軸承鋼GCr15多元共滲與高頻淬火復合強化處理研究

王 杰

（湖南石油化工職業技術學院機電工程系，湖南 岳陽 414012）

軸承鋼GCr15多元共滲與高頻淬火復合強化處理研究

王 杰

（湖南石油化工職業技術學院機電工程系，湖南 岳陽 414012）

經處理后的GCr15表面形成均勻滲層。文中對實驗結果進行分析，兩種處理工藝后的試樣進行比較，采用X射線衍射儀（XRD）分析其相結構組成，使用顯微硬度儀（MHS）及掃描電鏡（SEM）分析其硬度變化，利用萬能摩擦實驗機分析其耐磨性變化。

多元共滲；高頻淬火；顯微硬度；成分分析（XRD）；耐磨性

引言

軸承鋼是重要的冶金產品，被廣泛應用于機械制造、鐵路運輸、汽車制造、國防工業等領域.主要是制造滾動軸承的滾動體和套圈，一些大端面的軸承鋼也被用來制造機械加工用的工、模具[1]。而GCr15是高碳鉻軸承鋼的代表鋼種。它綜合力學性能良好，是世界各國廣泛應用的鋼種之一，也是高碳鉻軸承鋼中產量最大的鋼種[2]。GCr15可用于制造模具、量具和木工刀具及高彈性極限、高疲勞強度的機械零件[3]。

為提高零件的使用壽命，增強其疲勞強度、尺寸穩定性、硬度和表面耐磨性，途徑之一是對其進行熱處理[4]。GCr15鋼一般經820～850℃淬火加150～170℃×（2～5）h低溫回火后使用。淬火和回火后的硬度通常在61～65HRC，具有良好的耐磨性和高的接觸疲勞強度。其熱加工變形性能好，球化退火后有良好的可切削性能。對尺寸精度要求高的零件，要在淬火后進行深冷處理[2]。

本文采用C，N，O多元共滲與高頻淬火技術對軸承鋼GCr15進行處理，分別得到經多元共滲的試樣G2和經多元共滲與高頻淬火復合處理的試樣GA2。然后對處理后的試樣進行成分、硬度以及耐磨性能的分析研究[5，6]。通過對兩種處理工藝后試樣的性能參數進行比較，檢驗此兩種處理條件下分別對GCr15性能的提高程度，以此來確定GCr15新的熱處理工藝應用的可能性。

1.實驗材料及方法

表面多元共滲和高頻淬火在西南交通大學進行，共滲氣氛為NH3+N2+添加劑，該添加劑為含碳、氧的化學試劑配成。試樣尺寸為Φ50×5mm的圓柱體，原始材料為780℃×3h等溫退火（冷至710～720℃保溫1.5h后空冷）處理的GCr15。本文只對處理后的試樣性能進行比較分析。利用線切割機從大塊基材上切取部分小試樣進行表面研究。

試樣制備過程為：試樣切割→鑲樣→研磨拋光→清洗→分析。

表1 試樣加工工藝及編號

利用HMV-1T型數字式智能顯微硬度計，對試樣表面的硬度進行檢測。試驗力為50g，加載時間10s.用SEM觀察試樣表面形貌。

使用WTM-IE可控氣氛微型摩擦磨損實驗儀測量試樣的耐磨性。實驗載荷50g，轉速1000r/min，摩擦半徑4mm，摩擦時間5min，對磨材料TG15。

2.試驗結果與分析

2.1 滲層顯微組織

X射線衍射譜由連續背景以及疊加在背景上的一些譜線所組成。譜線亦稱衍射線或衍射峰。在衍射譜分析工作中，最主要

采用X射線衍射儀對試樣表面進行探測，分析其表面化學組成[7～9]。由試樣的性能參數值，根據所得到的數據，采用Oringinpro7.5繪制成試樣的衍射圖譜，再對照PDF卡片進行物相結構分析。使用儀器工作參數如下。

X射線衍射儀（X-ray Diffractometer）

是判斷總共有多少衍射線，它們的位置、峰高和強度。由X射線衍射分析技術，用Qringinpro7.5模擬成各衍射圖譜。

2.1.1 分析方法

GCr15鋼進行多元共滲的工藝，是在N–C共滲的氣氛中添加含氧氣體，根據元素法，即先得出鋼中合金成分和滲入氣體的元素可能得到的化合物，然后對照PDF卡片，對該試樣進行XRD成分分析，找出相應的化學成分。

2.1.2 試驗結果及分析

由圖1、表2可以看出，經過多元共滲加高頻淬火處理后，GCr15表面形成了Fe2O3和CrN兩種化合物。正是因為表面有新的化合物生成，才導致表面組織發生了變化，形成具有很高硬度的白亮層。

多元共滲過程中氧氣是添加劑中的成分，起到提高滲速的作用，對硬度變化影響不大。但是因為有氧的存在肯定會有氧化作用發生，使滲層中含有更多Fe2O3，它是疏松層的主要成分，形成原因除了在多元共滲中滲進去的外，還有試樣高溫出爐，暴露在空氣中氧化所致。同時也導致了淬火后表面層的硬度反而比未經淬火時的低。

表2 GA2主要峰值PDF卡片參數

圖1 GA2衍射峰圖

表3 G2硬度值

表4 GA2硬度值

圖2 硬度曲線

2.2 滲層顯微硬度

鑒于客觀條件的限制，試驗的工藝種類有限，故只能根據實驗得到的數據進行定性分析，再結合以往經驗進行總結。利用繪圖軟件將各硬度曲線分別繪制如下，其中，硬度曲線圖中橫坐標代表距表面的距離，縱坐標表示硬度值。下面進行具體分析說明。

