GCr15鋼制薄壁軸承套圈高壓氣淬工藝及分析

李付偉，龔建勛，宋華華，劉匯河，王兵信

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

GCr15鋼在熱處理加熱過程中，通常會發生氧化、脫碳、增碳等現象，為此嘗試使用真空氣淬工藝。真空高壓氣淬工藝具有無氧化、無脫碳的特點，可以實現光亮熱處理，使零件脫脂、脫氣、避免表面污染和氫脆，同時可以實現對加熱速度和冷卻速度的控制，減小熱處理變形，提高材料性能。國外高壓氣淬工藝在多種材料上得到成熟應用，熱處理產品質量得到明顯提高。我國高壓氣淬研究近幾年剛剛起步，僅在少量材料上使用，GCr15鋼尚未涉及，因此，高壓真空氣淬熱處理應作為研究的重點[1-2]。

對于普通壁厚的GCr15鋼軸承套圈，常規油淬工藝已能滿足產品變形的要求，而薄壁軸承套圈的加工一直是軸承熱處理的難點，下文研究GCr15鋼薄壁軸承套圈氣淬的淬透性，通過對比高壓真空氣淬和普通油淬對套圈硬度、組織和變形的影響，探索GCr15鋼薄壁套圈高壓氣淬的可行性，為實際應用提供依據。

1 試驗

1.1 試樣

試樣為某型GCr15鋼制薄壁軸承外圈，經退火處理后車制成形，其主要尺寸為：外徑200 mm，寬度35 mm，有效壁厚5 mm。采用直讀光譜法測得的材料化學成分(質量分數)見表1。由表中數據可知，材料元素含量符合GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》的要求。

表1 GCr15軸承鋼化學成分 w,%

1.2 試驗方法

將套圈分成2組進行試驗，一組進行普通油淬熱處理，具體工藝為：835 ℃×40 min加熱保溫+油冷淬火+170 ℃×240 min回火；另一組進行真空高壓氣淬處理，具體工藝為：835 ℃×40 min加熱保溫+0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 MPa(3,4,5,6,7 bar,生產中常用壓力范圍)的高純氮氣氣冷淬火+170 ℃×240 min回火。

1.3 試驗設備

設備為ICBPH100TG-TH型低壓真空滲碳爐，RDES-270/9-900CN型轉底式爐，回火油爐，OLYMPUS倒置式金相顯微鏡，HR-150A 型洛氏硬度計，D914型寬徑測量儀和G804型直徑測量儀。

2 結果與分析

2.1 淬透性

分別在0.3，0.4，0.5，0.6和0.7 MPa的氣淬壓力下對軸承套圈進行試驗，測試其表面及心部的硬度值，然后與生產中使用的普通空氣加熱油淬工藝的試樣進行對比，結果見表2。通過對比發現，對于壁厚為5 mm的軸承套圈，在氣淬壓力為0.3～0.7 MPa的常用壓力范圍內，均能很好地淬透，中心處與表面的硬度值相差不大，且硬度值全部符合JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》的要求。

表2 不同熱處理工藝試驗后的硬度對比

2.2 金相組織

經真空高壓氣淬的試樣表面光亮，無氧化皮,呈銀灰色，且均勻一致，2種方法淬回火后隨機各選取1件套圈制取金相試樣。普通油淬顯微組織(M4級)如圖1所示，高壓氣淬顯微組織(M3級)如圖2所示。由圖可見,不同壓力下試樣的組織基本一致，均由均勻分布的細小馬氏體+細小殘留碳化物+少量的殘余奧氏體組成。由于氣淬時冷卻的一致性更好，故氣淬后的組織更加細小均勻。

圖1 普通油淬后的顯微組織

圖2 不同壓力下氣淬后的試樣顯微組織

2.3 硬度

為了保證回火工藝的一致性，對淬火后的同一爐次套圈進行回火處理，然后檢測2種工藝套圈的硬度，每個套圈測量3點，即沿圓周方向每隔120°測試一點，取平均值，結果見表3。

由表3可知，隨著氣淬壓力的增加，套圈硬度值略有增大，但真空氣淬后的硬度值比普通油淬的略有降低，但仍在硬度要求范圍內。分析認為硬度降低可能是由于氣淬時冷卻速度比油淬時冷卻速度慢所致，但高壓氣淬后套圈硬度均勻性更好，因此，高壓真空氣淬適用于GCr15鋼制薄壁精密軸承零件的加工。

表3 不同熱處理工藝試驗后的硬度 HRC

2.4 變形

套圈變形的根本原因是淬火過程中產生的熱應力和組織應力。普通油冷淬火時由于入油的不同時性，造成套圈不同部位的冷卻速度存在一定的差異，且淬火油的冷卻速度較快，油淬時產生了較大的熱應力和組織應力，使得套圈出現較大的變形和翹曲，尤其寬度較大套圈的錐度問題尤為明顯。高壓氣淬是采用氮氣作為淬火介質，氮氣從各個方向同時沖入淬火室，改善了套圈的冷卻方式，保證了套圈冷卻的同時性和均勻性，故可減少產品的變形和翹曲，尤其是避免了寬度較大套圈的錐度問題。

熱處理后套圈變形檢測結果見表4。從表中數據可知，隨著淬火壓力的增加，套圈的直徑變動量和端面翹曲量逐漸增加，但氣淬后的套圈變形量仍優于普通油淬，尤其是套圈的錐度顯著改善。因此，對于GCr15鋼薄壁軸承套圈，在保證硬度組織滿足要求的前提下，應盡量選取較小的氣淬壓力。

表4 不同熱處理后套圈變形檢測結果對比 mm

3 結論

1)隨著氣淬壓力的增大，套圈硬度值略有增加，套圈變形量亦呈增加趨勢，真空氣淬后的硬度值較普通油淬的略有降低，但仍能滿足JB/T 1255—2014標準的要求。

2)隨著氣淬壓力的增加，套圈變形量呈增大趨勢，但氣淬后的套圈變形量優于普通油淬。

3)GCr15鋼薄壁軸承套圈最佳氣淬壓力為0.3～0.4 MPa，此時套圈變形較小，且淬火組織和硬度均滿足JB/T 1255—2014標準的要求。