熱處理對G95Cr18和G102Cr18Mo鋼的組織和力學性能的影響

袁兆靜

(上海市軸承技術研究所，上海 201801)

G95Cr18屬于高碳鉻馬氏體不銹鋼，由于該材料具有高硬度、高耐磨性和耐腐蝕性，被廣泛用于航空、航天、核工業等特種工業領域[1- 4]。隨著軸承尺寸的增大，要求鋼具有足夠的淬透性。為滿足這一要求，很多國家都通過加入少量的Mo來提高高碳鉻軸承鋼的淬透性[5- 6]。G102Cr18Mo鋼就是在G95Cr18鋼的基礎上加入Mo的鋼種。與G95Cr18鋼相比，G102Cr18Mo鋼具有更高的淬透性和抗回火穩定性。此外，Mo元素的添加還可細化退火組織，減小淬火畸變，提高疲勞強度，改善力學性能[7]。由于G95Cr18鋼和G102Cr18Mo鋼均為高碳高鉻不銹鋼，因此鋼的組織中將不可避免地產生大塊共晶碳化物，且有些碳化物呈帶狀分布，在隨后的熱處理過程中很難消除，將影響軸承套圈的車削加工、研磨和精拋光。當軸承承受較大載荷時，在共晶碳化物處易產生疲勞裂紋，使軸承過早失效。因此，研究經不同工藝熱處理的高碳鉻馬氏體不銹鋼共晶碳化物的形貌、尺寸和分布顯得尤為重要。

本文研究了淬火、冷處理和回火處理后G95Cr18和G102Cr18Mo鋼的組織和力學性能，并研究了回火溫度對兩種鋼碳化物的尺寸、形貌和分布的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗設備及試樣制備

淬火設備為真空油淬爐，試驗用原材料為退火態G95Cr18和G102Cr18Mo鋼棒材。 G95Cr18鋼和G102Cr18Mo鋼的試樣尺寸分別為φ18 mm×5 mm和φ20 mm× 5 mm，鋼的化學成分列于表1、表2。

表1 G95Cr18鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the G95Cr18 steel (mass fraction) %

表2 G102Cr18Mo的化學成分(質量分數)Table 2 Chemical composition of the G102Cr18Mo steel (mass fraction) %

1.2 試驗方法

熱處理工藝如圖1所示。首先將試樣在1 060 ℃保溫1 h后油淬，隨后在-70 ℃冷處理2 h。最后分別在250和270 ℃回火3 h后空冷。采用HBRVU- 187.5型布洛維光學硬度計測定試樣在不同熱處理階段的硬度，每個試樣測5點，取平均值。采用JBNS- 300型數顯擺捶式沖擊試驗機進行沖擊試驗，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。隨后，采用光學顯微鏡觀察熱處理后試樣的顯微組織和沖擊試樣的斷口形貌。采用XSTRESS 3000 X射線殘余應力儀檢測回火態試樣的殘留奧氏體量。

圖1 G95Cr18和G102Cr18Mo鋼的熱處理工藝Fig.1 Heat treatment process for the G95Cr18 and G102Cr18Mo steels

2 試驗結果及分析

圖2為退火態G95Cr18和G102Cr18Mo鋼試樣的顯微組織。由圖2 (a，b)可知，兩種鋼的退火態組織均為一次碳化物和粒狀珠光體。一次碳化物較粗大，呈塊狀；二次碳化物較細小，呈球狀，均勻彌散地分布在鐵素體基體中。圖2(c，d)均為帶狀碳化物，但兩種鋼的帶狀碳化物分布有明顯區別：G95Cr18鋼中碳化物條帶分布較密集，G102Cr18Mo鋼中碳化物條帶較少。根據GB/T 14979—94，G95Cr18鋼碳化物分布可評為2級，G102Cr18Mo鋼碳化物分布可評為3級。

圖3為G95Cr18和G102Cr18Mo鋼在1 060 ℃保溫1 h油淬后的組織。由圖3可知，淬火后G102Cr18Mo鋼中一次碳化物的尺寸約為10 μm，略大于G95Cr18鋼中一次碳化物的尺寸(約為6 μm)。此外，兩種鋼的淬火組織中二次碳化物均呈細小的球狀，分布均勻。

圖4為在不同溫度回火3 h的G95Cr18和G102Cr18Mo鋼試樣橫截面的顯微組織。由圖4可知，經250 ℃回火后，G95Cr18和G102Cr18Mo鋼中二次碳化物部分分解，G102Cr18Mo鋼中殘留的二次碳化物較為細小。在270 ℃回火后，G95Cr18和G102Cr18Mo鋼中殘留的二次碳化物均略微粗大些。根據JB/T 1460—2011，回火后G95Cr18鋼的組織可評為4級(馬氏體+少量殘留二次碳化物和一次碳化物+少量殘留奧氏體)，G102Cr18Mo鋼的組織可評為3級(馬氏體+適量殘留二次碳化物和一次碳化物+少量殘留奧氏體)。

