三种新型高淬透性轴承钢热处理主要工艺与性能
发布时间：2013-10-09谢业万1 谢志东2
（1.瓦房店轴承集团有限责任公司，瓦房店 116300；2.瓦房店冶金轴承集团有限公司）
关键词：淬透性；硬度；冲击韧性；贝氏体；疲劳寿命；轴承钢
GCr18Mo（SKF25）是瓦房店轴承厂1979年在国内首次开发的高淬透性轴承新钢种。开发高淬透性轴承钢当时在国内带有方向性，故钢铁研究总院1986年也在国内提出研制高淬透性轴承钢GCr15SiMo。1990年左右因铁路轴承需要，轴承研究机构与有关钢厂又开发了含钼轴承钢100CrMo7（德国钢号与SKF24同）。
GCr18Mo已在国产化轴承及部分取代渗碳钢制作轴承上应用贝氏体淬火取得成功。100CrMo7也在铁路轴承上大量应用贝氏体淬火新技术效果良好。GCr15SiMo在大型轴承上采用马氏体淬、回火有应用，其贝氏体淬火才开始被作者提到试验日程。
三种含钼轴承钢开发时间并不短，但轴承用户及轴承厂家对其工艺性能了解者不多。不少外径大于1000mm，壁厚超过60～70mm的特大型套圈仍使用GCr15SiMn钢制作，热处理后硬度指标很难达到标准规定要求。因此如何合理选用高淬钢。应引起轴承供需双方共同关注。
1 试验用钢及试验方法
1.1 试验用钢的化学成分。
三种新型含钼高淬钢及作对比用的GCr15SiMn钢化学成分如表1所示。
GCr18Mo为电炉加真空脱气，GCr15SiMo为电炉经钢包吹Ar精炼，100CrMo7和GCr15SiMn冶炼方法同GCr18Mo。
1.3 试样制作
参照物理试验方法制作相应试样，小试样在试验室小型热处理设备上进行淬、回火和等温淬火，尺寸大的试样在热处理车间设备上进行。试样的保温一般取1.0～1.4分/mm，其中GG15iMo 80方断口硬度试样取1.75分/mm。
2 试验结果
2.1 淬透性
端淬曲线见图1[1]、图2[2]，断口硬度曲线见图3、图4。由图看出GCr18Mo淬透性Z高，其次为GCr15SiMo，而100CrMo7与GCr15SiMn相近。图3是GCr15SiMo与GCr15SiMn 80方直接淬火试样断口硬度曲线比较。GCr15SiMo淬硬性明显优于GCr15SiMn。图4是GCr18Mo与100CrMo7 70方试样等温淬火断口硬度对比。GCr18Mo试样表层硬度60HRC，心部硬度56～57HRC。而100CrMo7试样表层硬度只接近58HRC，心部硬度很低只有44～45HRC，其淬硬性无法与GCr18Mo相比。
淬火温度与回火温度变化对硬度影响见表2、表3。结果是四种钢淬火温度升降和回火温度升降硬度变化趋势一致。只是GCr15SiMo和GCr18Mo硬度约高出100CrMo7和GCr15SiMn 1.5～2.0HRC；250℃以上温度回火，GCr15SiMo硬度突出，约高出GCr15SiMn 2.0～2.5HRC。这与钢种成分中硅含量有关。
在马氏体淬回火中四种钢的冲击韧性变化受工艺影响并不十分显著，只要工艺温度适宜没有大起大落问题。而贝氏体等温淬火则不然，工艺温度变化对冲击韧性影响特别显著，表4反映这一事实。如GCr18Mo贝氏体等温淬火，等温温度由220℃提到250℃，ak（J•cm-2）值则由71上升到165，且硬度只下降约0.5HRC。从表4我们也看到GCr15SiMo不具有GCr18Mo上述特性。等温温度同样由220℃提到250℃，ak（J•cm-2）值只从64升到80，其硬度下降也只有约0.5HRC。对GCr15SiMo来说如何进一步提高冲击韧性其研究工作尚待深入。
GCr15SiMo与GCr15SiMn马氏体淬回火接触疲劳寿命对比见图5，GCr18Mo常规热处理与贝氏体等温淬火接触疲劳寿命对比见图6[1]。图5表明GCr15SiMo工艺温度选择适宜其疲劳寿命高出GCr15SiMn的68%，图6则表明贝氏体等温淬火与马氏体淬回火在两者硬度相当条件下，贝氏体的疲劳寿命要高出马氏体的一倍多。
淬透性GCr18Mo 880℃、860℃和840℃端淬J60值分别是42mm、30mm和20mm；GCr15SiMo 880℃和860℃端淬J60值是28mm和24mm；100CrMo7 880℃、860℃和840℃端淬其J60值分别是18mm、14.5mm和11mm；GCr15SiMn 860℃、840℃和820℃端淬J60值是17mm、15mm和13mm。可见GCr18Mo淬透性Z高，其次是GCr15SiMo，100CrMo7 880℃端淬J60值只高出GCr15SiMn 860℃端淬J60值1.0mm，而840℃端淬J60值反比GCr15SiMn 820℃端淬J60值低2.0mm。图3是GCr15SiMo与GCr15SiMn 80方试样马氏体淬硬性比较，其中淬火保温时间均取1.75min/mm，结果GCr15SiMo淬硬性大大超过GCr15SiMn。图4是GCr18Mo和100CrMo7在等温淬火方面的淬硬性差别。差别惊人，从淬透性和淬硬性来说GCr18Mo可以取代100CrM07，而100CrMo7则无法取代GCr18Mo。
