GCr15轴承钢马氏体含碳化物对其寿命和可靠性的影响

　　为提高轴承寿命，冷加工和热处理工序进行了不少改革。近年来注意钢中各种组织成分、相对数量及大小、分布对性能的影响。本文综合这方面的资料，仅就GCr15轴承钢马氏体含碳化物对其寿命和可靠性的影响进行讨论。
　　为满足轴承耐磨性的需要，获得高硬度是轴承的基本要求之一，这要通过淬火-低温回火获得。GCr15轴承钢退火组织为铁素体+球状碳化物（即球状珠光体）；淬火加热时为奥氏体+碳化物；淬火后获得的组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体（少量）。
　　其中：GCr15轴承钢获得的马氏体，基本上是由二种含碳量不同、形态不同、亚结构不同的马氏体混合组成。含碳量低的、形态为板条状的（或块状）、其亚结构主要为位错型的，人们常为低碳马氏体、板条马氏体、位错马氏体，轴承行业称之为隐晶马氏体；含碳量高的、形态为针状（或片状）、亚结构主要为孪晶型的，人们常为高碳马氏体、针状马氏体、孪晶马氏体，轴承行业称之力为结晶马氏体。
　　淬火组织中，两种马氏体的比例不同、马氏体含碳量不同获得形态也不同，马氏体含碳量0.4-0.5%，为板条马氏体+少量针状马氏体；含碳量超过0.6%时，针状马氏体增加，以针状马氏体为主。板条马氏体由于含碳、含Cr量较低，马氏体的Ms点（马氏体转变温度）较高，淬火过程中，被自回火，腐蚀后在显微镜下为黑色，轴承行业称为黑区，该区是以板条状为主，硬度在Hv760左右；针状马氏体由于含碳、含Cr量越高，马氏体的M′s点较低，淬火过程中不被自回火，且形成的细针状马氏体具有较高的抗腐蚀性能，在显微镜下观察，呈灰白色，俗称白区。显微硬度为Hv813-861；门间等^[1]的实验结果指出：轴承钢马氏体含碳量在0.4-0.5%时，具有Z高的疲劳寿命和综合力学性能。退火碳化物粗大或加热温度过高，使马氏体含碳量超过0.6%时，混合马氏体中针状马氏体含量增加，在高应力和交变载荷的疲劳应力作用下，易产生微裂纹，疲劳寿命显著降低。退火组织越细，易获得平均含碳量低的马氏体，其寿命越高，约可使疲劳寿命提高1.5-2.5倍。
　　文献^[2]报道，低温回火时，孪晶马氏体具有较高的稳定性，低温回火2-3小时后，实际上仍保持未回火的状态，这种未回火或回火不充分的孪晶马氏体是导致钢冲击韧性低的相。研究表明，回火时间达到20小时，才可使其冲击韧性提高。
　　可见GCr15轴承钢混合马氏体中，由于高碳马氏体比例增加而导致的疲劳寿命降低和冲击韧性下降，是制约轴承寿命和可靠性的Z主要原因之一。
　　控制淬火组织马氏体含碳量在0.4-0.5%之间，以获得Z高的疲劳寿命和综合机械性能的主要途径，是细化退火组织。
　　在GCr15轴承钢中，当含碳、含Cr量一定时，退火态的碳化物体积份数是一定值，大约在17-18%左右。球化退火时，获得的碳化物越大，其数量越少；反之获得的碳化物越小，其单位面积的碳化物数量越多。碳化物的数量和大小（半径）成r³关系。
　　退火组织大小对轴承寿命的影响，是通过改变马氏体固溶成份起作用的。碳化物大，数量少，球与球之间的距离大，靠球越近的马氏体含碳、含Cr量越高，为白区；距碳化物越远、碳的扩散路径越长、形成的马氏体含碳量越低，为黑区。碳化物越大，马氏体碳浓度不均匀程度越大，淬火组织的白区比例明显增加的（针状马氏体数量增加）。
　　我国轴承钢的退火组织是在500倍显微镜下，与JB1255-2001标准照片对比，2-4级合格，其中2级为优秀，3级为良较好，4级为合格。SKF、NSK等厂家使用欧洲SEP1520标准，在1000倍的光学（油镜头）显微镜下观察，2.1-2.3为合格。大约相当于我国的2-3级。
　　我国标准淬火组织1-3或1-5级合格，而SKF、NSK等厂家对淬火组织要求，相当于JB1255-2001标准的1-2级或1-3级。
　　细化的球化组织，颗粒小，碳化物数量多。奥氏体均匀化过程中碳的扩散路径短，易均匀化。淬火温度适当的降低至815-845℃，即可获得碳浓度低且均匀的马氏体+数量较多的小、均、圆的碳化物组织。且由于淬火温度降低，起始奥氏体晶粒细小；由于马氏体含碳量低，使其残余奥氏体数量降低，这也将进一步提高轴承寿命。
　　我校已在轴承钢碳化物超细化方面取得突破性进展。该技术的突出特点是：质量好、成本低、生产率高。现已被多家轴承厂采用，取得很高的效益。
　　参考文献：
　　[1] 门间改三等（日）金属学会志32（1968）1193
　　[2]В.В.Бедозеров（苏）国外轴承热处理，P134，洛阳轴承研究所