超聲電磁耦合場對GCr15軸承鋼圓柱滾子組織性能的影響

陳輝

（武漢工程大學郵電與信息工程學院機電學部，武漢430073）

超聲電磁耦合場對GCr15軸承鋼圓柱滾子組織性能的影響

陳輝

（武漢工程大學郵電與信息工程學院機電學部，武漢430073）

取同一批次軸承用GCr15鋼圓柱滾子清洗后研磨、拋光，用腐蝕液腐蝕拋光后的樣品，觀察試樣的金相后采用三種不同的電磁、超聲耦合能量場處理試樣，發現超聲耦合能量場作用下晶粒尺寸呈現細化、均勻趨勢，試樣的抗彎強度和洛氏硬度都有所提高。改變電磁、超聲耦合能量場工藝方案，GCr15鋼圓柱滾子的力學性能和金相呈現一定的變化趨勢；找到使GCr15鋼圓柱滾子性能最佳的處理工藝，此結論可以應用于以后的實踐生產。并在此基礎上探討了電磁效應對GCr15鋼圓柱滾子金相顯微結構細化和均勻化的作用機制。

超聲電磁耦合場；金相；GCr15；軸承鋼；力學性能

0 引言

GCr15鋼是一種合金含量較少、具有良好性能、應用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經過淬火加回火后GCr15鋼具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，對形成白點敏感性能大，有回火脆性。該鋼用于制造各種軸承套圈和滾動體，例如：制造內燃機、電動機車、汽車、拖拉機、機床、軋鋼機、鉆探機、礦山機械、通用機械等傳動軸承的鋼球、滾子和套圈。除制造滾珠、軸承套圈等外，有時也用來制造如沖模、量具等工具，因此其質量非常重要。衡量軸承鋼質量好壞的一個重要指標是其內部組織結構。即指碳化物帶狀、碳化物網狀、碳化物液析及退火組織。碳化物是客觀存在的，如何使碳化物分布得均勻、分散、細小，是提高軸承鋼質量的重要課題之一。本文旨在用3種不同能量的超聲電磁耦合場處理GCr15軸承鋼圓柱滾子，并用金相分析方法觀察其內部組織結構，比較不同能量的超聲耦合工藝對其內部組織結構的影響，以找到有利影響因素來提高軸承用GCr15鋼圓柱滾子的質量［1］。

近年來研究人員發現對金屬材料施加各種物理能量場會對其內部組織結構產生一定的影響。研究人員在對GCr15鋼施加電磁能量場能時發現可顯著改善其各方面力學性能。由于金屬材料的金相顯微結構對其宏觀力學性能有著直接的聯系，文章將對GCr15軸承鋼圓柱滾子進行超聲波和電磁耦合場處理［2］，并對其金相結構進行詳細分析，為軸承鋼能量場處理工業應用奠定基礎。

1 超聲電磁耦合場試驗

1）試驗材料。試驗材料如表1所示。

表1 GCr15軸承鋼圓柱滾子化學成分 %

2）試驗裝置。電磁裝置：變頻電源的頻率可變范圍為0～50 Hz；電流可變范圍為0～12 A；感應線圈為三相。超聲波發生器有19± 0.5 kHz、20±0.5 kHz、21±0.5 kHz 3個頻率檔位和5個功率檔位（試驗時選用1、3、5檔）。

3）試驗方法。隨機抽取4組試樣，并選取其中3組分別進行不同能量場的超聲電磁處理。具體處理方法如表2所示。

表2 試樣的處理方案

2 試驗結果與分析

2.1 金相腐蝕工藝

首先取一試樣（未經過任何處理）用不同腐蝕液腐蝕，以找到合適的腐蝕工藝來觀察該軸承鋼的各相。經過實驗發現，顆粒狀滲碳體用適量苦味酸酒精溶液腐蝕效果較好；隱針狀回火馬氏體+殘余奧氏體用4%硝酸無水酒精溶液腐蝕效果較好；實際晶粒用飽和苦味酸水溶液腐蝕效果明顯。所觀察到的金相圖片如圖1所示。

