不同淬回火組織GCr15軸承鋼球的性能對比分析

歐亮龍，葉健熠，馮繼偉，夏謙

(1.洛陽軸承研究所有限公司，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鋼是常用的滾動軸承材料，根據軸承的使用要求，其淬火方式主要是常規馬氏體淬火、淬火后高溫回火和下貝氏體等溫淬火，淬回火方式不同，得到的組織也不相同，不同組織對性能影響很大，一般情況下常規馬氏體淬火得到的組織硬度高，但脆性大；高溫回火后硬度降低，韌性提高[1-3]；GCr15和GCr18Mo鋼經等溫淬火得到下貝氏體組織，硬度適中，韌性優良[4-6]。因此，在承受較大沖擊載荷下使用的軸承零件，尤其是套圈經常采用等溫淬火[7]。而鋼球通常采用馬氏體淬回火，采用等溫淬火以獲得下貝氏體組織的情況卻不常見。現以φ10 mm GCr15鋼球為例，通過試驗研究其在上述3種淬火工藝下得到的3種組織的硬度、壓碎載荷、抗回火性等性能，為等溫淬火在鋼球上的應用提供基礎試驗數據。

1 試驗條件

1.1 試樣

試驗用GCr15原材料均為熱軋退火盤條，直徑為7.1 mm，化學成分和冶金質量分別見表1、表2。

表1 GCr15原材料的化學成分

表2 GCr15原材料的冶金質量

1.2 試驗設備

鋼球馬氏體淬火和貝氏體淬火設備分別為RCWC9-6000×600型可控氣氛網帶爐和AICHELIN鹽淬多用爐，抗回火性能試驗設備為XC881-T遠紅外快速節能烘干箱和DQX-30-6箱式電阻爐。

1.3 鋼球的熱處理工藝

φ10 mm鋼球的生產過程為：冷鐓→去應力退火→軟磨→淬回火→檢驗淬回火后鋼球的硬度、組織、壓碎載荷等→熱檢合格后轉入磨削加工→成品。

把鋼球分成3組(每組3個)，分別用Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ組表示，Ⅰ和Ⅱ組在可控氣氛網帶爐中淬火，淬火工藝相同，回火溫度不同；Ⅲ組為貝氏體淬火。具體熱處理工藝如圖1所示。

圖1 熱處理工藝曲線

2 結果與分析

2.1 鋼球的硬度和組織

依據GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》檢驗評定淬回火后鋼球的硬度(每個鋼球隨機測3點)，結果見表3，熱處理后各組織的金相圖如圖2所示，晶粒度如圖3所示，按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》分別被評定為8.2，8.2，8.0級。

圖2 熱處理后組織的金相圖

圖3 熱處理后組織的晶粒度

表3 淬回火后鋼球的硬度

由表3可知，與Ⅱ，Ⅲ組鋼球相比，Ⅰ組鋼球的硬度高出2～3 HRC。

綜上可知，3組鋼球淬回火組織形態不同，但晶粒度基本一致，排除了晶粒度對鋼球性能的影響。

2.2 鋼球的壓碎載荷

通過鋼球壓碎試驗既可以發現鋼球熱處理和原材料方面的缺陷，又可以研究不同回火溫度下各個指標的變化規律[6]。依據GB/T 34891—2017中鋼球壓碎載荷測試方法對熱處理后的鋼球進行壓碎載荷試驗，3組鋼球同時試驗，加載速度相同，均為1.3 kN/s，試驗結果見表4。

表4 淬回火后鋼球的壓碎載荷

由表4可知，下貝氏體與高溫回火馬氏體的壓碎載荷值較高，且基本相當；常規回火組的壓碎載荷值較低。Ⅱ，Ⅲ組鋼球平均壓碎載荷值分別是Ⅰ組的1.42，1.48倍，故Ⅰ組鋼球具有更高的脆性，Ⅱ，Ⅲ組鋼球硬度較低，具有較好的韌性及較低的裂紋敏感性。

2.3 抗回火性能

取Ⅰ，Ⅲ組淬回火鋼球分別在200，240，250，300，350，400，450 ℃回火3 h，檢測回火后鋼球的硬度，并分析常規馬氏體與下貝氏體的抗回火性能，回火后硬度平均值如圖4所示。

圖4 GCr15鋼馬氏體組織與下貝氏體組織的抗回火性能對比

由圖4可知，抗回火性能試驗中，與Ⅰ組鋼球相比，Ⅲ組鋼球的抗回火性能更優。GCr15鋼球貝氏體組織的抗回火性能明顯優于常規馬氏體組織的抗回火性能，即在相同回火工藝下，下貝氏體組織的硬度下降值小于馬氏體組織。

3 結論

1)GCr15鋼球在240 ℃回火和240 ℃等溫淬火后得到的組織不同，但硬度值、壓碎載荷值相當，兩者的壓碎載荷值明顯高于常規馬氏體回火的鋼球。

2)GCr15鋼球等溫淬火后得到的貝氏體組織的抗回火性能明顯優于常規馬氏體組織的抗回火性能。

3)要得到高強韌性的GCr15鋼球，除了采用高溫回火外，也可以采用等溫淬火，以得到完全下貝氏體組織。