GCr15轴承钢热处理后相结构和尺寸变化研究(4)
1.3 GCr15轴承钢的介绍
GCr15钢是高碳铬轴承钢中使用和生产量最多的牌号，被世界广泛采用。GCr15轴承钢合金含量较少、性能良好。球化退火后有良好的切削加工性能，淬火和回火后硬度高而且均匀，耐磨性能和接触疲劳强度高[32]。热加工性能好，价格比较便宜。GCr15具有高的淬透性，热处理后可获得高而均匀的硬度。耐磨性优于GCr9，接触疲劳强度高，有良好的尺寸稳定性和抗蚀性，冷变形塑性中等，切削性一般，焊接性差，对白点形成敏感，有第一类回火脆性。在滚珠轴承制造中，用以杂质壁厚12mm。外径<250mm的H级至C级的轴承套，直径25.4-50.8mm的钢球；直径<22mm的滚子，此外也可用作承受大负荷。要求高耐磨性、高弹性极限、高接触疲劳强度的其他机械零件及各种精密量具冷冲模等。如机床的滚珠丝杆，涡轮喷气发动机喷嘴的喷柱塞、活门、衬套等。用于制作各种轴承套圈和滚动体，例如:制作内燃机、电动机车、汽车、拖拉机、机床、轧钢机、钻探机、矿山机械、通用机械，以及高速旋转的个高载荷机械传动轴承的钢球、滚子和套圈。除做滚珠、轴承套圈等外，有时也用来制造工具，如冲模、量具[19]。
对GCr15轴承钢的冶炼质量要求很高，需要严格控制硫、磷和非金属夹杂物的含量和分布，因为非金属夹杂物的含量和分布对轴承钢的寿命影响很大。对GCr15轴承钢的基本质量要求就是纯净和组织均匀。纯净就是杂质元素及非金属杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细小，分布要均匀。夹杂物量愈高，寿命就越短。为了改善冶炼质量，近来已采用电炉冶炼并经电渣重熔，亦可采用真空冶炼，真空自耗精炼等新工艺来提高轴承钢的质量。球化退火后有良好的切削加工性能。淬火和回火后硬度高而且均匀、耐磨性能和接触疲劳强度高。良好的热处理工艺对于轴承钢的质量至关重要[20]。
1.4 GCr15轴承钢的热处理
GCrl5轴承的热处理包括两个环节，预处理是球化退火，最终处理是淬火和低温回火。
1.4.1 球化退火
GCrl5轴承钢球化退火的目的，一是降低硬度，以利于切削加工；二是获得铁素体基体上均匀分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织，为最终热处理做好组织准备。碳化物的形状、大小、数量和分布对最终性能影响很大，而碳化物的组织形态是很难由最火的淬火和回火改变的，因为淬火时有相当一部分碳化物不能溶解，它们的组织形态基本上仍是由球化退火决定的，所以应对球化退火严格控制。传统的球化退火工艺是在略高于Acl的温度，GCr15为780-810℃，保温后随炉缓慢冷却(25℃/h)至650℃以下出炉空冷。若冷速太快，碳化物比较细小弥散，硬度较高，太慢则碳化物聚集长大，硬度较低。该工艺热处理时间长(20h以上)，且退火后碳化物的颗粒不均匀，影响以后的冷加工及最终淬回火的组织和性能。之后，根据过冷奥氏体的转变特点，开发等温球化退火工艺：在加热后快冷至Ar1以下某一温度范围内(690～720℃)进行等温，在等温过程中完成奥氏体向铁素体和碳化物的转变，转变完成后可直接出炉空冷。该工艺的优点是节省热处理时间(整个工艺约12～18h)，处理后的组织中碳化物细小均匀。另一种节省时间的工艺是重复球化退火：第一次加热到810℃后冷却至650℃，再加热到790℃后冷却到650℃出炉空冷。该工艺虽可节省一定的时间，但工艺操作较繁[21-23]。
1.4.2 淬火、回火
淬火和低温回火是热处理的第二个环节，也是最后决定轴承钢性能的热处理工序。加热温度在Acl～Acm之间，奥氏体化温度越高，原始组织越不稳定，则奥氏体基体的碳含量越高，淬后组织中残余奥氏体越多，片状马氏体越多，尺寸越大，亚结构中孪晶的比例越大，且易形成淬火显微裂纹。与此同时，随奥氏体化温度的提高，淬后硬度提高，韧性下降，但奥氏体化温度过高则因淬后残余奥氏体过多而导致硬度下降。并且急剧降低钢的冲击韧性和疲劳强度。对GCr15来说，淬火温度应严格控制在840±10℃范围内，常规马氏体淬火后的组织为马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物组成。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性，稳定组织及尺寸。GCrl5钢的回火温度为150～160℃，回火时间为2～3h，回火组织为回火马氏体、均匀细小的碳化物及少量的残余奥氏体。为了消除零件在磨削加工时产生的磨削应力，以及进一步稳定组织及尺寸，在磨削加工后再进行一次附加回火，回火温度为120～150℃，回火时间为2～3h。