高碳鉻軸承鋼制軸承零件經(jīng)馬氏體淬回火后，顯微組織由馬氏體、殘留奧氏體及均勻分布的細小碳化物組成。GCr15鋼制軸承零件中殘留奧氏體含量一般為15%左右，而GCr15SiMn鋼制軸承零件中殘留奧氏體含量一般超過20%。殘留奧氏體是亞穩(wěn)定相，較高的殘留奧氏體含量會導致工件在使用過程中尺寸發(fā)生變化、精度降低，極大地縮短軸承的使用壽命。
隨著用戶對產(chǎn)品質量的要求越來越高，很多軸承廠家不僅對組織硬度等指標嚴格要求，對其殘留奧氏體含量也作出嚴格控制，國外軸承廠家對這方面要求尤為嚴格，一般要求殘留奧氏體含量在3%以下。在處理尺寸較小、壁厚較薄的GCr15鋼制軸承滾子時，冷處理或深冷處理基本上能夠達到要求；但在處理GCr15SiMn鋼制軸承滾子時卻很難達到要求。為滿足客戶的要求，我們有必要開發(fā)一種更為有效的降低殘留奧氏體含量的方法。
1.殘留奧氏體產(chǎn)生的原因
軸承鋼在淬火過程中，從Ms點溫度開始奧氏體向馬氏體轉變，一直到Mf點溫度以下奧氏體向馬氏體轉變完成，常用軸承鋼的Mf點都在室溫以下，但低于Mf點馬氏體轉變不會繼續(xù)進行。奧氏體不會完全轉變，會殘留一部分奧氏體不發(fā)生轉變。這是因為轉變完成的馬氏體會對周圍的奧氏體的繼續(xù)轉變產(chǎn)生阻礙作用，馬氏體在轉變時發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生很大的壓應力，使剩余的奧氏體在轉變時，要克服壓應力做功，這樣就阻礙了殘留奧氏體的進一步轉變。
2.試驗材料及工藝
試驗材料為GCr15SiMn，規(guī)格φ30mm×30mm，其化學成分如表1所示。技術要求：硬度61~65HRC，殘留奧氏體含量≤3%，其余要求按JB/T1255—2014執(zhí)行。
表1 GCr15SiMn化學成分（質量分數(shù)）檢測結果 （%）
C | Si | Mn | S | P | Cr |
0.97 | 0.54 | 1.02 | 0.009 | 0.003 | 1.45 |
試驗采用愛協(xié)林鹽淬多用爐，淬火工藝采用820℃保溫75min出爐鹽浴淬火，鹽浴溫度為170℃，等溫時間50min。隨后采用不同的回火及冷處理溫度進行處理，工藝曲線及具體工藝方案如附圖及表2所示。
表2 熱處理工藝
編號 | 淬火 | 回火及冷處理 |
1 | 820℃保溫70min，鹽浴淬火，中速攪拌 | 170℃回火4h |
2 | 200℃回火4h | |
3 | 220℃回火4h | |
4 | 240℃回火4h | |
5 | -70℃冷處理1h，170℃回火4h | |
6 | -70℃冷處理2h，170℃回火4h | |
7 | -196℃冷處理1h，170℃回火4h | |
8 | -196℃冷處理2h，170℃回火4h | |
9 | -196℃冷處理1h，200℃回火4h | |
10 | -196℃冷處理1h，220℃回火4h |
3.結果及分析
（1）常規(guī)回火及二次高溫回火
經(jīng)淬火后采用170℃回火，并再次200℃、220℃及240℃分別回火，如表2中1～4號工藝。隨后對組織、硬度及殘留奧氏體含量進行檢測，常規(guī)及二次高溫回火后檢測結果如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)普通回火后，組織、硬度雖然能夠滿足技術要求，但是殘留奧氏體含量達到了16%。而采用二次高溫回火會明顯減低殘留奧氏體含量，隨著溫度提高，殘留奧氏體含量逐漸減少，當回火溫度提高到240℃時，殘留奧氏體含量基本在0.9%以下。
據(jù)研究，高溫回火能降低殘留奧氏體含量的原因有兩個：一方面高溫度回火能夠促進奧氏體中碳化物和合金元素的析出，從而提高馬氏體轉變的Mf點，從而促進殘留奧氏體向馬氏體的轉變；另一方面高溫回火會消除前期奧氏體向馬氏體轉變產(chǎn)生的應力，降低奧氏體向馬氏體轉變的阻礙作用。但采用高溫回火會降低工件的硬度，從表3中可以發(fā)現(xiàn)，240℃回火時硬度會降低2HRC左右。
表3 常規(guī)及二次高溫回火后檢測結果
工藝編號 | 組織 | 表面硬度HRC | 心部硬度HRC | 殘留奧氏體含量（%） |
1 | M：4級，T：無 | 63.1 | 62.3 | 16 |
2 | M：3級，T：無 | 62.6 | 61.5 | 6.3 |
3 | M：3級，T：無 | 61.8 | 60.5 | 3.8 |
4 | M：3級，T：無 | 61.3 | 60.2 | 0.9 |
（2）冷處理或深冷處理+常規(guī)回火
采用冷處理是利用冷凍箱把工件冷卻到-70℃左右；或采用深冷處理，用液氮把工件冷卻到-196℃左右，這樣工件殘留奧氏體會明顯減少，深冷處理時效果尤為明顯，關于這方面的研究很多。
采用5～8號工藝，檢測結果如表4所示。用這種方法處理GCr15鋼制工件時殘留奧氏體含量基本能控制在3%以下，但是處理GCr15SiMn材料時，卻很難滿足要求，一般控制在4%～6%，硬度會提高2HRC。
表4 冷處理或深冷處理+常規(guī)回火檢測結果
工藝編號 | 組織 | 表面硬度HRC | 心部硬度HRC | 殘留奧氏體含量（%） |
5 | M：3級，T：無 | 64.5 | 63.0 | 5.8 |
6 | M：3級，T：無 | 64.1 | 63.4 | 5.5 |
7 | M：3級，T：無 | 64.1 | 63.7 | 4.3 |
8 | M：3級，T：無 | 64.4 | 63.3 | 3.7 |
（3）采用冷處理+高溫回火
結合上述兩種處理方式的優(yōu)缺點，在保證殘留奧氏體含量及硬度都能合格的前提下，采用冷處理+高溫回火的方式控制殘留奧氏體含量，具體工藝如表2中9號、10號工藝所示。檢測結果如表5所示，可以發(fā)現(xiàn)，采用10號工藝能夠控制殘留奧氏體含量及硬度在技術指標范圍內(nèi)。
表5 冷處理或深冷處理+常規(guī)回火檢測結果
工藝編號 | 組織 | 表面硬度HRC | 心部硬度HRC | 殘留奧氏體含量（%） |
9 | M：3級，T：無 | 63 | 61.9 | 2.9 |
10 | M：3級，T：無 | 62.4 | 61.5 | 1.2 |
4.結語
采用冷處理+高溫回火的方式，能夠克服單獨采用冷處理或高溫回火降低殘留奧氏體含量的缺點，在實現(xiàn)高硬度的前提下，保證殘留奧氏體含量降低到3%以下。
作者：康風波、賈玉鑫，洛陽軸研科技股份有限公司
孫偉，中浙高鐵軸承有限公司
何紅玉，洛陽LYC軸承有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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