G95Cr18鋼不同回火溫度下的沖擊韌度與斷口形貌

李紅濤，葉健熠，曾獻智，王鑫

(1.空軍駐洛陽地區軍事代表室，河南 洛陽 471039；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

目前，G95Cr18或G102Cr18Mo高碳鉻不銹軸承鋼是制造耐腐蝕滾動軸承的主要材料，廣泛用于制造航空航天、石油機械、化工機械、食品機械、船舶工業和某些儀器儀表的軸承，也用于制造高、低溫下工作的軸承。軸承使用環境介質大多具有腐蝕作用，諸如海水、河水、硝酸及海洋性氣候等。

G95Cr18鋼制零件常用的熱處理方式為馬氏體淬回火，回火溫度通常根據零件的工作溫度、鋼材的性能及其具體要求而確定。據文獻[1]介紹，G95Cr18鋼淬火后，經150～160 ℃回火，綜合力學性能較好。但用該鋼制造的零件有時會在高溫下使用，且使用中還會受到一定的沖擊載荷作用。文獻[1]只給出了100，150和200 ℃回火溫度下的沖擊韌度，因此，有必要對該軸承鋼在更高回火溫度下的沖擊性能進行研究。

下文對G95Cr18鋼在不同回火溫度下的沖擊性能做了較詳細的試驗研究，并對其沖擊斷口的特征進行了觀察與分析。

1 試樣的加工及熱處理

試驗材料為按GB/T 3086—2008標準交貨的φ45 mm規格的G95Cr18鋼棒料，狀態為退火磨光材。經檢測分析，其退火組織為均勻的粒狀珠光體+共晶碳化物，退火硬度為223～225 HBW，化學成分見表1，非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度見表2。

表1 試驗材料化學成分 w,%

表2 非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度 級

由表2可知，試驗材料化學成分、非金屬夾雜物和共晶碳化物不均勻度等均符合標準要求。

把φ45 mm的G95Cr18鋼退火棒料加工成10 mm×10 mm×55 mm的無缺口沖擊試樣，然后將其分成6組，每組數量為4～5個。

試樣淬火在真空爐中進行，回火在箱式爐中進行，熱處理工藝及流程為：850 ℃×45 min預熱→1 070 ℃×35 min油淬→-78 ℃×1 h冷處理→不同回火溫度×3 h回火(回火溫度分別為150，200，250，300，350和400 ℃)，試樣回火處理后的硬度見表3。

表3 試樣回火處理后的硬度

由表3可知，G95Cr18鋼在250～400 ℃回火，硬度值保持在54.0～55.5 HRC，表明該軸承鋼具有良好的抗回火穩定性。

2 沖擊韌度試驗結果

沖擊試驗在PTM-2100型沖擊試驗機上進行，試驗溫度為常溫。不同回火溫度下的沖擊韌度試驗結果見表4。

表4 不同回火溫度下試樣的沖擊韌度ak

由表4可知，G95Cr18鋼在150～300 ℃回火，沖擊韌度隨回火溫度的升高而增大，回火溫度至300 ℃時，沖擊韌度達到最大值。在350 ℃回火時，沖擊韌度出現一個低值拐點，然后，隨回火溫度升高又呈上升趨勢。

3 不同回火溫度下的斷口特征

分別選取沖斷后的1-1#試樣、4-4#試樣和5-1#試樣，觀察其斷口宏觀形貌,結果如圖1所示。

圖1 沖擊斷口宏觀形貌

3個試樣的斷口形貌特征基本為纖維區+放射區+剪切唇區，圖2所示為斷口示意圖。

圖2 斷口示意圖

仔細觀察3個試樣的斷口，可以看出纖維區、放射區和剪切唇區所占斷口的面積是不同的，經估算其結果為：(1)1-1#試樣的纖維區+放射區的面積約占斷口面積的50%，剪切唇區約占斷口面積的50%；(2)4-4#試樣的纖維區+放射區的面積約占斷口面積的70%以上，剪切唇區占斷口面積的比例接近30%；(3)5-1#試樣的纖維區+放射區的面積約占斷口面積的50%以上，剪切唇區占斷口面積的比例接近50%。由此可見，相對面積的估算結果與其各自對應的沖擊韌度值基本吻合(1-1#試樣ak值為49.7 J/cm2；4-4#試樣ak值為79.7 J/cm2；5-1#試樣ak值為 55.3 J/cm2)。

4 結果分析

通常經淬火的鋼在回火時，隨著回火溫度的升高，其硬度降低、韌性增加，但是在許多鋼的回火溫度與沖擊韌度的關系曲線中會出現2個低谷，一個在200～350 ℃，另一個在450～650 ℃[2]。這種隨著回火溫度升高，沖擊韌度反而降低的現象稱為鋼的回火脆性。前者稱為第一類回火脆性，也叫低溫回火脆性；后者稱為第二類回火脆性，也叫高溫回火脆性。因鋼的含碳量和合金元素的含量不同，回火脆性溫度區間也會有差異。文獻[2]的研究認為，由于鋼中的ε-FexC轉變為θ-Fe3C或X-Fe5C2的溫度與產生脆性的溫度相近，故認為鋼的第一類脆性是新生成的碳化物沿板條馬氏體的板條、束的邊界或在片狀馬氏體的孿晶帶和晶界上析出，因而導致鋼的韌性明顯降低。繼續升高回火溫度，由于碳化物的聚集、長大和球化，改善了各類界面的脆化性質，因而又使鋼的沖擊韌度提高。試驗中G95Cr18鋼在350 ℃回火后的沖擊韌度出現了最低值(除常規的150 ℃回火外)，故該軸承鋼的第一類回火脆性溫度在350 ℃左右。

5 結論

(1)G95Cr18鋼在150～300 ℃回火時，沖擊韌度隨回火溫度的升高不斷增大，至300 ℃回火時，沖擊韌度達到最大值。

(2)G95Cr18鋼在350 ℃回火后沖擊韌度最低(除常規的150 ℃回火外)，因此，該鋼的第一類回火脆性溫度在350 ℃左右。

(3)通過觀察沖擊斷口可知，纖維區(含裂紋源區)+放射區在斷口上所占面積的比例與相應回火溫度下的沖擊韌度值基本一致。