高氮不銹軸承鋼G30Cr15Mo1SiN淬火及常規(guī)回火工藝與性能

王 鑫，葉健熠，劉傳銘，薛文方，單瓊飛

（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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039；3.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國家國際科技合作基地，河南 洛陽 471039）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，不銹軸承鋼材料的應(yīng)用范圍越來越廣泛，不僅用于航空、航天、核工業(yè)以及高新技術(shù)產(chǎn)品中，還廣泛用于化工、石油、船舶和食品等行業(yè)中。目前，國內(nèi)外不銹軸承鋼材料G95Cr18或G102Cr18Mo中的共晶碳化物顆粒及分布不均勻，熱處理時(shí)無法消除，對軸承套圈的磨削和超精工序產(chǎn)生不利的影響，不能很好的滿足軸承對噪音及精度的要求[1，2]。另外，其防銹性能在特殊環(huán)境下也不理想。基于這種情況，國內(nèi)外開發(fā)了高氮不銹軸承鋼，主要有：①G30Cr15Mo1SiN（簡稱G30），國外牌號為X30CrMoN15-1[3]；②G40Cr15Mo2VN，國外牌號X40CrMoVN16-2[4]。這兩個(gè)鋼種均為中碳、高氮含量的不銹鋼，該類材料中均勻分布著細(xì)小的粒狀碳氮化合物，類似于高碳鉻軸承鋼的球化退火組織，而不出現(xiàn)高碳鉻不銹鋼中粗大的共晶碳化物和針片狀共晶碳化物等脆性相[5]，氮的加入也提高了鋼的強(qiáng)度、韌性和耐蝕性[6]。由于此類材料多用于制造高端精密軸承，故其淬回火后的硬度應(yīng)≥58HRC和殘余奧氏體含量要低，以使軸承具有良好耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性。為了滿足精密級軸承基本的使用特點(diǎn)，本文對G30Cr15Mo1SiN的熱處理工藝進(jìn)行了詳細(xì)的研究和性能測試分析，優(yōu)選出了該鋼的最佳熱處理工藝。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為G30φ55mm熱軋退火棒料，其冶煉方法為真空加壓電渣熔煉。氮元素采用氧氮分析儀測定，其余元素采用光譜法測定，經(jīng)復(fù)驗(yàn)其化學(xué)成分見表1，退火硬度為215HB，退火組織為細(xì)粒狀珠光體。

將該材料機(jī)械加工成15mm×10mm×10mm的試樣若干個(gè)，并分別編成1、2、3、4、5、6共六組，每組10個(gè)～20個(gè)試樣。首先在ZC2-65真空爐中進(jìn)行不同溫度的油淬試驗(yàn)，然后再進(jìn)行不同冷處理和不同回火工藝試驗(yàn)。

對不同溫度油淬后的試樣進(jìn)行硬度和殘余奧氏體測試。采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度測試；采用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀對試樣進(jìn)行殘余奧氏體測試，設(shè)定管流為5.0mA，管壓為20.0KV，馬氏體掃描范圍為144.00°～168.00°，奧氏體掃描范圍為125.00°～132.00°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淬火溫度對試樣硬度、殘余奧氏體影響

淬火溫度是影響熱處理組織和性能的重要因素，為了研究淬火溫度對試樣的影響，選擇950℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃六個(gè)淬火溫度在真空爐中進(jìn)行工藝試驗(yàn)，每組試樣的淬火保溫時(shí)間相同，具體工藝對硬度及殘余奧氏體的影響見表2。

表2 淬火溫度對硬度和殘余奧氏體的影響

由表2可以看出，隨著淬火溫度的升高，試樣淬火硬度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢，淬火溫度超過1040℃后，試樣淬火硬度明顯開始降低。這是因?yàn)殡S淬火溫度的升高，碳化物、氮化物不斷溶解，基體中的碳、氮含量提高，從而使淬火后馬氏體的硬度提高。但是，碳和氮都是強(qiáng)奧氏體形成元素，它們的固溶會增強(qiáng)奧氏體的穩(wěn)定性導(dǎo)致淬火后殘留奧氏體的含量增多，從而降低淬火硬度。當(dāng)淬火溫度低時(shí)，馬氏體的轉(zhuǎn)變量及殘余奧氏體的含量都較低，當(dāng)淬火溫度升高時(shí)，殘留奧氏體對硬度的影響更大，因此才會出現(xiàn)硬度先升后降。當(dāng)兩方面的作用達(dá)到最佳平衡時(shí)，試樣的硬度達(dá)到最大。

