工作溫度和保溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼球顯微組織及硬度的影響

周麗娜，王文雪，劉宇，劉璐瑩，楊晶

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025)

GCr15(國外牌號(hào)52100或100Cr6等)是一種高碳低合金軸承鋼，具有優(yōu)異的硬度、耐磨性以及抗疲勞性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高速列車、船舶等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的軸承制造中[1-3]。GCr15材料中碳含量約為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，主要合金元素Cr含量約為1.5%。對(duì)GCr15軸承鋼而言，其常規(guī)熱處理工藝為淬火加一次回火：淬火溫度為830～860 ℃[4-7]，淬火后其顯微組織主要由馬氏體、 殘余奧氏體及滲碳體組成[8-9]； 回火作為最終熱處理步驟對(duì)GCr15材料性能至關(guān)重要，依據(jù)其回火溫度區(qū)間分為低溫回火(150～<200 ℃)和高溫回火(200～300 ℃)，回火后顯微組織主要由回火馬氏體、少量殘余奧氏體和碳化物組成。另外，當(dāng)對(duì)軸承尺寸穩(wěn)定性要求較高時(shí)，需在淬火后增加一次冷處理以降低殘余奧氏體含量。

GJB 269B—2012《航空滾動(dòng)軸承通用規(guī)范》指出當(dāng)作為航空軸承使用時(shí)，即便GCr15套圈需進(jìn)行高溫回火(200～250 ℃)，鋼球(直徑≤25 mm)亦可直接采用低溫回火處理以保證獲得最優(yōu)異的硬度和耐磨性。然而，當(dāng)航空軸承遇到潤滑不良等問題時(shí)，可能導(dǎo)致其工作溫度短時(shí)升高，一旦超過鋼球低溫回火溫度，可能帶來材料顯微組織變化，進(jìn)而引起硬度降低、尺寸變化等問題。盡管GCr15軸承最高使用溫度可達(dá)204 ℃，長期穩(wěn)定使用溫度上限為150 ℃[10-11]；但工作溫度短時(shí)超過GCr15鋼球回火溫度時(shí)的顯微組織以及硬度變化情況未見相應(yīng)研究。因此，研究低溫回火GCr15鋼球的短時(shí)耐高溫能力，即鋼球顯微組織及硬度隨不同工作溫度、時(shí)間的演化規(guī)律，對(duì)軸承設(shè)計(jì)選材及其熱處理工藝優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

試樣為直徑9.525 mm的冷沖壓GCr15鋼球，鋼球用直徑為7.0 mm 的棒材加工而成，硬度為8.0～15.2 HRC，其化學(xué)成分見表1。棒材原始組織為球化退火態(tài)，即粒狀珠光體組織。

表1 GCr15鋼化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)GCr15鋼球熱處理工藝為：淬火及一次低溫回火，其中淬火溫度為840 ℃，保溫30 min；回火溫度為150 ℃，保溫120 min，具體工藝如圖1所示。

圖1 GCr15鋼球熱處理工藝

為驗(yàn)證工作溫度超過回火溫度時(shí)GCr15鋼球顯微組織及硬度的變化，模擬軸承使用工況(其中高溫硬度測(cè)量的試驗(yàn)條件可以模擬軸承短時(shí)高溫狀態(tài))，設(shè)定試驗(yàn)溫度為180，200，230，250 ℃，4檔溫度下分別保溫10，20，30，60，120 min以測(cè)量其顯微組織及硬度。鋼球的保溫過程利用鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行，使用溫度上限為300 ℃；保溫后鋼球進(jìn)行線切割及機(jī)械研磨拋光后，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，并利用金相顯微鏡(NIM-910)以及掃描電子顯微鏡(SUPRATM55)進(jìn)行顯微組織觀察；物相分析利用X射線衍射儀(Bruker D8 A，Co靶材)，掃描范圍45°～115°，步距為0.02°/s，積分時(shí)間為0.4 s，并依據(jù)國標(biāo)YB/T 5338—2019《鋼中奧氏體定量測(cè)定X射線衍射儀法》進(jìn)行殘余奧氏體含量計(jì)算；保溫后GCr15鋼球的室溫硬度采用洛氏硬度計(jì)(HR-150G)進(jìn)行測(cè)試；熱處理后GCr15材料在不同溫度下的高溫硬度采用高溫硬度計(jì)(ZD-HVZHT-10)進(jìn)行測(cè)試。

