回火熱處理對GCr15軸承鋼顯微組織和力學性能的影響

薛冰，陳世洪，任永勝，殷鳳仕，單騰，邵明皓

(1.山東理工大學 機械工程學院,山東 淄博 255049；2.山東理工大學 化學化工學院,山東 淄博 255049)

一種小尺寸偏心電機的裝配示意圖如圖1所示，電機軸見圖2。該電機軸旋轉中心與連桿的連接軸中心相距5 mm并受負載扭矩，因此對該電機軸選材提出的性能要求有：高強度、高硬度、高耐磨性和高沖擊韌性。眾所周知，調質鋼經淬火、高溫回火后具有較好的綜合力學性能，常用于軸類零件的制造[1]，為提高表面硬度和耐磨性，調質處理后常采用表面淬火處理[2-4]，工藝復雜、制造成本高。此前使用調質鋼制造該偏心電機軸出現了失效問題。本文提出選用GCr15鋼采用淬火加回火的最終熱處理工藝，研究熱處理工藝對GCr15鋼顯微組織和力學性能的影響，并探討采用GCr15鋼制造該電機軸的可行性。

1.轉軸;2.偏心連接2;3.深溝球軸承625-Z;4.墊圈;5.偏心連接1。 圖1 電機裝配示意圖Fig.1 Assembly diagram of eccentric motor

圖2 電機軸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the motor shaft

1 實驗材料與方法

實驗材料為 GCr15軸承鋼，主要化學成分見表1。選取直徑為φ14 mm、經球化退火處理后的熱軋棒材加工成電機軸，加熱至830 ℃保溫1 h后油冷淬火，然后分別在200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃保溫1 h后水冷回火處理。

表1 GCr15化學成分(質量分數，%)Tab.1 Chemical composition of GCr15 (mass fraction, %)

從經過不同回火溫度后的電機軸取樣進行組織觀察和硬度測試，并加工55 mm×7 mm×7 mm的無缺口沖擊試樣。采用FEI Quanta250冷場發射掃描電鏡觀察顯微組織和沖擊斷口形貌，利用200HRS-150數顯洛氏硬度計測定不同熱處理后試樣的硬度，使用JBS-300B數顯沖擊試驗機測試沖擊吸收功。金相刻蝕液為4%硝酸酒精溶液。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

圖3是200 ℃和450 ℃回火處理后的顯微組織照片。由圖3可知，經過不同溫度回火處理后的電機軸的顯微組織相似，均為回火馬氏體和顆粒狀殘余碳化物。回火溫度為200 ℃時，回火馬氏體中的碳化物析出不明顯；回火溫度為450 ℃時，回火馬氏體中的碳化物沿馬氏體片界析出并長大。

(a)200 ℃金相圖

(b)200 ℃掃描電鏡圖

(c)450 ℃金相圖

(d)450 ℃掃描電鏡圖圖3 GCr15軸承鋼在不同回火溫度下的顯微組織Fig.3 Microstructure of GCr15 bearing steel at different tempering temperatures

2.2 力學性能

圖4為試樣經不同溫度回火處理后的硬度變化圖。從圖4中可以看出，在200～300 ℃范圍內,隨回火溫度升高，洛氏硬度值略有升高；在300～450 ℃范圍內，隨回火溫度的升高，合金硬度逐漸下降，450 ℃回火時平均硬度值為52.4 HRC。結合其顯微組織分析可知，較低溫度回火時，碳從馬氏體中析出形成的碳化物非常細小，彌散強化效果大于馬氏體由于過飽和度降低引起的固溶強化效果降低，故硬度變化不明顯；在300～450 ℃回火時，隨溫度升高，回火更加充分，且馬氏體中析出的碳化物發生聚集、長大，對位錯的釘扎作用減弱，使合金硬度下降[5-7]。

圖4 試樣經不同溫度回火后硬度變化圖Fig.4 Hardness change diagram of GCr15 bearing steel after tempering heat treatment at different temperatures

圖5是不同回火溫度條件下沖擊吸收功變化趨勢圖。從圖5中可以看出，隨著回火溫度的升高，沖擊吸收功逐漸增大，當回火溫度為450 ℃時，沖擊吸收功為136 J。

圖5 不同回火溫度條件下沖擊吸收功變化趨勢圖Fig.5 Trend chart of impact absorption power at different tempering temperatures

圖6是實驗鋼在200 ℃和450 ℃回火處理后的沖擊試樣宏觀形貌。從圖6中可以看出，回火溫度為200 ℃時沖擊試樣變形較小，而經450 ℃回火處理后的沖擊試樣變形較大。

(a)200 ℃ (b)450 ℃ 圖6 不同溫度回火處理后的沖擊試樣宏觀形貌Fig.6 Macromorphology of impact specimens after tempering heat treatment

圖7是經200 ℃和450 ℃回火處理后沖擊試樣的斷口形貌SEM照片。從圖7中可以看出，經200 ℃回火處理后，試樣斷口表面存在大量脆性沿晶斷裂區，塑性斷裂特征的韌窩特征面積較少且韌窩較淺；當回火溫度為450 ℃時，沖擊試樣斷口表面分布有大量韌窩，屬典型的韌性斷裂。

(a)200 ℃

(b)450 ℃圖7 回火處理后沖擊試樣斷口形貌掃描電鏡照片Fig.7 SEM images of fracture morphology of impact specimen after tempering

3 討論

因偏心電機軸受負載扭矩，所以對其選材提出了高強度、高硬度、高耐磨性和高沖擊韌性的要求。若采用傳統調質鋼制造，經調質處理后需要進行表面淬火才能滿足表面高硬度的要求，因此本文提出選用GCr15作為偏心電機軸的材料。研究發現，在200～450 ℃范圍內經過保溫1 h的回火處理后，合金顯微組織均為回火馬氏體和殘余碳化物；隨回火溫度升高，馬氏體中析出的碳化物顆粒聚集、長大。硬度變化趨勢與回火溫度呈負相關，沖擊吸收功與回火溫度呈正相關。當回火溫度為450 ℃時，其硬度為51～54 HRC，沖擊吸收功為105～140 J，表現出良好的韌性。而調質鋼表面淬火處理后硬度為45～55 HRC，沖擊功為80～120 J[8]。采用GCr15合金經830 ℃×1 h油冷+450 ℃×1 h水冷處理后，其硬度和韌性均優于傳統調質鋼，同時還可減少表面淬火工序，降低成本。

4 結論

1)GCr15鋼經過830 ℃×1 h油冷淬火后，在200～450 ℃范圍內，總體上其硬度變化趨勢與回火溫度呈負相關，沖擊吸收功變化趨勢與回火溫度呈正相關。

2)GCr15鋼經過830 ℃×1 h油冷淬火和450 ℃×1 h水冷處理后，顯微組織為回火馬氏體和顆粒狀殘余碳化物，其硬度為51～54 HRC，沖擊吸收功為105～140 J，具有良好的強韌性。