GCr15鋼制大型軸承鋼球堿水淬火軟點(diǎn)的成因分析

王 珂，韓萬(wàn)順，陳國(guó)志

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

在LYC風(fēng)電軸承產(chǎn)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(wú)疑使其淬硬深度受到嚴(yán)重影響，軟點(diǎn)成了比較常見(jiàn)的問(wèn)題。在實(shí)際使用過(guò)程中，鋼球報(bào)廢的主要形式是表面磨損，軟點(diǎn)直接影響了其使用壽命。為進(jìn)一步提高此類風(fēng)電軸承產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)生軟點(diǎn)的原因，以期對(duì)改善鋼球的表面質(zhì)量有所幫助。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 設(shè)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(chǎn)線上進(jìn)行熱處理，所用淬火介質(zhì)為碳酸鈉水溶液。Б-70生產(chǎn)線淬回火工藝流程為：上料→淬火→冷卻→回火。

1.2 試驗(yàn)方法與檢驗(yàn)結(jié)果

在淬火溫度、加熱時(shí)間及堿水溫度相同的條件下，僅改變堿水濃度，對(duì)40 mm＜Φ＜50 mm某一型號(hào)的GCr15鋼制大型鋼球進(jìn)行試驗(yàn)，分析堿水濃度對(duì)鋼球淬火組織、軟點(diǎn)的影響。具體方法是將熱處理淬火件按檢驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行取樣（40粒），經(jīng)酸洗明化，將外觀呈現(xiàn)黑云狀的（即軟點(diǎn)區(qū)）鋼球試樣挑出進(jìn)行金相化驗(yàn)（2粒）。某同一型號(hào)鋼球在Б-70生產(chǎn)線上熱處理后依據(jù)JB／T 1255—2001進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知：鋼球在Б-70生產(chǎn)線上淬火時(shí)，堿水濃度越接近15%及10%，則越易出現(xiàn)軟點(diǎn)。為進(jìn)一步確定軟點(diǎn)與堿水濃度范圍的關(guān)系，選取某同一型號(hào)鋼球在10%以下、15%以上2個(gè)濃度段的堿水中，在Б-70生產(chǎn)線上進(jìn)行淬火。熱處理后試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 堿水濃度與軟點(diǎn)情況

由表2可知，GCr15鋼制大型鋼球在Б-70生產(chǎn)線淬火時(shí)，堿水濃度在10%以下和15%以上的2個(gè)濃度段均會(huì)出現(xiàn)軟點(diǎn)。

表2 堿水濃度（10%以下，15%以上）與軟點(diǎn)情況

2 結(jié)果分析

2.1 軟點(diǎn)的成因

通過(guò)對(duì)軟點(diǎn)金相試樣的分析，發(fā)現(xiàn)軟點(diǎn)處的組織為屈氏體。由此可以認(rèn)為，堿水淬火鋼球金相組織中軟點(diǎn)產(chǎn)生的原因是出現(xiàn)了屈氏體。

由鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可知，鼻尖部分為過(guò)冷奧氏體不穩(wěn)定區(qū)，為了獲得馬氏體組織，需在奧氏體不穩(wěn)定區(qū)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(diǎn)的成因，是淬火時(shí)鋼球表面局部的冷卻曲線經(jīng)過(guò)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(shí)最易發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織。

圖1 工件冷卻曲線示意圖

2.2 堿水濃度對(duì)鋼球軟點(diǎn)的影響

2.2.1 淬火時(shí)的冷卻機(jī)理

當(dāng)熾熱工件進(jìn)入淬火介質(zhì)中后，迅速使其周圍的淬火液發(fā)生物態(tài)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(dǎo)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(xù)，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(dǎo)致破裂，蒸汽膜破裂的極限溫度稱為“特性溫度”。當(dāng)蒸汽膜破裂后，工件就與介質(zhì)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(zhì)的沸點(diǎn)為止，稱為汽泡沸騰冷卻期（圖2中BC段）。當(dāng)工件表面溫度降到淬火介質(zhì)沸點(diǎn)以下，工件的冷卻主要靠介質(zhì)傳導(dǎo)與對(duì)流，工件冷速又減慢，此階段為對(duì)流傳熱階段［2］（圖2中C點(diǎn)以后部分）。不難理解，由于堿水的沸點(diǎn)大大低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，所以重要的是討論蒸汽膜破裂的溫度和時(shí)間即圖2中B點(diǎn)的位置。膜破裂越晚，特性溫度點(diǎn)B就越右移，冷卻曲線穿過(guò)C曲線的可能性越大，就越容易產(chǎn)生軟點(diǎn)。

圖2 工件冷卻機(jī)理示意圖

2.2.2 堿水濃度過(guò)高產(chǎn)生軟點(diǎn)的原因

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

2.2.3 堿水濃度過(guò)低產(chǎn)生軟點(diǎn)的原因

當(dāng)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(dǎo)致向上部運(yùn)動(dòng)，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(qū)域的水向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到球面的影響，運(yùn)動(dòng)受阻不易對(duì)流，此處介質(zhì)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(guò)程的高、中溫區(qū)冷卻能力降低，冷卻速度減慢，易產(chǎn)生軟點(diǎn)。

除上述外，如堿水溫度、淬火加熱溫度、鋼球入水方式等均會(huì)影響到軟點(diǎn)的產(chǎn)生。

3 結(jié)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(xiàn)軟點(diǎn)有著密切的關(guān)系。堿水濃度過(guò)高或過(guò)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(xiàn)軟點(diǎn)的機(jī)率大大增加。

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