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轴承厂的轴承钢是如何控制残奥含量的?

高碳铬轴承钢制轴承零件经马氏体淬回火后,显微组织由马氏体、残留奥氏体及均匀分布的细小碳化物组成。GCr15钢制轴承零件中残留奥氏体含量一般为15%左右,而GCr15SiMn钢制轴承零件中残留奥氏体含量一般超过20%。残留奥氏体是亚稳定相,较高的残留奥氏体含量会导致工件在使用过程中尺寸发生变化、精度降低,极大地缩短轴承的使用寿命。


随着用户对产品质量的要求越来越高,很多轴承厂家不仅对组织硬度等指标严格要求,对其残留奥氏体含量也作出严格控制,国外轴承厂家对这方面要求尤为严格,一般要求残留奥氏体含量在3%以下。在处理尺寸较小、壁厚较薄的GCr15钢制轴承滚子时,冷处理或深冷处理基本上能够达到要求;但在处理GCr15SiMn钢制轴承滚子时却很难达到要求。为满足客户的要求,我们有必要开发一种更为有效的降低残留奥氏体含量的方法。


1.残留奥氏体产生的原因

轴承钢在淬火过程中,从Ms点温度开始奥氏体向马氏体转变,一直到Mf点温度以下奥氏体向马氏体转变完成,常用轴承钢的Mf点都在室温以下,但低于Mf点马氏体转变不会继续进行。奥氏体不会完全转变,会残留一部分奥氏体不发生转变。这是因为转变完成的马氏体会对周围的奥氏体的继续转变产生阻碍作用,马氏体在转变时发生体积膨胀,产生很大的压应力,使剩余的奥氏体在转变时,要克服压应力做功,这样就阻碍了残留奥氏体的进一步转变。


2.试验材料及工艺

试验材料为GCr15SiMn,规格φ30mm×30mm,其化学成分如表1所示。技术要求:硬度61~65HRC,残留奥氏体含量≤3%,其余要求按JB/T1255—2014执行。

表1 GCr15SiMn化学成分(质量分数)检测结果  (%)

C

Si

Mn

S

P

Cr

0.97

0.54

1.02

0.009

0.003

1.45

试验采用爱协林盐淬多用炉,淬火工艺采用820℃保温75min出炉盐浴淬火,盐浴温度为170℃,等温时间50min。随后采用不同的回火及冷处理温度进行处理,工艺曲线及具体工艺方案如附图及表2所示。

表2  热处理工艺

编号

淬火

回火及冷处理

1

   820℃保温70min,盐浴淬火,中速搅拌

170℃回火4h

2

200℃回火4h

3

220℃回火4h

4

240℃回火4h

5

-70℃冷处理1h170℃回火4h

6

-70℃冷处理2h170℃回火4h

7

-196℃冷处理1h170℃回火4h

8

-196℃冷处理2h170℃回火4h

9

-196℃冷处理1h200℃回火4h

10

-196℃冷处理1h220℃回火4h

3.结果及分析

(1)常规回火及二次高温回火

经淬火后采用170℃回火,并再次200℃、220℃及240℃分别回火,如表2中1~4号工艺。随后对组织、硬度及残留奥氏体含量进行检测,常规及二次高温回火后检测结果如表3所示。可以发现,经普通回火后,组织、硬度虽然能够满足技术要求,但是残留奥氏体含量达到了16%。而采用二次高温回火会明显减低残留奥氏体含量,随着温度提高,残留奥氏体含量逐渐减少,当回火温度提高到240℃时,残留奥氏体含量基本在0.9%以下。


据研究,高温回火能降低残留奥氏体含量的原因有两个:一方面高温度回火能够促进奥氏体中碳化物和合金元素的析出,从而提高马氏体转变的Mf点,从而促进残留奥氏体向马氏体的转变;另一方面高温回火会消除前期奥氏体向马氏体转变产生的应力,降低奥氏体向马氏体转变的阻碍作用。但采用高温回火会降低工件的硬度,从表3中可以发现,240℃回火时硬度会降低2HRC左右。

表3  常规及二次高温回火后检测结果

工艺编号

组织

表面硬度HRC

心部硬度HRC

残留奥氏体含量(%

1

M4级,T:无

63.1

62.3

16

2

M3级,T:无

62.6

61.5

6.3

3

M3级,T:无

61.8

60.5

3.8

4

M3级,T:无

61.3

60.2

0.9

(2)冷处理或深冷处理+常规回火

采用冷处理是利用冷冻箱把工件冷却到-70℃左右;或采用深冷处理,用液氮把工件冷却到-196℃左右,这样工件残留奥氏体会明显减少,深冷处理时效果尤为明显,关于这方面的研究很多。


采用5~8号工艺,检测结果如表4所示。用这种方法处理GCr15钢制工件时残留奥氏体含量基本能控制在3%以下,但是处理GCr15SiMn材料时,却很难满足要求,一般控制在4%~6%,硬度会提高2HRC。

表4  冷处理或深冷处理+常规回火检测结果

工艺编号

组织

表面硬度HRC

心部硬度HRC

残留奥氏体含量(%

5

M3级,T:无

64.5

63.0

5.8

6

M3级,T:无

64.1

63.4

5.5

7

M3级,T:无

64.1

63.7

4.3

8

M3级,T:无

64.4

63.3

3.7

(3)采用冷处理+高温回火

结合上述两种处理方式的优缺点,在保证残留奥氏体含量及硬度都能合格的前提下,采用冷处理+高温回火的方式控制残留奥氏体含量,具体工艺如表2中9号、10号工艺所示。检测结果如表5所示,可以发现,采用10号工艺能够控制残留奥氏体含量及硬度在技术指标范围内。

表5  冷处理或深冷处理+常规回火检测结果

工艺编号

组织

表面硬度HRC

心部硬度HRC

残留奥氏体含量(%

9

M3级,T:无

63

61.9

2.9

10

M3级,T:无

62.4

61.5

1.2

4.结语

采用冷处理+高温回火的方式,能够克服单独采用冷处理或高温回火降低残留奥氏体含量的缺点,在实现高硬度的前提下,保证残留奥氏体含量降低到3%以下。

作者:康风波、贾玉鑫,洛阳轴研科技股份有限公司

           孙伟,中浙高铁轴承有限公司

          何红玉,洛阳LYC轴承有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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