圖1 金相圖片

2.2 顯微組織對比

選取B、C、D共3組未處理過的試樣，按照上述方法進行磨拋、腐蝕，觀察其晶粒圖片，并用探針在觀察面中央附近打上星形標記，同時記錄下記號處的金相照片；然后將3個試樣分別按照上述能量場方案進行處理，經輕微磨拋并腐蝕后（盡量保證記號不被磨掉或腐蝕掉），在金相顯微鏡下找到做記號處并在同一放大倍數下（1300倍）進行拍照記錄。觀察處理前后同一視場下的金相圖片發現試樣內部晶粒發生可見的變化。即在電磁、超聲耦合能量場作用下晶粒尺寸呈現細化趨勢，還注意到大晶粒細化、小晶粒變粗的跡象。為了準確表征在B、C、D3種方案下晶粒尺寸變化的趨勢，選用圖像處理軟件對整個視場內的晶粒進行晶粒直徑的統計。得到處理前后相對晶粒平均直徑和同一視場所有晶粒直徑的方差如表3所示。表3還計算出平均晶粒直徑的變化率，可以直接表征經過處理后晶粒的變化程度。

表3 晶粒尺寸統計

由表3可知：C試樣的處理工藝平均晶粒直徑減小量略小于B處理的工藝，但是均勻性最好；B處理工藝細化最明顯，但是均勻性相對最差；D細化程度比B、C工藝處理方式差，均勻性介于B、C處理工藝之間。

圖2 處理前后圖片對比

2.3 力學性能對比

將所有試樣按照國標加工成標準試樣，在萬能試驗機上用三點彎曲試驗方法測試其抗彎強度，并在洛氏硬度計上按照國標測試所有試樣硬度，測試結果如表4所示。

表4 三點彎曲試驗結果

表4中的抗彎強度結果表明：經過超聲電磁處理后的試樣抗彎強度分別提高了11.9%、12.4%、9.8%，說明超聲電磁能量場能夠顯著提高GCr15軸承鋼的抗彎強度；硬度測試表明經過超聲電磁處理后的試樣洛氏硬度分別提高了6.0%、10.1%、7.4%，說明超聲電磁能量場能夠顯著提高GCr15軸承鋼的硬度。結合金相的變化綜合分析表明，試樣的強度和硬度提高是由于在超聲電磁耦合場的作用下材料晶粒變得均勻、細化，所以力學性能有大幅提高。

3 結論

1）用飽和苦味酸水溶液腐蝕的方法，可以非常清晰地觀察到經電磁、超聲耦合能量場處理后軸承用GCr15鋼圓柱滾子金相組織的變化。

2）在不同電磁、超聲耦合能量場下均可以使GCr15鋼圓柱滾子晶粒發生細化現象。可見超聲電磁耦合能量場能有效改變材料顯微組織，可使其平均晶粒直徑縮小20%左右。從而很好地改善了此材料的性能。

3）超聲電磁耦合場能顯著提高GCr15鋼圓柱滾子的力學性能。經過超聲電磁耦合場處理后的GCr15鋼圓柱滾子抗彎強度和硬度都得到了很大的提高。

［1］ 王自強，姜世杭.GCr15鋼熱處理工藝研究［J］.揚州工學院學報，1996，8（1）：6-10.

［2］ 王明道，王自成，袁金磊.耦合超聲場和電磁場在提高金屬材料壽命上的應用：中國，CN 200710051703［P］.2009-03-04.

（編輯：啟 迪）

Effect of Ultrasonic Electromagnetic Coupling Field on GCr15 Steel Cylindrical Roller Metallographic Structure

CHEN Hui
（College of Post and Telecommunication，Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073，China）

The same batch of GCr15 steel cylindrical roller bearings are cleaned for grinding and polishing.Samples are polished in corrosion liquid,three different types of electromagnetic,ultrasonic coupling field are used to process samples after metallographic observation.It is found that the ultrasonic coupling field can make the grain size refinement and uniform,and can improve the bending strength and rockwell hardness of sample.The electromagnetic and ultrasonic coupling field processing plan are changed,GCr15 steel cylindrical roller mechanical properties and metallographic presents certain trends.The best treatment process of GCr15 steel cylindrical roller is found.The conclusion can be applied to the practice of production in the future.And on this basis,the action mechanism of electromagnetic effect on GCr15 steel cylindrical roller metallographic microstructure refinement and homogenization is discussed.

ultrasonic electromagnetic coupling field；metallographic phase；GCr15；bearing steel；mechanical property

TG 71

A

1002－2333（2014）04－0025－02

陳輝（1986—），男，碩士，研究方向為超硬材料力學性能。

2014-02-04