表1 化學(xué)成分/wt%

2.2 冷處理和回火對硬度和殘余奧氏體影響

2.2.1 冷處理和回火對硬度的影響

對上述六種淬火試樣均采用-78℃一次冷處理相同時(shí)間＋150℃回火相同時(shí)間外，對第四組淬火試樣再用不進(jìn)行冷處理而直接回火，分步驟詳細(xì)考察硬度變化情況，結(jié)果見表3。

2.2.2 冷處理和回火對殘余奧氏體的影響

從4、6組淬火試樣中隨機(jī)抽取試樣，按下述工藝進(jìn)行冷處理和回火后檢測試樣的殘余奧氏體含量，其中A試樣、B試樣、C試樣從第4組淬火試樣中隨機(jī)抽取，D試樣從第6組淬火試樣中隨機(jī)抽取，每個(gè)試樣測量三個(gè)殘余奧氏體值并求平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同冷處理和回火工藝下的殘余奧氏體含量/%

由表3、4可以看出：①淬火溫度不同，盡管后續(xù)冷處理和回火都一樣，最終得到的硬度也是不同的。以1020℃～1040℃淬火＋冷處理＋150℃回火硬度較高，滿足硬度≥58HRC的要求，試樣不加冷處理過程，淬回火后硬度不能達(dá)到≥58HRC的要求。在淬火溫度為950℃、980℃、1000℃時(shí)由于奧氏體化不充分，在隨后的工藝下，其硬度不能完全達(dá)到58HRC以上；而淬火溫度高于1040℃，比如達(dá)到1060℃時(shí)奧氏體化淬火，則因其奧氏體化程度太過，致使淬火后的殘余奧氏體含量過多，這時(shí)殘余奧氏體的穩(wěn)定性增加，在隨后的冷處理和回火時(shí)，殘余奧氏體并不能大幅度地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，因此，最后的硬度仍然不能達(dá)到58HRC以上的要求。②相同淬火溫度及相同回火溫度下，-78℃冷處理、-196℃深冷處理和回火次數(shù)對殘余奧氏體含量的影響不大，對殘余奧氏體含量影響最大的是淬火溫度。因此，為了兼顧軸承零件具有良好耐磨性（硬度要高）和尺寸穩(wěn)定性（殘余奧氏體含量要低），最佳淬火溫度為1020℃。

1020℃淬火＋冷處理＋150℃回火后的金相組織由細(xì)小針狀馬氏體＋未溶的碳化物顆粒＋殘余奧氏體組成；1060℃淬火＋冷處理＋150℃回火后的組織由粗大針狀馬氏體＋少量未溶的碳化物顆粒＋較多的殘余奧氏體組成。

2.3 回火溫度對硬度的影響

取16塊1020℃淬火＋-78℃一次冷處理后的試樣，分別進(jìn)行不同溫度的回火，每組2塊試樣，考察硬度的變化情況，回火工藝及試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 回火溫度對硬度的影響

由表5可見，回火溫度在130℃～165℃回火后的硬度可達(dá)到58HRC以上；回火溫度在180℃回火后的硬度下降，未能達(dá)到58HRC。因此，回火溫度的選擇不能太高，以150℃±20℃，回火1次～2次為宜。

3 結(jié)論

（1）通過對該鋼常規(guī)淬回火工藝試驗(yàn)得出，隨著淬火溫度的升高，試樣淬火硬度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢，淬火溫度超過1040℃后，試樣淬火硬度明顯開始降低，殘余奧氏體含量升高。

（2）冷處理是該鋼的關(guān)鍵與必要的處理方式，淬火后不進(jìn)行冷處理其回火后的硬度達(dá)不到58HRC以上要求。

（3）1020℃淬火后在-78℃冷處理和-196℃冷處理＋150℃回火后的殘奧含量相差不大，因此，冷處理溫度選擇沒有必要使用液氮冷處理。

（4）該含氮不銹軸承鋼的最佳熱處理工藝為1020℃淬火+-78℃冷處理+150℃±20℃回火，回火1次～2次，經(jīng)過該工藝處理后硬度在58HRC以上，淬回火后的金相組織由細(xì)小針狀馬氏體＋未溶的碳化物顆粒＋殘余奧氏體組成，殘余奧氏體含量在12%左右。