圖2 退火態G95Cr18鋼試樣(a)橫截面、(c)縱截面和G102Cr18Mo鋼試樣(b)橫截面、(d)縱截面的顯微組織Fig.2 Microstructures in (a, b) cross and (c, d) longitudinal sections of (a, c) the G95Cr18 steel and (b, d) the G102Cr18Mo steel specimens after annealing

圖3 淬火態G95Cr18鋼 (a)和G102Cr18Mo 鋼(b)試樣橫截面的顯微組織Fig.3 Microstructures in cross sections of (a) the G95Cr18 steel and (b) the G102Cr18Mo steel specimens after quenching

圖5為在不同溫度回火3 h后G95Cr18和G102Cr18Mo鋼試樣的縱截面顯微組織。由圖5可知，G95Cr18鋼的碳化物帶狀分布比G95Cr18Mo鋼明顯。根據GB/T 14979—94，G95Cr18和G95Cr18Mo鋼分別可評為2級和3級。帶狀碳化物是枝晶偏析帶在奧氏體化后的軋制冷卻過程中高碳濃度區碳化物析出過剩而產生的，會增大熱處理開裂傾向，降低材料的疲勞性能[8]。兩種鋼試樣的縱截面組織表明， G95Cr18Mo鋼的共晶碳化物的均勻性優于G95Cr18鋼。

表3為G95Cr18和G102Cr18Mo鋼在250和270 ℃回火3 h后的力學性能。由表3可知，提高回火溫度，G95Cr18和G102Cr18Mo鋼的硬度均略有提高，且G95Cr18鋼的硬度略低于G102Cr18Mo鋼。由不同溫度回火后兩種鋼的殘留奧氏體含量測定可知，回火溫度的提高使殘留奧氏體含量減少， G95Cr18鋼的殘留奧氏體含量由原來的5.2%降低到了2.0%，G102Cr18Mo鋼的殘留奧氏體含量由原來的7.4%降低到了2.5%。通常，殘留奧氏體含量將影響材料的硬度，本文測得的殘留奧氏體含量差異較小，因此對鋼的硬度影響較小。沖擊試驗結果表明，回火溫度的提高對鋼的沖擊韌性的影響較小，且G95Cr18鋼的沖擊韌性略大于G102Cr18Mo鋼。在250 ℃回火后，G95Cr18鋼的沖擊吸收能量為3.3 J，G102Cr18Mo鋼的沖擊吸收能量為2.3 J；在270 ℃回火后，G95Cr18鋼的沖擊吸收能量為3.7 J，G102Cr18Mo鋼的沖擊吸收能量為2.7 J。圖6為G95Cr18和G102Cr18Mo鋼沖擊試樣的斷口形貌。從試樣的宏觀觀察發現，試樣無明顯塑性變形，均為脆性斷裂，并且裂紋的擴展趨勢表明為準解理斷裂。

圖4 G95Cr18鋼試樣經(a)250 ℃和(c)270 ℃、G102Cr18Mo鋼經(b)250 ℃和(d)270 ℃回火后的橫截面顯微組織Fig.4 Microstructures in cross sections of (a, c) the G95Cr18 and (b, d) the G102Cr18Mo steel specimens tempered at (a, b) 250 ℃ and (c, d) 270 ℃

圖5 G95Cr18鋼試樣經(a)250 ℃和(c)270 ℃、G102Cr18Mo鋼經(b)250 ℃和(d)270 ℃回火后的縱截面顯微組織Fig.5 Microstructures in longitudinal sections of (a, c) the G95Cr18 and (b, d) the G102Cr18Mo steel specimens tempered at (a, b) 250 ℃ and (c, d) 270 ℃

表3 G95Cr18和G102Cr18Mo鋼在250和270 ℃回火3 h后的殘留奧氏體含量和力學性能Table 3 Residual austenite contents and mechanical properties of G95Cr18 and G102Cr18Mo steel tempered separately at 250 ℃ and 270 ℃ for 3 h

3 結論

(1)G95Cr18和G102Cr18Mo鋼經1 060 ℃×1 h/油冷、-70 ℃×2 h冷處理和分別在250 、270 ℃回火3 h空冷后，G102Cr18Mo鋼中的二次碳化物比G95Cr18鋼中的細小。G95Cr18鋼的共晶碳化物不均勻度可評為2級，G102Cr18Mo鋼的可評為3級。

(2)經上述工藝熱處理后，G102Cr18Mo鋼的硬度略高于G95Cr18鋼，兩者的殘留奧氏體含量差異不大。經270 ℃回火后，兩種鋼的硬度均略有提高，殘留奧氏體含量有所下降。

(3)改變回火溫度對兩種鋼的沖擊韌性影響較小，但G95Cr18鋼的沖擊韌性均優于G102Cr18Mo鋼。在250 ℃回火后，G95Cr18鋼的沖擊吸收能量為3.3 J，G102Cr18Mo鋼為2.3 J；270 ℃回火后，G95Cr18鋼的沖擊吸收能量為3.7 J，G102Cr18Mo鋼為2.7 J。

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