国外高淬透性轴承钢已形成系列。如SKF24、SKF25......SKF28[3]五个钢号。SKF24与德国DIN标准100CrMo7相当。国内1990年开发此钢称100CrMo7。而SKF25与德国DIN标准100CrMo6相当，瓦轴1979年己开发这个钢种称GCr18Mo。而GG15SiMo与俄ШX15CM相似。就高淬钢来说，国内与国外仍存在较大差距。
常规马氏体淬回火温度对硬度影响表2、表3己清晰显示，在淬火加热上三种新钢均以860℃近区硬度较高回火由150℃、175℃、200℃......300℃比较GCr15SiMo、GCr18Mo抗回火性能高于100CrMo7、GCr15SiMn。在相同温度下回火GCr18Mo比100CrMo7、GCr15SiMn约高出1.5～2.0HRC，GCr15SiMo则要高出2.0～2.5HRC。硬度高对提高耐磨性有利。但它也给提高冲击韧性带来不利因素，这是须要合理选择的。
分级淬火和等温淬火国外已大量应用在轴承零件热处理上，国内应用观点不一，这里涉及到分级淬火与等温淬火技术掌握问题。
从轴承使用条件看，轻负荷高转速可选用马氏体淬回火或马氏体分级淬回火，保持较高硬度，以满足疲劳强度和耐磨性要求。这主要是在中小型轴承上。而大型特大型轴承一般转速不高，使用条件恶劣。如矿山、冶金、重型机械轴承，除硬度外要求高冲击韧性，如渗碳钢轴承即是如此，而渗碳钢轴承表面要求硬化层深度4mm、5mm、6mm不等。这个深度是从表面测到50HRC处垂直距离。从表面测到56HRC的也就是1～2mm。现在回到贝氏体等温淬火上来看。贝氏体等温淬火的特大型轴承零件硬度为56HRC的硬化层深度（与表面垂直距离）往往是6～10mm、10～20mm。这样承受的抗压强度会大于渗碳钢。这是轴承钢（高淬钢）可取代渗碳钢条件之一。条件之二是贝氏体淬火硬度表层一般可达到58～61HRC，这与渗碳钢件表层硬度相当。从工艺来说贝氏体等温淬火比渗碳热处理工艺大为简化，工艺成本低，材料费用少。
用高淬钢贝氏体等温取代渗碳钢、渗碳工艺，已在部分产品上取得成功。但这并不是说可以全面取代。毕竟贝氏体淬火件心部硬度相对要高于渗碳钢件的心部硬度，裂纹敏感性利裂纹扩展速度也相对大于渗碳钢。可以取代或不可以取代应该先吃透产品使用条件，按条件选择。
疲劳寿命是轴承的核心技术指标。图5显示马氏体淬同火GCr15SiMo接触疲劳寿命L50是GCr15SiMn钢的1.68倍，这一结果是GCr15SiMo热处理后硬度为62.2～63.0HRC比GCr15SiMn热处理后硬度为61.6～62.0HRC的结果。硬度高表现耐磨、耐疲劳。当然也是改变钢种的效果。图6则是GCr18Mo常规马氏体淬回火和贝氏体等温淬火在硬度相当或相等条件下的接触疲劳寿命对比结果。结果是贝氏体的疲劳寿命高出马氏体的一倍以上。这里重点强调的是两者硬度相当或相等。另一点也与贝氏体淬火件表层为压应力，马氏体件表层为拉应力有关。如果在中型或较小型轴承上贝氏体处理硬度只有58HRC，马氏体淬回火硬度为61.0～62.0HRC或62～63HRC，同型号同条件同设备上使用，这时贝氏体等温的轴承寿命肯定要低于马氏体的。贝氏体等温淬火虽然在加热、等温简易方法上有效，但要充分发挥其作用，在加热领域、冷却领域、等温领域以及复合处理上都有深入研究余地。如果能在预处理上下些工夫，则可做到防止材料低倍缺陷带入淬火工件。这是热处理工艺人员和研究人员所要重视的。
4 结论与意见
（1）在二种新型高淬透性轴承钢中，淬透性Z高的是GCr18Mo（SKF25），其次是GCr15SiMo，而100CrMo7只居第二位与GCr15SiMn相近。
（2）轴承钢贝氏体等濡淬火在提高ak值及消除淬火裂纹上是马氏体淬回火不能相比的，且具有部分取代渗碳钢和渗碳工艺可行性。其中GCr18Mo更具有优势。
（3）在硬度相当或相等条什下的轴承零件，其贝氏体处理的疲劳寿命要比马氏体淬回火的疲劳寿命大幅度提高。
（4）三种含钼钢的常规淬火加热为840～860℃，等温淬火加热可相应提高10～30℃。
（5）三种新型含钼高淬透性轴承钢在应用上应根据其淬透性和力学性能合理选择。
参考文献
【1】谢业万.轴承新钢种GCr18Mo热处理工艺研究.瓦房店轴承.1982
【2】高淬透性轴承钢GCr15SiMo组织与能研究.冶金部制铁研究总院.1990
【3】THE BLACK BOOK SKF steel.1984.87～188
（第八次全国热处理大会论文集 2003年5月 北京）