張大偉，張新平，趙文勝，謝曉文，潘曉銘，陳旭光

(1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2.溫州人本軸承有限公司，浙江溫州 325011)

GCr15鋼M-B復(fù)相組織的強(qiáng)韌性研究

張大偉1，張新平1，趙文勝2，謝曉文1，潘曉銘1，陳旭光2

(1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325035；2.溫州人本軸承有限公司，浙江溫州 325011)

研究了連續(xù)淬火和等溫淬火熱處理工藝對(duì)GCr15軸承鋼淬火組織、鋼硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明，等溫淬火工藝獲得的M-B復(fù)相組織（馬氏體-下貝氏體復(fù)相組織）比連續(xù)淬火獲得的單一片狀馬氏體組織具有更好的強(qiáng)韌性能.在等溫淬火工藝的加熱和等溫溫度不變條件下，等溫時(shí)間對(duì)M-B復(fù)相組織及強(qiáng)韌性能有較大影響.

GCr15鋼；M-B復(fù)相組織；力學(xué)性能；等溫淬火

國內(nèi)大部分軸承用GCr15鋼制造.GCr15鋼采用常規(guī)淬火、回火熱處理工藝處理，可獲得以馬氏體（M）為主+少量殘余奧氏體和碳化物的組織.這種基本屬于單相馬氏體組織的軸承鋼硬度高、脆性大，用來制造在惡劣環(huán)境下承受較大沖擊載荷的部件如軋機(jī)軸承，往往會(huì)由于軸承內(nèi)外圈開裂或擋邊斷裂而使軸承失效[1-2].研究表明，馬氏體組織中含有適當(dāng)數(shù)量的下貝氏體（B下），既能保證高碳鉻軸承鋼具有高的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度，又可提高鋼的塑韌性，增加耐磨性[3-4].本文選擇 GCr15鋼，主要研究貝氏體等溫淬火工藝對(duì)其硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

試樣基材為GCr15軸承鋼，其化學(xué)成分（Wt%）：1.0 C，1.49 Cr，0.31 Mn，0.26 Si，0.009 P，0.004 S.

選擇4種熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn).4種工藝的預(yù)處理均為球化退火，即800℃ × 5 h → 650℃出爐、空冷，終處理工藝分別為連續(xù)淬火（工藝1）、等溫分級(jí)淬火（工藝2、工藝3）和貝氏體等溫淬火（工藝4），預(yù)熱處理和終處理加熱均在箱式電阻爐中進(jìn)行，終處理加熱后淬入230℃的硝鹽浴中等溫不同時(shí)間，以獲得不同的下貝氏體（B下）量.終熱處理工藝條件如表1所示.淬火冷卻介質(zhì)采用N32機(jī)油.

在蔡司金相顯微鏡上觀察試樣的金相組織形貌.用 4%硝酸酒精溶液腐刻試樣.沖擊試樣為55 mm × 10 mm × 10 mm的無缺口試樣，試驗(yàn)設(shè)備為JB-300B型機(jī)械式半自動(dòng)沖擊試樣機(jī).拉伸試樣為φ6 mm的標(biāo)準(zhǔn)短試樣，試驗(yàn)在WEW-300型屏顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.每種條件下的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度值取4個(gè)數(shù)據(jù)的平均值.硬度試驗(yàn)在HBRVU-187.5型布洛維氏硬度計(jì)上完成，每個(gè)硬度值取3次測量的平均值.

