatures and tempering time on the content of retained austenite for GCr15 steel(850 ℃ quenched)

1-未冷处理15 ℃;2-冷处理-25 ℃×1 h;3-冷处理-78 ℃×1 h;4-冷处理-196 ℃×1 h(a)回火温度(保温8 h);(b)回火时间图140 回火温度和时间对GCr15SiMn钢残留奥氏体的影响(a)tempering temperature(holding time 8 h)；(b)tempering timeFig.140 The affect of tempering temperatures and tempering time on the content of retained austenite for GCr15SiMn steel

(a)GCr15钢；(b)GCr15SiMn钢图141 回火温度和时间对GCr15、GCr15SiMn钢硬度的影响(a)GCr15 steel；(b)GCr15SiMn steelFig.141 The affect of tempering temperatures and tempering time on the hardness of GCr15 and GCr15SiMn steel

图142 回火温度和时间对GCr15钢应力消除程度的影响Fig.142 The affect of tempering temperatures and tempering time on the stress elimination degree of GCr15 steel

图143 回火温度对GCr15钢接触疲劳寿命的影响Fig.143 The affect of tempering temperatures on the contact-fatigue-life of GCr15 steel

铬轴承钢的回火工艺应该根据轴承的服役条件和技术要求确定。通常分为三种：①常规回火，一般轴承零件的回火；②稳定化回火，精密轴承零件的回火；③高温回火，一些航空轴承和特殊轴承零件的回火。为了保证轴承在使用条件下的尺寸、硬度和性能的稳定，回火温度应该比轴承的工作温度高50～100 ℃。一般的轴承使用温度在120 ℃以下，因此，常规回火采用180～200 ℃。对负荷比较轻，尺寸稳定性能要求高的轴承可采用200～250 ℃回火。在高温下工作的轴承，按使用温度可选用S0(200 ℃)、S1(250 ℃)、S2(300 ℃)或S3(400 ℃)。

图144 回火温度对GCr15钢耐磨性的影响Fig.144 The affect of tempering temperatures on the wear-resistance of GCr15 steel

图145 回火温度对GCr15钢力学性能的影响Fig.145 The affect of tempering temperatures on the mechanical properaties of GCr15 steel

回火时间按轴承零件尺寸大小和精度加以选择，一般轴承零件在热风循环空气电炉，油浴炉或硝浴炉中进行回火，采用保温3～5 h；如果在油浴炉或硝浴炉中进行回火，保温时间可以适当减少；大型和特大型轴承零件的回火时间，根据其尺寸和壁厚可选6～12 h。

一般轴承零件回火规范见表32。精密轴承零件回火均在油炉中进行，且回火时间可增加2～3 h。轴承零件高温回火规范见表33。

表32 轴承零件回火规范Table 32 The tempering specification of bearing parts

表33 轴承零件高温回火规范Table 33 The high temperature tempering specification of bearing parts

轴承零件回火后硬度要求见表34。高温回火零件的硬度要求见表35。高于300 ℃回火后零件的硬度按图样规定。

轴承零件回火后的显微组织、断口、脱碳、贫碳和畸变等均按淬火后技术要求。轴承零件的回火稳定性应小于1 HRC。钢球的压碎载荷不得低于表35的规定(可以见原手册p141)。

表34 轴承零件回火后的硬度要求Table 34 The hardness requirement after tempering of bearing parts

回火后质量检查除淬火、回火后的检查项目外，必须进行钢球压碎载荷和回火稳定性的检查。回火稳定性检查主要是检查回火是否充分，其方法是将已回火零件在原回火温度重新回火3 h，在原回火硬度测点附近复测，硬度下降不超过1 HRC为合格。钢球压碎载荷试验可按标准GB/T 308规定进行。

表35 高温回火的轴承零件硬度要求Table 35 The hardness requirement after high temperature tempering of bearing parts

(未完待续)