李 明 趙永橋 何 星 張恒華

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

帶狀碳化物對GCr15軸承鋼耐磨性能的影響

李 明 趙永橋 何 星 張恒華

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)試驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

GCr15軸承鋼在不同的熱處理?xiàng)l件下，分別獲得了1級、2級、3.5級三個級別的帶狀碳化物。采用MM- 200型環(huán)- 塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對三個級別的帶狀碳化物試樣進(jìn)行室溫下的干摩擦磨損試驗(yàn)，用失重法測量其耐磨性能、三維超景深顯微鏡測量磨痕寬度、掃描電鏡觀察磨損表面形貌。結(jié)果表明，GCr15軸承鋼的帶狀碳化物級別越低，耐磨性能越好。分析了磨損機(jī)制與帶狀級別之間的關(guān)系。

GCr15軸承鋼 帶狀碳化物 耐磨性能

軸承鋼通常用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈，要求有高而均勻的硬度和耐磨性，以及高的彈性極限。生產(chǎn)中對軸承鋼化學(xué)成分的均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分嚴(yán)格，是所有鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。粗大、多角狀及偏析碳化物對軸承的使用壽命非常有害，希望得到細(xì)小而均勻彌散分布的碳化物。此外，鋼中帶狀碳化物組織是鋼材內(nèi)部的一種缺陷，帶狀組織的存在使鋼的組織不均勻，并嚴(yán)重影響鋼材的性能[1- 2]。如果軸承鋼的耐磨性差，滾動軸承便會因磨損而過早地喪失精度或因旋轉(zhuǎn)精度下降而使軸承振動增加、壽命降低。因此，要求軸承鋼具有高的耐磨性[3]。本文以最常用的GCr15軸承鋼為研究對象，試驗(yàn)研究對比了不同帶狀碳化物級別GCr15鋼的耐磨性能，并分析了帶狀碳化物分布對軸承鋼性能的影響，以期為我國軸承尤其是高端軸承的研發(fā)提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣的制備

試驗(yàn)材料為市售退火態(tài)φ30 mm的GCr15軸承鋼棒材，其化學(xué)成分如表1所示。為了獲得級別較高的帶狀碳化物組織，首先對棒材進(jìn)行熱處理。通過系列試驗(yàn)，最終確定的奧氏體化溫度為850 ℃,保溫2 h，獲得的帶狀組織級別為3.5級的1號試樣；奧氏體化溫度為830 ℃,保溫2 h，獲得的帶狀組織級別為3級。再通過980 ℃正火+740 ℃/750 ℃球化退火[4- 6]對3級帶狀碳化物進(jìn)行改善，分別獲得帶狀組織級別為2級的2號試樣和1級的3號試樣。具體熱處理工藝過程如圖1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 GCr15軸承鋼的熱處理工藝過程

為了保證試樣硬度基本一致，將3組試樣同時進(jìn)行淬火、回火處理，具體工藝為845 ℃油淬、150 ℃×2 h回火。對淬火后的試樣取心部組織，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，用Nikon金相顯微鏡觀察其組織形態(tài)，并對帶狀組織進(jìn)行評級。采用線切割從淬、回火態(tài)的棒材中心切取尺寸為3 mm×7 mm×30 mm的摩擦磨損試樣，磨損表面經(jīng)磨床打磨。

1.2 試驗(yàn)方法

摩擦磨損試驗(yàn)在MM- 200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，圖2為試樣的接觸示意圖。對磨試樣為外徑40 mm、內(nèi)徑16 mm、厚度10 mm的淬、回火態(tài)GCr15軸承鋼圓環(huán)。為了便于機(jī)加工，采用中溫回火，表面硬度為50 HRC，粗糙度為0.613 μm。試驗(yàn)采用室溫干摩擦，試驗(yàn)力為100 N，時間為1、2、4 h；對磨環(huán)轉(zhuǎn)速為200 r/min，試樣上下運(yùn)動的頻率約為60次/min。利用TR200粗糙度測試儀測量試樣的表面粗糙度、洛氏硬度計(jì)測量硬度。試驗(yàn)開始前和結(jié)束后均采用丙酮超聲清洗試樣10 min并烘干，采用千分之一電子天平對試樣的磨損質(zhì)量進(jìn)行稱重，利用VHX- 600型三維超景深顯微鏡對試樣的磨痕寬度進(jìn)行測量，利用HITACHI SU- 1500鎢燈絲掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌，以此來評判磨損狀況，分析磨損機(jī)制。

