GCr15鋼制大型軸承鋼球堿水淬火軟點的成因分析

王 珂，韓萬順，陳國志

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

在LYC風電軸承產品中，采用GCr15鋼制大型鋼球的軸承占有很大比例。由于此類鋼球采用淬透性不如GCr15SiMn好的GCr15鋼制造，且直徑尺寸較大（Φ40 mm以上），無疑使其淬硬深度受到嚴重影響，軟點成了比較常見的問題。在實際使用過程中，鋼球報廢的主要形式是表面磨損，軟點直接影響了其使用壽命。為進一步提高此類風電軸承產品質量和可靠性，下文著重分析了GCr15鋼制大型鋼球在不同濃度的堿水中淬火產生軟點的原因，以期對改善鋼球的表面質量有所幫助。

1 試驗驗證

1.1 設備及工藝流程

目前GCr15鋼制大型鋼球是在Б-70鼓形電爐生產線上進行熱處理，所用淬火介質為碳酸鈉水溶液。Б-70生產線淬回火工藝流程為：上料→淬火→冷卻→回火。

1.2 試驗方法與檢驗結果

在淬火溫度、加熱時間及堿水溫度相同的條件下，僅改變堿水濃度，對40 mm＜Φ＜50 mm某一型號的GCr15鋼制大型鋼球進行試驗，分析堿水濃度對鋼球淬火組織、軟點的影響。具體方法是將熱處理淬火件按檢驗規程進行取樣（40粒），經酸洗明化，將外觀呈現黑云狀的（即軟點區）鋼球試樣挑出進行金相化驗（2粒）。某同一型號鋼球在Б-70生產線上熱處理后依據JB／T 1255—2001進行評定，結果見表1。

由表1可知：鋼球在Б-70生產線上淬火時，堿水濃度越接近15%及10%，則越易出現軟點。為進一步確定軟點與堿水濃度范圍的關系，選取某同一型號鋼球在10%以下、15%以上2個濃度段的堿水中，在Б-70生產線上進行淬火。熱處理后試驗結果見表2。

表1 堿水濃度與軟點情況

由表2可知，GCr15鋼制大型鋼球在Б-70生產線淬火時，堿水濃度在10%以下和15%以上的2個濃度段均會出現軟點。

表2 堿水濃度（10%以下，15%以上）與軟點情況

2 結果分析

2.1 軟點的成因

通過對軟點金相試樣的分析，發現軟點處的組織為屈氏體。由此可以認為，堿水淬火鋼球金相組織中軟點產生的原因是出現了屈氏體。

由鋼的過冷奧氏體等溫轉變曲線可知，鼻尖部分為過冷奧氏體不穩定區，為了獲得馬氏體組織，需在奧氏體不穩定區即曲線的鼻尖部（一般為500～600℃）快冷［1］（圖1理想淬火速度曲線）。上述試樣軟點的成因，是淬火時鋼球表面局部的冷卻曲線經過了C曲線的鼻尖部分，致使冷卻速度小于臨界冷卻速度所致（圖1），而此時最易發生分解，轉變為屈氏體組織。

圖1 工件冷卻曲線示意圖

2.2 堿水濃度對鋼球軟點的影響

2.2.1 淬火時的冷卻機理

當熾熱工件進入淬火介質中后，迅速使其周圍的淬火液發生物態變化，釋放的大量熱量使其周圍的液體迅速汽化，并形成一層蒸汽膜包圍工件。由于膜的導熱性能差，故被其包圍隔絕的工件冷速非常緩慢。初期隨著汽化的繼續，膜的厚度不斷增加，此階段為成膜期（圖2中AB段）。之后膜的厚度將逐漸減薄導致破裂，蒸汽膜破裂的極限溫度稱為“特性溫度”。當蒸汽膜破裂后，工件就與介質直接接觸，淬火液不斷吸收工件表面的熱量而汽化沸騰，并將工件表面熱量帶走，工件在這一階段被急劇冷卻。此階段直到工件冷卻至介質的沸點為止，稱為汽泡沸騰冷卻期（圖2中BC段）。當工件表面溫度降到淬火介質沸點以下，工件的冷卻主要靠介質傳導與對流，工件冷速又減慢，此階段為對流傳熱階段［2］（圖2中C點以后部分）。不難理解，由于堿水的沸點大大低于馬氏體轉變溫度Ms，所以重要的是討論蒸汽膜破裂的溫度和時間即圖2中B點的位置。膜破裂越晚，特性溫度點B就越右移，冷卻曲線穿過C曲線的可能性越大，就越容易產生軟點。

圖2 工件冷卻機理示意圖

2.2.2 堿水濃度過高產生軟點的原因

由文獻［2］可知，堿水淬火時因堿水中晶體析出并附在工件表面，引發小的汽膜爆破，破壞了蒸汽膜的穩定性使沸騰期提前到來增加冷速。同時，由于堿水溶液吸收氣體能力遠低于水，因此使工件表面冷卻均勻，不易造成軟點。但是繼續提高含量，濃度過大的堿使介質的沸點提高，汽泡的表面張力增加，介質流動性降低，因而導致膜破裂晚（特性溫度點右移），反而使淬火介質的冷卻能力下降，冷卻速度降低，這就是鋼球在堿水濃度過高時產生軟點的原因。

2.2.3 堿水濃度過低產生軟點的原因

當加熱的鋼球放在低濃度的堿水中，鋼球周圍的水溫升高形成熱水，由于其所受的重力作用小于它所受的浮力，導致向上部運動，致使上部的水溫在熱鋼球的作用下迅速升高，大大降低冷卻能力；而下部區域的水向上運動時，受到球面的影響，運動受阻不易對流，此處介質水溫在熱球的作用下亦升高，冷卻能力也大大下降。上述原因引起鋼球這些部位的冷卻條件變差，鋼球在冷卻過程的高、中溫區冷卻能力降低，冷卻速度減慢，易產生軟點。

除上述外，如堿水溫度、淬火加熱溫度、鋼球入水方式等均會影響到軟點的產生。

3 結論

（1）在其他工藝條件相同的情況下，堿水濃度與GCr15鋼制大型鋼球淬火后是否出現軟點有著密切的關系。堿水濃度過高或過低引起鋼球冷卻能力降低及冷卻速度減小，致使鋼球淬火后出現軟點的機率大大增加。

（2）GCr15鋼制大型軸承鋼球在Б-70生產線上淬火時堿水濃度應控制在10%～15%，這有利于防止鋼球產生軟點。