2 工作溫度和保溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼 球顯微組織的影響

2.1 淬回火處理后GCr15鋼球顯微組織特征

退火態(tài)GCr15鋼球原始組織為粒狀珠光體，由鐵素體和球狀碳化物組成[12-13]。利用圖1所示工藝對(duì)GCr15鋼球進(jìn)行熱處理，并利用XRD對(duì)其進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，經(jīng)淬火及低溫回火后GCr15鋼球組織由回火馬氏體、殘余奧氏體及未溶解滲碳體組成，依據(jù)YB/T 5338對(duì)其殘余奧氏體含量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果為8.8%。

圖2 熱處理后GCr15鋼球XRD圖譜

分別利用金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)熱處理后GCr15鋼球進(jìn)行了組織分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3a可以看出，經(jīng)淬火及低溫回火處理后，GCr15鋼組織呈現(xiàn)3種襯度，白色區(qū)(圓圈所示)為未溶解滲碳體(Fe3,Cr)3C，黑色區(qū)(黃色箭頭所示)為隱針馬氏體，灰色區(qū)(紅色箭頭所示)為細(xì)小針狀馬氏體和殘余奧氏體[14]。存在2種耐腐蝕性不同的隱針與細(xì)小針狀馬氏體的主要原因?yàn)镚Cr15鋼球中滲碳體穩(wěn)定性不同，其中含Cr元素較高的(Fe,Cr)3C穩(wěn)定性較強(qiáng)，奧氏體化保溫過程中不易溶解，導(dǎo)致該區(qū)域奧氏體中含C及Cr元素較低，Ms點(diǎn)較高，淬火得到的馬氏體易發(fā)生回火，耐蝕性較差，呈現(xiàn)黑色；反之含Cr元素較低的(Fe,Cr)3C區(qū)域馬氏體耐蝕性相對(duì)較優(yōu)，被侵蝕程度較輕，呈現(xiàn)灰色[15]。此外，由于殘余奧氏體為單相組織，不易侵蝕，亦呈現(xiàn)灰色。

(a)OM下的鋼球顯微組織

2.2 工作溫度對(duì)GCr15鋼球顯微組織的影響

對(duì)GCr15鋼球分別于180，200，230，250 ℃下保溫60 min，并利用XRD進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖4a所示：觀察奧氏體峰A(200)，A(220)和A(311)可以看出，經(jīng)180，200 ℃保溫60 min處理后，GCr15鋼球殘余奧氏體峰的相對(duì)強(qiáng)度變化不大，升高溫度至230，250 ℃時(shí)，殘余奧氏體峰相對(duì)強(qiáng)度明顯降低。對(duì)不同溫度處理后GCr15鋼球殘余奧氏體分解量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖4b所示：隨著工作溫度逐漸升高，殘余奧氏體分解量逐漸增加。當(dāng)180 ℃下保溫60 min時(shí)，殘余奧氏體幾乎不發(fā)生分解，250 ℃保溫60 min時(shí)，殘余奧氏體分解量超過5%，與殘余奧氏體衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。主要是由于溫度升高使碳原子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，導(dǎo)致殘余奧氏體分解能力逐漸增強(qiáng)。

(a)XRD圖譜

除物相分析外，還利用OM對(duì)180，200，230及250 ℃保溫60 min處理后GCr15鋼球的金相組織進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖5所示。對(duì)比圖3a與圖5d可以看出，低溫回火后GCr15鋼球即使在250 ℃下保溫60 min，其金相組織亦無明顯變化，依然呈現(xiàn)白色區(qū)、黑色區(qū)和灰色區(qū)3種襯度。但結(jié)合XRD