圖2 環(huán)- 塊式接觸方式示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 帶狀碳化物組織的評級

通過不同的熱處理工藝，獲得了不同碳化物帶狀級別的GCr15軸承鋼，并根據(jù)GB/T 18254— 2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評級。在淬火態(tài)試樣的縱向上，依據(jù)100倍下觀察帶的黑白差、帶的條數(shù)及寬度和500倍下碳化物的大小、分布，綜合評定帶狀碳化物的級別。不同工藝熱處理后試樣的顯微組織如圖3所示。由于試樣的硬度及表面粗糙度均對耐磨性有很大影響，為了相對準(zhǔn)確地研究帶狀級別對耐磨性能的影響，固定試樣的硬度、表面粗糙度基本一致，實(shí)測結(jié)果如表2所示。帶狀碳化物區(qū)域由于富含金屬Cr等元素，其硬度比基體的硬度高出2～3 HRC，帶狀級別越高，差異越明顯。

2.2 磨損性能分析

3種不同級別帶狀組織試樣在正壓力為100 N下與對磨環(huán)進(jìn)行室溫干摩擦磨損試驗(yàn)，磨損試驗(yàn)按1、2、4 h測定磨損質(zhì)量。磨損量隨磨損時間的變化曲線如圖4所示，可以明顯地看出，隨著摩擦?xí)r間的增加，3種試樣的磨損量都呈現(xiàn)出遞增的趨勢。帶狀級別為3.5級的1號試樣隨著時間的延長，磨損最為嚴(yán)重，帶狀級別小于2級時，磨損量相對較小。圖5為光鏡下不同帶狀組織磨損形貌的宏觀比較，每張圖從上到下分別對應(yīng)1、2、4 h的磨痕寬度隨時間的變化。圖6是磨痕寬度隨時間的變化曲線圖，與磨損量表現(xiàn)出類似的變化趨勢。

圖3 不同工藝熱處理后不同級別帶狀碳化物的分布

表2 不同級別帶狀組織GCr15軸承鋼的洛氏 硬度及粗糙度

Table 2 Rockwell hardness and roughness of GCr15 bearing steel with different level banded carbides

帶狀組織的存在使鋼材的力學(xué)性能具有方向性，導(dǎo)致鋼的橫向塑性和韌性降低，采用此種材料加工的工件在服役過程中易沿著兩相的交界處開裂，縮短工件的使用壽命[7]。即帶狀級別越高，其磨損量和磨痕寬度也就越高，對應(yīng)的磨損性能越差，帶狀級別為2級以下時具有比較好的耐磨性能。在生產(chǎn)實(shí)踐中， 希望能夠完全消除帶狀碳化物組織，但由于完全消除存在一定的難度，故生產(chǎn)中一般要求帶狀組織≤2級。