表1 GCr15鋼淬火熱處理工藝Table 1 Quenching Technologies of GCr15 Steel

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 組織分析

各試樣經(jīng)不同淬火工藝終熱處理后的組織形貌如圖1所示.由圖1可見，無等溫的連續(xù)淬火和低溫回火的終處理組織為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物的混合組織，如圖1（a）所示.將鋼870℃奧氏體化后，淬入230℃等溫介質(zhì)中，等溫不同時(shí)間后，回火或空冷后得到的組織為馬氏體+下貝氏體+殘余奧氏體+殘余碳化物的混合組織.隨等溫時(shí)間的延長，GCr15鋼中呈淺灰色的馬氏體量逐漸減少，黑團(tuán)狀的下貝氏體量逐漸增多，灰白色的殘留奧氏體以等溫時(shí)間最短的工藝1的為最多.黑色針狀的下貝氏體，其針較細(xì)長，隨等溫時(shí)間的延長，貝氏體針會(huì)逐漸粗化.在等溫初期，下貝氏體長大速率較快，長大到一定程度將不再長大，這與貝氏體組織的形成過程有關(guān).由于晶界能優(yōu)先滿足形核的能量條件，所以貝氏體鐵素體晶核首先在過冷奧氏體晶界上形成，碳濃度差的存在，使得晶核逐漸長大，構(gòu)成下貝氏體片，但由于體心立方晶格的鐵素體比容較大，相變時(shí)會(huì)發(fā)生體積膨脹而阻礙貝氏體長大.此外，貝氏體轉(zhuǎn)變量也不是隨時(shí)間延長呈線性增加，開始時(shí)轉(zhuǎn)變較快，后來漸慢，該過程是一個(gè)與等溫轉(zhuǎn)變時(shí)間有關(guān)的過程.有研究表明[5]，GCr15鋼經(jīng)860℃奧氏體化，在230℃下，等溫30 min可得到約31.4% B下，等溫60 min可得到約57% B下，等溫90 min可得到約76% B下，要得到全B下組織需等溫240 min.由于下貝氏體中的硬質(zhì)碳化物粒子是定向分布于軟性鐵素體基體中，這使得下貝氏體的綜合力學(xué)性能明顯高于馬氏體，所以馬氏體組織鋼中若含有不同數(shù)量的B下，一定會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生影響.

2.2 力學(xué)性能測試

2.2.1 硬度測試

4種熱處理工藝處理的軸承鋼試樣的硬度、沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能測試結(jié)果如表 2所示.硬度數(shù)據(jù)中，以連續(xù)淬火的工藝1試樣的硬度值為最高，平均為61.9 HRC，以最長等溫時(shí)間的工藝4試樣的硬度值為最低，平均為58.8 HRC.硬度差別與它們的組織狀態(tài)不同有關(guān).連續(xù)淬火獲得的主要是馬氏體組織，等溫淬火獲得的是馬氏體+下貝氏體混合組織.在等溫淬火工藝中，隨等溫時(shí)間的延長，平均硬度值有所降低，這表明在相同加熱溫度條件下，試樣的硬度取決于貝氏體等溫時(shí)間，等溫時(shí)間越長，組織中下貝氏體量越多，而下貝氏體的硬度又低于馬氏體的硬度，這就使得有較長等溫時(shí)間的組織的硬度值偏低.

圖1 不同淬火工藝終處理試樣的組織形貌(500x)Fig 1 Microstructure of Specimens Final-treated in Different Quenching Technologies (500x)

