精密GCr15轴承的热处理工艺改进

　　摘　要：毛坯棒料出现淬火裂纹主要是由于原材料毛坯棒料尺寸过大，组织存在网状二次渗碳体，淬火时预冷不充分，组织应力及热应力的共同作用；生产出的轴承尺寸稳定性差的主要原因是由于在进行淬火及低温回火后并未消除残余奥氏体造成的影响。改进整个热处理工艺路线后精密GCr15轴承尺寸稳定性提高，寿命延长，达到预期效果。
　　关键词：淬火裂纹；稳定性；改进；热处理；GCr15轴承
　　1　引言
　　某企业加工一批精密GCr15轴承零件，采用的毛坯料为供货态GCr15钢，规格为Ø50×200的棒料，产品的Z终技术要求是：表面洛氏硬度为HRC60～65，心部保证良好的综合机械性能。该企业采用的加工工艺路线为：调质处理（淬火+高温回火）→粗加工→淬火→低温回火→精加工→稳定化处理→入库。但是在进行调质处理后就发现不少棒料产生了形状不规则的淬火裂纹，有的甚至贯穿整个棒料。将未出现裂纹的棒料按工序路线进行后续生产，生产得到的轴承在运行过程中出现尺寸稳定性差，寿命短的现象。鉴于此，该企业要求查明原因，并对工艺路线进行调整，以提高轴承质量，延长轴承的寿命。
　　2　轴承钢的特点及化学成分
　　轴承元件的工作条件非常复杂和苛刻，对其性能的要求非常严格，除了要求有很高的强度和硬度、高的接触疲劳强度、高的耐磨性外，还需要有一定的韧性、耐蚀抗力及尺寸稳定性等，因此，轴承钢中使用Z多的是高碳铬轴承钢，具有代表性的是GCr15，其使用量占轴承钢的绝大部分^[1-2]。该企业生产的轴承钢的化学成分（质量分数）见表1。 　　轴承钢里的高碳是为了得到高含量的马氏体，从而保证高的硬度及耐磨性，同时还有利于形成高硬度的碳化物，进一步提高硬度和耐磨性。
　　轴承钢中的Cr一方面可以提高淬透性，另一方面还可以形成合金渗碳体，使钢中的碳化物细小均匀，从而大大提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。
　　Si、Mn是钢中的常规元素，有利于固溶强化，同时可以提高钢的淬透性。
　　3　原因分析
　　3.1 淬火裂纹产生原因分析
　　淬火裂纹是由于淬火应力导致在工件表面层形成的拉应力超过冷却时钢的断裂强度（强度极限）而引起的，导致淬火裂纹的原因很复杂，如零部件本身尺寸、零部件加热时是否过热及淬火介质是否合格等^[3]。就该企业而言，工人在对毛坯棒料进行调质处理时，采用的淬火工艺为830～840℃，保温2h，油淬。由于棒料很粗（外径为Ø50），而由热处理相关知识可知，热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢，热应力减小，组织应力随尺寸的增大而增加，Z后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面，再加上工人在淬火前进行的预冷时间较短，造成毛坯棒料外部冷却较快，而心部根本来不及冷透，因而导致了淬火裂纹的产生。将调质处理前的棒料取下一块作金相组织观察，发现原始组织中碳化物分布不均匀，还出现网状二次渗碳体。很显然，这种金相组织也促进了淬火裂纹的产生，是不适宜于调质处理的，需要改进工艺。
　　3.2 尺寸稳定性差原因分析
　　轴承在运行过程中尺寸稳定性差，寿命短，跟轴承里产生的残余奥氏体紧密相关。在对轴承进行粗加工，再进行淬回火后必然会产生残余奥氏体，而原工艺并未采取措施消除这些残余奥氏体，使得轴承在运行过程中就出现残余奥氏体向马氏体的转变，而马氏体的比容比残余奥氏体的比容大，因而造成轴承体积膨胀形成内应力，结果出现尺寸不稳定，导致轴承的寿命变短。
　　4　工艺改进
　　通过上述的分析，初步查明了出现质量问题的原因，将热处理工艺路线改进如下：球化退火→粗加工→真空淬火→低温回火→冷处理→低温回火→精加工→稳定化处理→入库。由于毛坯棒料中存在网状二次渗碳体及分布并不十分均匀的碳化物，调质处理虽能降低硬度以利于机械加工，但并不能消除这些组织缺陷，因而需要进行球化退火处理。球化退火的目的，一方面是为了降低硬度（硬度控制在160～200HB），另一方面是为了获得均匀分布的细粒状珠光体，为淬火作组织上的准备。退火温度为790～810℃，保温2h，然后降温到680～700℃，保温2h，再升温至790-810℃，保温2h，Z后随炉冷至600℃以下出炉空冷。经过二次球化退火工艺后充分消除了网状二次渗碳体，碳化物分布变得均匀，并使片状珠光体发生球化。
　　在完成粗加工后，利用真空淬火代替普通淬火处理。之所以选择真空淬火，是因为真空热处理过程中无氧化、脱碳、脱气，表面质量好，变形小，综合性能优异和稳定，无污染无公害，自动化程度高^[4]，是普通淬火处理无法比拟的。考虑到轴承钢中含易蒸发的Cr、Mn等合金元素，加热真空压强一般不低于0.133Pa。淬火工艺为830～840℃，保温2h，油淬。淬火得到的组织为隐晶马氏体及细小均匀分布的碳化物和少量的残余奥氏体。淬火完毕后及时进行低温回火，回火工艺为150～160℃，保温3h，空冷。
　　真空淬火及低回后组织中由于存在少量残余奥氏体，原工艺并未及时消除，结果影响了轴承的尺寸稳定性，因此有必要进行冷处理。通过深冷处理，可以使残余奥氏体几乎全部转变成了马氏体组织，这样就避免了工件产生微裂纹和时效变形现象发生，使工件的尺寸稳定性得到保证^[5]。冷处理工艺为：将轴承圈套放至-120℃冷冻环境中，保温3h，空冷。冷冻处理后约有2％～5％残余奥氏体保留下来，保留少量残余奥氏体可松驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力，防止冷处理裂纹的产生。冷处理后要及时低温回火，回火温度为120～150℃，保温3h，空冷。精加工完毕后为消除加工过程中产生的应力，须进行稳定化处理，处理工艺为120～150℃，保温5h，空冷。
　　现将原始热处理工艺路线及改进后的热处理工艺路线用曲线图分别表示如图1、图2。 　　5　结论
　　1）出现淬火裂纹的原因是，毛坯棒料过粗，淬火时预热时间较短，且原始组织中存在二次网状渗碳体。
　　2）轴承出现尺寸稳定性差主要是由于原始热处理工艺路线并未及时消除残余奥氏体造成的影响。
　　3）改进后的热处理工艺既避免了出现淬火裂纹，也解决了尺寸稳定性差的问题，使轴承的质量得到了保证。