(a) 180 ℃

結(jié)果可知，隨著工作溫度的升高，灰色區(qū)組織發(fā)生了變化：當(dāng)工作溫度為180，200 ℃時(shí)，灰色區(qū)組織與低溫回火后組織相同，為細(xì)小針狀馬氏體和殘余奧氏體；而當(dāng)工作溫度升高至230，250 ℃時(shí)，殘余奧氏體分解，灰色區(qū)組織主要為細(xì)小針狀馬氏體。

為進(jìn)一步分析不同工作溫度對(duì)GCr15鋼球顯微組織的影響，利用SEM對(duì)不同工作溫度保溫處理后鋼球顯微組織進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖6所示。GCr15鋼球經(jīng)180，200 ℃保溫60 min處理后，顯微組織無明顯變化，與圖3b中原始組織基本相同，主要由未溶解滲碳體、殘余奧氏體和回火馬氏體組成。而經(jīng)230，250 ℃保溫60 min后，鋼球顯微組織發(fā)生變化：1)圖6a中未被侵蝕區(qū)域減少，即殘余奧氏體發(fā)生分解，含量減少；2)回火馬氏體中析出短“絨毛狀”物質(zhì)，應(yīng)為Fe3C[16-17]。

(a)180 ℃

2.3 保溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼球顯微組織的影響

對(duì)GCr15鋼球而言，其顯微組織隨保溫時(shí)間的演化規(guī)律亦是其能否正常工作的重要判定依據(jù)。對(duì)不同工作溫度下分別保溫10，120 min后的鋼球進(jìn)行了物相分析，結(jié)果如圖7a所示：當(dāng)工作溫度為180 ℃時(shí)，殘余奧氏體峰A(200)相對(duì)強(qiáng)度變化不大；升高工作溫度至200 ℃時(shí)，A(200)相對(duì)強(qiáng)度隨保溫時(shí)間延長略有降低；當(dāng)工作溫度不低于230 ℃時(shí)，殘余奧氏體峰的相對(duì)強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的延長明顯降低。對(duì)不同保溫時(shí)間下殘余奧氏體分解量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖7b所示：當(dāng)工作溫度為180 ℃時(shí)，殘余奧氏體分解量較低，且保溫時(shí)間對(duì)其影響不大；隨著工作溫度的升高，殘余奧氏體分解量隨保溫時(shí)間延長逐漸增大。值得注意的是，文獻(xiàn)[18]認(rèn)為GCr15材料在230 ℃下回火保溫120 min時(shí)，殘余奧氏體幾乎完全分解；但結(jié)合圖7發(fā)現(xiàn)，正常淬回火后的GCr15鋼球在230 ℃保溫120 min后依然存在少量殘余奧氏體。這是由于150 ℃回火時(shí)會(huì)發(fā)生“碳分配”效應(yīng)[19]，即碳由過飽和馬氏體擴(kuò)散至殘余奧氏體，增加了其熱穩(wěn)定性，當(dāng)工作溫度為250 ℃時(shí)，保溫時(shí)間延長至120 min后，殘余奧氏體分解量達(dá)7.3%。

(a)XRD圖譜

利用SEM對(duì)GCr15鋼球經(jīng)180，200，230，250 ℃下不同保溫時(shí)間的顯微組織進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖8所示。180，200 ℃下保溫處理后的特征類似，顯微組織主要由殘余奧氏體、回火馬氏體及未溶解碳化物組成，未觀察到明顯析出。不過，觀察不到明顯析出可能是無析出或析出碳化物尺寸過于細(xì)小。230 ℃下保溫10，120 min后的顯微組織可以看出，保溫時(shí)間為120 min時(shí)已可以在馬氏體中觀察到少量Fe3C析出。250 ℃下保溫10，120 min后GCr15鋼球顯微組織演化情況表明，隨著時(shí)間的延長，F(xiàn)e3C析出量逐漸增加。

