高碳鉻軸承鋼制軸承零件經(jīng)馬氏體淬回火后，顯微組織由馬氏體、殘留奧氏體及均勻分布的細(xì)小碳化物組成。GCr15鋼制軸承零件中殘留奧氏體含量一般為15%左右，而GCr15SiMn鋼制軸承零件中殘留奧氏體含量一般超過20%。殘留奧氏體是亞穩(wěn)定相，較高的殘留奧氏體含量會導(dǎo)致工件在使用過程中尺寸發(fā)生變化、精度降低，極大地縮短軸承的使用壽命。
隨著用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，很多軸承廠家不僅對組織硬度等指標(biāo)嚴(yán)格要求，對其殘留奧氏體含量也作出嚴(yán)格控制，國外軸承廠家對這方面要求尤為嚴(yán)格，一般要求殘留奧氏體含量在3%以下。在處理尺寸較小、壁厚較薄的GCr15鋼制軸承滾子時，冷處理或深冷處理基本上能夠達(dá)到要求；但在處理GCr15SiMn鋼制軸承滾子時卻很難達(dá)到要求。為滿足客戶的要求，我們有必要開發(fā)一種更為有效的降低殘留奧氏體含量的方法。
1.殘留奧氏體產(chǎn)生的原因
軸承鋼在淬火過程中，從Ms點(diǎn)溫度開始奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，一直到Mf點(diǎn)溫度以下奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變完成，常用軸承鋼的Mf點(diǎn)都在室溫以下，但低于Mf點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變不會繼續(xù)進(jìn)行。奧氏體不會完全轉(zhuǎn)變，會殘留一部分奧氏體不發(fā)生轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)變完成的馬氏體會對周圍的奧氏體的繼續(xù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生阻礙作用，馬氏體在轉(zhuǎn)變時發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，使剩余的奧氏體在轉(zhuǎn)變時，要克服壓應(yīng)力做功，這樣就阻礙了殘留奧氏體的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變。
2.試驗(yàn)材料及工藝
試驗(yàn)材料為GCr15SiMn，規(guī)格φ30mm×30mm，其化學(xué)成分如表1所示。技術(shù)要求：硬度61~65HRC，殘留奧氏體含量≤3%，其余要求按JB/T1255—2014執(zhí)行。
表1 GCr15SiMn化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果 （%）
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C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
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0.97 |
0.54 |
1.02 |
0.009 |
0.003 |
1.45 |
試驗(yàn)采用愛協(xié)林鹽淬多用爐，淬火工藝采用820℃保溫75min出爐鹽浴淬火，鹽浴溫度為170℃，等溫時間50min。隨后采用不同的回火及冷處理溫度進(jìn)行處理，工藝曲線及具體工藝方案如附圖及表2所示。
表2 熱處理工藝
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編號 |
淬火 |
回火及冷處理 |
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1 |
820℃保溫70min，鹽浴淬火，中速攪拌 |
170℃回火4h |
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2 |
200℃回火4h |
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3 |
220℃回火4h |
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4 |
240℃回火4h |
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5 |
-70℃冷處理1h，170℃回火4h |
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6 |
-70℃冷處理2h，170℃回火4h |
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7 |
-196℃冷處理1h，170℃回火4h |
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8 |
-196℃冷處理2h，170℃回火4h |
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9 |
-196℃冷處理1h，200℃回火4h |
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10 |
-196℃冷處理1h，220℃回火4h |
3.結(jié)果及分析
（1）常規(guī)回火及二次高溫回火
經(jīng)淬火后采用170℃回火，并再次200℃、220℃及240℃分別回火，如表2中1～4號工藝。隨后對組織、硬度及殘留奧氏體含量進(jìn)行檢測，常規(guī)及二次高溫回火后檢測結(jié)果如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)普通回火后，組織、硬度雖然能夠滿足技術(shù)要求，但是殘留奧氏體含量達(dá)到了16%。而采用二次高溫回火會明顯減低殘留奧氏體含量，隨著溫度提高，殘留奧氏體含量逐漸減少，當(dāng)回火溫度提高到240℃時，殘留奧氏體含量基本在0.9%以下。
據(jù)研究，高溫回火能降低殘留奧氏體含量的原因有兩個：一方面高溫度回火能夠促進(jìn)奧氏體中碳化物和合金元素的析出，從而提高馬氏體轉(zhuǎn)變的Mf點(diǎn)，從而促進(jìn)殘留奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變；另一方面高溫回火會消除前期奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力，降低奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的阻礙作用。但采用高溫回火會降低工件的硬度，從表3中可以發(fā)現(xiàn)，240℃回火時硬度會降低2HRC左右。
表3 常規(guī)及二次高溫回火后檢測結(jié)果
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工藝編號 |
組織 |
表面硬度HRC |
心部硬度HRC |
殘留奧氏體含量（%） |
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1 |
M：4級，T：無 |
63.1 |
62.3 |
16 |
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2 |
M：3級，T：無 |
62.6 |
61.5 |
6.3 |
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3 |
M：3級，T：無 |
61.8 |
60.5 |
3.8 |
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4 |
M：3級，T：無 |
61.3 |
60.2 |
0.9 |
（2）冷處理或深冷處理+常規(guī)回火
采用冷處理是利用冷凍箱把工件冷卻到-70℃左右；或采用深冷處理，用液氮把工件冷卻到-196℃左右，這樣工件殘留奧氏體會明顯減少，深冷處理時效果尤為明顯，關(guān)于這方面的研究很多。
采用5～8號工藝，檢測結(jié)果如表4所示。用這種方法處理GCr15鋼制工件時殘留奧氏體含量基本能控制在3%以下，但是處理GCr15SiMn材料時，卻很難滿足要求，一般控制在4%～6%，硬度會提高2HRC。
表4 冷處理或深冷處理+常規(guī)回火檢測結(jié)果
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工藝編號 |
組織 |
表面硬度HRC |
心部硬度HRC |
殘留奧氏體含量（%） |
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5 |
M：3級，T：無 |
64.5 |
63.0 |
5.8 |
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6 |
M：3級，T：無 |
64.1 |
63.4 |
5.5 |
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7 |
M：3級，T：無 |
64.1 |
63.7 |
4.3 |
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8 |
M：3級，T：無 |
64.4 |
63.3 |
3.7 |
（3）采用冷處理+高溫回火
結(jié)合上述兩種處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)，在保證殘留奧氏體含量及硬度都能合格的前提下，采用冷處理+高溫回火的方式控制殘留奧氏體含量，具體工藝如表2中9號、10號工藝所示。檢測結(jié)果如表5所示，可以發(fā)現(xiàn)，采用10號工藝能夠控制殘留奧氏體含量及硬度在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。
表5 冷處理或深冷處理+常規(guī)回火檢測結(jié)果
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工藝編號 |
組織 |
表面硬度HRC |
心部硬度HRC |
殘留奧氏體含量（%） |
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9 |
M：3級，T：無 |
63 |
61.9 |
2.9 |
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10 |
M：3級，T：無 |
62.4 |
61.5 |
1.2 |
4.結(jié)語
采用冷處理+高溫回火的方式，能夠克服單獨(dú)采用冷處理或高溫回火降低殘留奧氏體含量的缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)高硬度的前提下，保證殘留奧氏體含量降低到3%以下。