圖4 不同級別帶狀組織GCr15軸承鋼的磨損量隨時間的變化

圖5 不同級別帶狀組織GCr15軸承鋼在三維超景深顯微鏡下的磨損形貌

圖6 不同級別帶狀組織GCr15軸承鋼的磨損寬度隨時間的變化

2.3 磨損表面形貌分析

不同級別帶狀碳化物的GCr15軸承鋼經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)后，各試樣的磨損表面出現(xiàn)許多魚鱗狀薄片，由小型犁溝、麻點(diǎn)和剝落組成，如圖7所示。其磨損機(jī)制主要為粘著磨損和磨粒磨損。粘著磨損是在滑動摩擦條件下，摩擦副相對滑動速度較小時發(fā)生的。由于試樣是在空氣中干摩擦，摩擦副表面無氧化膜，且單位法向載荷較大，在磨損過程中與被磨試樣組成的摩擦副會產(chǎn)生大量摩擦熱，使相對摩擦表面發(fā)生焊合并在相互運(yùn)動過程中產(chǎn)生撕裂，從而形成材料轉(zhuǎn)移，即粘著磨損[8- 9]，如圖7(a)所示。在磨損初期階段，大部分所施能量消耗于表層材料的塑性變形上，相對小的能量則逐漸使磨損表面層溫度升高，隨著循環(huán)硬化，變形程度趨于穩(wěn)定。由于該材料表面硬度較高，當(dāng)帶狀碳化物級別達(dá)到3.5級時，硬度分布不均，在磨損過程中，材料變形不斷積聚，易產(chǎn)生薄片狀脫落，如圖7(h)、7(i)所示，從而發(fā)生剝落磨損[10]。

圖7 不同級別帶狀組織GCr15軸承鋼的表面磨損形貌隨時間的變化

由圖7可見，當(dāng)帶狀碳化物級別較低為1級時，由于碳化物在基體中分布比較均勻，剛開始時以輕微的粘著磨損為主，隨著磨損時間的延長，磨損程度逐漸加重，在磨損表面形貌上則表現(xiàn)出磨損劃痕的粗化、犁溝的加深，即粘著磨損到磨粒磨損的轉(zhuǎn)變[11]；當(dāng)磨損時間較短時，隨著帶狀級別的增加，磨損機(jī)制由粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp、剝落，隨著磨損時間的增加，磨損現(xiàn)象加?。粠钐蓟锛墑e越高，達(dá)到3.5級時磨損現(xiàn)象越嚴(yán)重，磨損機(jī)制由最初的磨粒磨損、小面積剝落，隨著磨損時間的增加，到最后形成大面積的剝落以及比較深的剝落坑出現(xiàn)，如圖8所示。這是由于帶狀碳化物級別高時，常常伴隨著異常組織的出現(xiàn)，帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，它們的性能也不相同[12]。富Cr的白色帶狀區(qū)域，其硬度比暗區(qū)平均高出2～3 HRC，在外力作用下性能較差的帶成為薄弱區(qū)域，容易造成應(yīng)力集中。帶狀碳化物的存在還可以破壞金屬的連續(xù)性，基體組織則更易發(fā)生損壞，磨損現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

圖8 GCr15軸承鋼在磨粒磨損下的典型剝落坑形貌(3.5級，4 h)

3 結(jié)論

(1)正火+球化退火工藝可以改善GCr15軸承鋼的帶狀碳化物，帶狀等級可降低至2級以下。

(2)GCr15軸承鋼的帶狀碳化物級別越高，其耐磨性越差。帶狀碳化物級別低時主要以粘著磨損為主，隨著磨損時間的增加，則由粘著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變。

(3)帶狀碳化物級別較高時主要發(fā)生磨粒磨損，并伴隨著輕微的粘著磨損，隨時間的延長而出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

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收修改稿日期：2016- 06- 15

Effect of Banded Carbides on the Wear Resistance of GCr15 Bearing Steel

Li Ming Zhao Yongqiao He Xing Zhang Henghua

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Three levels of structure with banded carbides of grade 1, grade 2, grade 3.5 were obtained for GCr15 bearing steel under different heat treatments. Dry friction and wear test of the three samples was carried out at a MM- 200 wear tester at room temperature, wear resistance was assessed by weight- loss method, wear width was measured by three- dimensional digital microscope, and wear surface layers was observed by SEM. The results showed that the wear resistance of GCr15 bearing steel increased significantly with the reduction of level of banded carbides. The relationship between banded carbides and wear resistance was also analyzed.

GCr15 bearing steel，banded carbide，wear resistance

李明，男，主要從事GCr15軸承鋼碳化物不均勻性改善的研究，Email:mingyuw@163.com

張恒華，男，教授，博導(dǎo)，主要從事材料強(qiáng)韌化的研究，電話：021- 56331911，Email:hhzhang@shu.edu.cn