2.2.2 沖擊韌性與抗拉強(qiáng)度測試

由表2可見，4種工藝條件處理試樣的沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度值有所不同.連續(xù)淬火工藝處理試樣的沖擊韌性平均值最低，約15.8 J cm-2；4 h貝氏體等溫淬火工藝處理試樣的沖擊韌性平均值最高，平均值為80.8 J cm-2，比連續(xù)淬火工藝的提高約4倍；0.5 h和1 h等溫淬火工藝處理試樣的沖擊韌性值居中，也比連續(xù)淬火工藝的提高約55%.以上表明等溫淬火貝氏體組織的沖擊韌性明顯好于連續(xù)淬火馬氏體組織的沖擊韌性.抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)中，連續(xù)淬火工藝處理試樣的平均值為1 501 MPa，等溫處理的試樣，隨等溫時(shí)間延長其強(qiáng)度平均值分別為1 633 MPa、1 750 MPa和1 787 MPa.綜合來看，在硬度及強(qiáng)韌性上配合較好的是工藝3，在要求高韌性場合可考慮工藝4.連續(xù)淬火工藝處理試樣的硬度值雖高，但其沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度值較低，這是因?yàn)檫B續(xù)淬回火工藝所得組織為片狀馬氏體，GCr15鋼的高碳量使得馬氏體中固溶了較多的碳，產(chǎn)生了很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，使其具有高硬度，這種高硬度的馬氏體片中存在較多的顯微裂紋，嚴(yán)重?fù)p害了它的韌性，使其強(qiáng)韌性在4種工藝中處于最低.等溫處理工藝得到的M-B下復(fù)相組織表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性能，其平均硬度值不及連續(xù)淬火工藝所得的單相馬氏體組織的高，并隨等溫時(shí)間延長有降低趨勢，但其強(qiáng)韌性能隨等溫時(shí)間延長會(huì)逐漸增強(qiáng)，這與它們的亞結(jié)構(gòu)不同有關(guān)[6].下貝氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度位錯(cuò)，不形成孿晶，其碳化物不沿原奧氏體晶界析出，而是在較軟的鐵素體內(nèi)沿鐵素體片的長軸呈約 60°角方位析出，這使軟鐵素體相得以強(qiáng)化；片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是孿晶，碳過飽和產(chǎn)生的高硬度導(dǎo)致大量的顯微裂紋產(chǎn)生，使其韌性下降.當(dāng)承受載荷時(shí)，由于下貝氏體的塑性好于馬氏體，可通過塑性變形來緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中，使單裂紋的路徑縮短或裂紋擴(kuò)展方向改變，從而增加裂紋穿越不同位向的下貝氏體和馬氏體的擴(kuò)展功，因此，由馬氏體和抵抗裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)的下貝氏體所構(gòu)成的混合組織，其韌性要比單一馬氏體組織的好.復(fù)相組織強(qiáng)度的改善主要與細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化有關(guān)[7]，先析出的下貝氏體分割了未轉(zhuǎn)變的過冷奧氏體，使奧氏體晶粒細(xì)化并引起馬氏體細(xì)化，使晶界增多、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，下貝氏體會(huì)受到馬氏體膨脹的擠壓而產(chǎn)生一定的形變強(qiáng)化，兩種因素綜合作用的結(jié)果使得復(fù)相組織的抗拉強(qiáng)度比單相組織的高.

表2 不同淬火工藝試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical Properties of Specimens in Different Quenching Technologies

3 結(jié) 論

經(jīng)等溫淬火工藝處理的GCr15鋼的強(qiáng)韌性比經(jīng)連續(xù)淬火工藝處理的GCr15鋼更好.本試驗(yàn)條件下，GCr15鋼經(jīng)800℃ × 5 h球化退火+ 870℃ × 15 min加熱+ 230℃ × 1 h等溫+ 180℃ × 2 h回火的熱處理可獲得較好的強(qiáng)韌性配合.

在等溫淬火的加熱及等溫溫度不變條件下，等溫時(shí)間是控制馬氏體-下貝氏體相對(duì)含量的主要因素，也是影響GCr15鋼強(qiáng)韌性能的主要因素.馬氏體與抵抗裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)的下貝氏體構(gòu)成的復(fù)相組織，其強(qiáng)韌性能優(yōu)于單一的片狀馬氏體組織.

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Study on Strength-toughness of GCr15 Steel with M-B Duplex Structure

ZHANG Dawei1, ZHANG Xinping1, ZHAO Wensheng2, XIE Xiaowen1, PAN Xiaoming1, CHEN Xuguang2
(1. School of Mechatronics Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035; 2. Wenzhou C & U Bearing Co., Ltd, Wenzhou, China 325011)

The effect of direct and isothermal quenching technologies on quenched structure, hardness, impact toughness and tensile strength of GCr15 bearing steel was investigated in this paper. The results showed that the impact toughness and tensile strength of M-B duplex structure (Martensite-bainite duplex structure) obtained by isothermal quenching technology are better than that of single martensite structure by direct quenching; and under the condition of keeping the same heating and isothermal temperature for isothermal quenching, the isothermal time has greater influence on the impact toughness and tensile strength of M-B duplex structure of GCr15 steel.

GCr15 Steel; M-B Duplex Structure; Mechanical Property; Isothermal Quenching

(編輯：王一芳)

TG142.1

A

1674-3563(2011)01-0032-05

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.01.005 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

2010-09-04

溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(G20100112)

張大偉(1954- )，男，黑龍江大慶人，教授，博士，研究方向：金屬熱處理，激光表面改性