2.2.1 試驗結果

2.2.2 結果分析

由表3、圖2可以看出經過多元共滲處理后的試樣G2表面層硬度顯著提高，硬度值在650HV左右，可以達到基層硬度的2.5倍。經過處理的試樣表面硬度層厚度可以達到40-50μm。

與未經高頻淬火處理的G2試樣比較發現，在測量的范圍內，由于試樣本身只有5mm的厚度，經淬火處理的GA2試樣硬度始終保持在很高的區域內，硬度值都達到了HV850以上。而未經淬火處理的試樣只有滲層部分有較高的硬度。GA2試樣滲層的厚度基本上都在40-50μm的范圍內。在試樣中不能看到有明顯的分層現象，原因是經過淬火后材料的組織發生了顯著變化。說明淬火可以明顯改善材料的性能，尤其是硬度。所以，為了得到更好的材料表面硬度以及綜合性能，經過多元共滲后再進行高頻淬火是非常好的選擇。

還有一個有趣的發現就是GA2試樣在表面層約40μm的硬度值反而沒有內層的硬度大，而這40μm大約就是滲層的厚度。該層的硬度和未經淬火處理的結果比較發現，淬火后的硬度小于未經淬火處理的試樣。從圖3（b）可以看出經高頻淬火后表面滲層的組織變得更加疏松，這說明經過多元共滲后再淬火處理不但不能更好的增加硬度，反而會降低單獨經過多元共滲處理的表面硬度。比40μm更深的內部材料沒有受到滲層的影響，還可以發現單獨淬火處理后試樣的硬度比單獨多元共滲的硬度要大，說明要增加試樣的硬度高頻淬火效果更好。

圖3 顯微硬度500×

圖4 磨損曲線

圖5 試樣磨痕×40顯微照片

2.3 滲層耐磨性能

試驗結果及分析：

由圖4（a）可以看出，經過多元共滲處理的G2試樣摩擦系數非常小，平均摩擦系數約為0.08，而圖4（c）中原未經處理的試樣摩擦系數平均為0.10左右。隨著時間推移，G2試樣的摩擦系數幾乎沒有變化，說明處理后的試樣可以經受較長時間的摩擦磨損。與硬度測試結果對比發現較大的試樣硬度會有較高的耐磨性能。

一般認為試樣的摩擦系數越小則其耐摩擦性能越好。但是從圖4（b）中可以看出，GA2試樣的摩擦系數隨著時間的推移可以達到平均0.4左右，遠大于G2試樣的0.08。而圖5試樣磨痕顯微照片中可以看出，經過同等載荷和時間的摩擦試驗后，GA2試樣明顯比G2試樣更加耐磨。這就與我們一般的認識相悖（可以肯定的是，在做摩擦實驗時是多組試樣連續隨機進行，所以可以排除因操作失誤而導致的結果有誤現象）。

3.結論

（1）與只經過退火處理的原試樣相比，經多元共滲處理后的GCr15表面形成了Fe2O3和CrN兩種化合物。正是因為表面有新的化合物生成，才引起表面組織發生了變化。

（2）經多元共滲處理后，使試樣表面層硬度和耐磨性能顯著提高，硬度達到心部基體硬度的2.5倍。

（3）與經820～850℃淬火加150～170℃×（2～5）h低溫回火后的硬度61～65HRC相比，多元共滲表面滲層的硬度只有660HV，硬度提高不如淬火加低溫回火。但組織更加的穩定，提高精密儀器在使用過程中的尺寸穩定性。

（4）經過多元共滲及高頻淬火復合強化處理后，軸承鋼GCr15不光表面層的硬度和耐摩擦性能與原試樣相比有所提高，而且試樣的內部硬度也大幅提升，可以適用于載荷更加復雜的場合。

（5）比較兩種處理工藝可以發現，經多元共滲加高頻淬火復合處理后，使多元共滲試樣原本較為致密的表面滲層組織變得疏松，硬度有所下降。而無滲層元素影響的心部卻可以保持很高的硬度。耐摩擦性能要優于只經過多元共滲時的性能。

[1]宋志敏,張虹.我國軸承鋼生產及質量現狀[J].鋼鐵研究學報,2000,Vol.12,No.4:59-63.

[2]鐘順思,王昌生.軸承鋼[M].北京:冶金工業出版社,2000,11:539.

[3]手冊編寫組.機械工業材料選用手冊[M].機械工業出版社,2009,4:179-181.

[4]周海,陳飛等.軸承鋼GCr15表面多元共滲后硬度研究[J].佳木斯大學學報(自然科學版),2005oct,Vol.23No.4.

[5]吳大興,楊川,高國慶.多元共滲滲劑氣體發生裝置[P].中國專利:95241793.6,1996-07-17.

[6]彭其鳳,張興文.碳氮氧共滲工藝[J].新技術新工藝,1985(6):8-9.

[7]郭靈虹,鐘輝.X射線及在冶金和材料科學中的應用[J].四川有色金屬,1994(4).

[8]丘利,胡玉和.X射線衍射技術及設備[M].北京:冶金工業出版社,1998(24).

[9]屠海令,干勇.金屬材料理化測試全書[M].北京:化學工業出版社,2007.1:147-149,154-156.

王杰（1984—），男，陜西渭南人，湖南石油化工職業技術學院機電工程系助教。