(a)180 ℃下保溫10 min (b) 180 ℃下保溫120 min

3 工作溫度和保溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼球硬度的影響

3.1 GCr15鋼球室溫硬度

經(jīng)正常淬回火處理后，GCr15鋼球室溫硬度在62.5～64.0 HRC之間， 對(duì)各工作溫度下不同保溫時(shí)間處理前后鋼球室溫硬度進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)應(yīng)硬度值降低情況如圖9所示?？梢钥闯?，當(dāng)工作溫度為180 ℃時(shí)，不同保溫時(shí)間對(duì)鋼球硬度影響不大，即使保溫時(shí)間達(dá)120 min，其室溫硬度亦基本不變，結(jié)合圖4和圖6顯微組織轉(zhuǎn)變結(jié)果可知，這主要是因?yàn)?80 ℃下GCr15鋼球顯微組織基本不發(fā)生退化；當(dāng)工作溫度為200 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，硬度降低值逐漸增大，保溫時(shí)間為120 min時(shí)硬度下降1.9 HRC；當(dāng)工作溫度升高至250 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，硬度逐漸下降，保溫時(shí)間為120 min時(shí)硬度下降3.1 HRC，結(jié)合顯微組織分析可知，這主要是由于保溫過程中碳化物析出，馬氏體含碳量降低導(dǎo)致。值得注意的是，200 ℃保溫120 min時(shí)，SEM未觀察到明顯碳化物析出，推測(cè)是由于析出碳化物尺寸過小導(dǎo)致，且文獻(xiàn)[20]也證實(shí)GCr15材料在200 ℃回火120 min后可析出ε碳化物。

圖9 工作溫度和保溫時(shí)間對(duì)GCr15鋼球室溫硬度的影響

3.2 GCr15鋼球高溫硬度

GCr15材料經(jīng)150 ℃回火后高溫硬度測(cè)試結(jié)果如圖10所示，低溫回火后GCr15材料室溫硬度為63.2 HRC，隨著溫度升高，高溫硬度整體呈逐漸降低趨勢(shì)。當(dāng)工作溫度為100 ℃時(shí)，其硬度值相較于室溫硬度降低并不明顯，依然可達(dá)62.8 HRC；當(dāng)工作溫度不低于120 ℃時(shí)，GCr15材料硬度降低趨勢(shì)增大；160 ℃下高溫硬度為58.4 HRC；繼續(xù)升高工作溫度至180 ℃時(shí)，高溫硬度降低至56.0 HRC。對(duì)航空軸承而言，通常當(dāng)其某一溫度下硬度值滿足不小于58 HRC時(shí)，可認(rèn)為軸承在該溫度下能保持全壽命[11,21-22]。結(jié)合不同工作溫度下GCr15鋼球顯微組織及室溫硬度演化規(guī)律可知，工作溫度為180 ℃時(shí)，即使保溫時(shí)間達(dá)120 min，其顯微組織并無明顯變化，且室溫硬度亦未下降。因此，盡管低溫回火后GCr15鋼球在180 ℃下無法保持全壽命，但是依然可以滿足短時(shí)服役需求。

圖10 GCr15材料高溫硬度

4 結(jié)論

研究了工作溫度超過回火溫度(150 ℃)時(shí)GCr15航空軸承鋼的組織及硬度演化情況，主要結(jié)論如下：

1) 當(dāng)工作溫度為180 ℃時(shí)，GCr15鋼球中殘余奧氏體基本不發(fā)生分解，無明顯碳化物析出，且硬度無下降趨勢(shì)；工作溫度升高至200 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間延長至120 min，GCr15鋼球中殘余奧氏體發(fā)生輕微分解，析出少量碳化物，硬度相較于原試樣下降1.9 HRC。

2) 當(dāng)工作溫度為230～250 ℃時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長，GCr15鋼球殘余奧氏體分解量逐漸增加，碳化物析出量逐漸增大，硬度逐漸下降。

3) 高溫硬度測(cè)試結(jié)果表明，低溫回火后GCr15材料的室溫硬度不小于63 HRC時(shí)，不高于160 ℃時(shí)的高溫硬度不小于58 HRC，滿足全壽命要求。

4)結(jié)合不同工作溫度下顯微組織及室溫、高溫硬度演化規(guī)律可知，低溫回火后的GCr15材料在180 ℃的工作溫度下可以滿足短時(shí)服役需求。