滲氮預處理對GCr15軸承鋼性能的影響

王浩,葉健熠,薛文方,王鑫,馮江

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

GCr15鋼是一種合金含量少、性能優良、應用廣泛的高碳鉻軸承鋼，常規淬回火后具有高而均勻的硬度和一定的沖擊韌性。要提高其回火穩定性、表面硬度、耐磨性、疲勞強度及抗腐蝕能力，需對零件進行表面強化處理，如滲碳、滲氮、碳氮共滲等[1]。氮原子與碳原子的直徑相近，都能以間隙固溶體的方式溶入α-Fe和γ-Fe，氮具有降低Ms點的作用，將鋼件表層滲氮或碳氮共滲，可改善表層多種性能。鋼件表層滲氮或碳氮共滲的熱處理工藝方法可分為：1)低溫(520～570 ℃)氨分解滲氮(一段式或二段式)→在保護氣氛中正常奧氏體化淬火→回火；2)在奧氏體化溫度碳氮共滲→淬回火。其中，GCr15鋼碳氮共滲技術已應用于柴油機噴油嘴、空心圓柱滾子等零件，使其回火穩定性、耐磨性等得以提高[2-3]。但碳氮共滲溫度一般在820～840 ℃，碳氮共滲時間較長，奧氏體晶粒易長大，淬火組織易偏粗。國內對低溫氨分解滲氮作為GCr15鋼表面預處理的研究相對較少。

現對GCr15軸承套圈進行表面滲氮預處理，研究了預滲氮處理后套圈的淬回火金相組織、表面硬度、硬度梯度和回火穩定性，并與未經滲氮處理的GCr15軸承套圈進行對比分析。

1 試驗

選用材料為GCr15軸承鋼的B7011C/01套圈作為試樣。滲氮預處理采用一段式氣體滲氮工藝：540 ℃×30 h，氣氛為氨氣。在RCWC9型保護氣氛網帶爐中加熱淬火，在WD9-0.5型低溫試驗箱中冷處理，淬火和冷處理工藝見表1，然后分別在150，200，250，300 ℃下回火4 h。利用HR-150A型洛氏硬度計和HBV-30A型顯微維氏硬度計分別測試表面硬度、滲氮硬化層硬度。

表1 熱處理工藝

2 結果與分析

2.1 組織分析

圖1、圖2分別為滲氮預處理試樣和未滲氮試樣經淬火+150 ℃回火的100和500倍金相組織。由圖1a、圖2a、圖2b可知，滲氮預處理后，軸承鋼金相組織由3部分組成：1)白亮層：表層出現很薄的白亮氮化物層，深度約0.01 mm；2)滲氮硬化層(含過渡層)：根據金相觀察，并結合硬度法測量，滲氮硬化層深度約為0.50 mm，滲氮層組織主要為碳/氮馬氏體和殘余奧氏體組成，滲氮硬化層中的碳/氮化物顆粒細小，均勻分布在基體上，與心部組織相比，碳/氮化物顆粒顯著增多；3)心部：馬氏體組織、均勻分布的細小碳化物顆粒和少量殘余奧氏體。由圖1b和圖2c可知，未經滲氮預處理的軸承鋼表面和心部均為正常馬氏體組織，由隱針馬氏體、亮白色點狀碳化物以及少量殘余奧氏體組成。

圖1 淬火+150 ℃回火后的低倍金相組織(100×)

圖2 淬火+150 ℃回火后的高倍金相組織(500×)

2.2 不同回火溫度對硬化層硬度的影響

不同回火溫度下的滲氮硬化層硬度如圖3所示。由圖可知，距表面距離一定時，硬化層硬度隨回火溫度的升高而降低；回火溫度一定時，硬化層硬度隨距表面距離的增加而降低。其中，經過150 ℃回火試樣的硬化層硬度在距表面約0.50 mm以后趨于恒定；經過200 ，250 ，300 ℃回火的試樣距表面0.9 mm后硬度趨于恒定，并且表面硬度比心部硬度高1～2 HRC。這是因為含碳氮馬氏體具有較高的過飽和度，在回火過程中會析出更多的碳氮化物，從而提高基體硬度。隨著回火溫度的升高，碳氮化物可以繼續析出，使基體硬度提高[4]。

2.3 抗回火穩定性

滲氮預處理和未滲氮的淬火套圈在不同溫度下回火4 h后的表面硬度如圖4所示。由圖可知，2種試樣的表面硬度均隨回火溫度的升高而降低，但在相同淬回火條件下，較低溫度(150 ℃)回火后，氮預處理試樣的表面硬度比未滲氮處理試樣的表面硬度差約2 HRC，隨回火溫度升高硬度差值增大，故滲氮預處理可提高GCr15軸承鋼的回火穩定性。這是由于表層富含大量氮元素，在淬火加熱時固溶到奧氏體晶格中，淬火時再固溶到馬氏體基體中形成含氮馬氏體，對鋼起到固溶強化作用。氮元素與合金元素之間的結合力大于碳，氮原子固溶到基體中可以增加其穩定性，從而延緩分解過程。同時，未溶及回火析出的細小氮化物彌散分布于馬氏體基體上，起到彌散強化作用。

圖4 不同回火溫度下的表面硬度

滲氮硬化層的回火穩定性較高，因此軸承零件進行高溫回火能夠提高尺寸穩定性及心部韌性，也可以使馬氏體中ε碳化物析出，降低馬氏體內應力，有利于提高軸承套圈的使用壽命。

3 結論

1)GCr15軸承鋼滲氮預處理后進行淬回火，可在表面形成約0.50 mm的硬化層。

2)GCr15軸承鋼滲氮預處理后，表面硬度及回火穩定性提高，有利于提高軸承套圈的使用壽命。