深冷处理时间对GCr15钢组织和力学性能的影响

发布时间：2014-12-29
任鑫1　朱鹤1　王书浩2　曹丹凤1　王峰1
（1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁阜新　123000；2.中国石油管道秦皇岛输油气分公司，河北秦皇岛　066000）
　　摘　要：研究了深冷处理时间对GCr15钢组织和性能的影响。结果表明，深冷处理促进了钢中残留奥氏体向马氏体转变和细小碳化物的析出。随深冷处理时间的延长，GCr15钢硬度和耐磨性提高，冲击性能有所降低，但降低幅度不大。
　　关键词：深冷处理；组织；硬度；耐磨性；冲击性能
　　GCr15高碳铬轴承钢是轴承制造中应用Z为广泛的钢种之一，必须具备高的疲劳强度、弹性强度、屈服强度和韧性及高的耐磨性和硬度，且硬度应均匀，以及一定的抗腐蚀能力。提高轴承的灵敏度、可靠度、准确度以及使用寿命是机械生产设备具有更高性能的前提保证[1]。轴承钢一般淬回火情况下，显微组织中的马氏体含量约80%以上，均匀分布的细小残留碳化物占5%～10%，残留奥氏体占9%～15%。其中，残留奥氏体为亚稳定相，当稳定的条件被破坏时，残留奥氏体将发生分解或转变，使轴承尺寸精度降低，影响轴承使用寿命，甚至报废[2-3]。
　　近些年研究表明，深冷处理可使工模具钢的组织发生变化，并明显改善其力学性能[4-5]。目前，关于深冷处理影响轴承钢的组织以及提高力学性能的机理尚不很明确。本试验以GCr15轴承钢为对象，研究不同深冷处理时间对GCr15钢淬火零件组织、硬度及耐磨性的影响，以满足理论探索和实际生产需要。
　　1　试验材料及方法
　　试验材料为Ø25mm的GCr15棒材，经锻造后切割成12mm×12mm×60mm的试样若干，对试样进行退火→淬火→深冷→回火处理。退火工艺为：将试样置于气体渗碳炉中，加热到790℃，保温3h，随炉冷却至690℃等温4h，再炉冷至550℃出炉空冷。淬火工艺为：将退火试样加热到860℃保温10min，之后在32号机油中进行冷却。深冷处理工艺为：试样淬火后在20min内放入-198℃的液氮中进行深冷处理，深冷时间分别为3、6和9h，待恢复至室温后进行180℃×2h回火。
　　采用MM6型金相显微镜进行组织观察，用HR150-A型洛氏硬度计和ML-100型磨损试验机分别进行硬度和耐磨性测定。在JB30-A型冲击试验机上进行冲击试验，冲击试样为U型缺口试样，尺寸为10mm×10mm×55mm，测定经不同时间深冷处理和180℃×2h回火后试样的室温冲击吸收能量。
　　2　试验结果及分析
　　2.1组织分析
　　图1为GCr15钢经不同深冷时间处理后的显微组织。可见，基体组织均为回火马氏体、残留奥氏体以及合金碳化物。随深冷处理时间的增加，残留奥氏体逐渐减少，碳化物（图中白色小球）明显变多。主要原因是深冷处理一方面可以使残留奥氏体发生马氏体转变，另一方面在深冷处理温度下，淬火马氏体处于热力学不稳定状态，分解倾向增大，而且碳原子扩散迁移能力变弱，碳化物扩散距离更短，因而随着深冷时间的延长，在马氏体基体上沉淀出较多的细小碳化物颗粒[6-7]。

图1 GCr15钢经不同时间深冷处理+180℃×2h回火后显微组织
（a）0h；（b）3h；（c）6h；（d）9h
　　2.2性能分析
　　图2为深冷处理不同时间后试样的力学性能。可以看出，随深冷处理时间的延长，试样硬度和耐磨性提高。在深冷处理过程中，由于温度极低使体积收缩而在基体内部产生很大的内应力，引起晶格畸变和缺陷增多，体系内能增大，相变驱动力变大，同时马氏体发生不同程度的细化；当温度从-198℃升到180℃时，在晶体缺陷密度较高的马氏体基体上就会析出细小的碳化物；深冷处理又促进了残留奥氏体向马氏体转变。因此，在沉淀强化、细晶强化和相变强化共同作用下，使得GCr15钢的硬度和耐磨性提高[8]。

图2 GCr15钢经不同时间深冷处理+180℃×2h回火后力学性能
　　GCr15钢经深冷处理后，试样冲击韧度随深冷时间延长逐渐降低，这是由于GCr15钢经淬火后直接进行深冷处理，会导致淬火后残留奥氏体转变为马氏体，体积膨胀而产生较大的相变应力，相变应力如不及时释放，在淬火组织中会产生显微裂纹，裂纹在冲击载荷作用下发生扩展，从而引起冲击吸收能量下降。但冲击吸收能量下降幅度并不大，因为深冷处理后，碳化物的析出降低了马氏体的固溶度，以及马氏体组织的进一步细化又有利于材料韧性的改善，因此冲击吸收能量下降不多[9]。
　　3　结论
　　1）GCr15钢经淬火、深冷处理和回火后组织为回火马氏体、残留奥氏体以及合金碳化物。深冷处理促进了残留奥氏体向马氏体转变，随深冷处理时间的延长，在马氏体基体上析出更多的细小碳化物。
　　2）深冷处理改善了GCr15钢的综合力学性能，随深冷处理时间的延长，硬度和耐磨性提高，冲击性能有所降低，但下降幅度并不大。
　　参考文献：
　　[1]朱红一.钢铁材料手册[M].北京：中国标准出版社，2001.
　　[2]钟顺思，王昌生.轴承钢[M].北京：冶金工业出版社，2000.
　　[3]潘健生，胡明娟.热处理工艺学[M].北京：高等教育出版社，2009.
　　[4]张红，王俊杰，郭嘉.深冷处理对GCr15对组织和力学性能的影响[J].热加工工艺，2008（22）：64-66.
　　[5]闫献国，庞思勤，李永堂.高速钢深冷处理技术研究进展[J].新技术新工艺，2008（3）：14-18.
　　[6]刘勇，刘新龙，张金东.深冷处理对Cr12MoV钢力学性能的影响[J].金属热处理，2011，36（8）：38-41.
　　[7]刘耀中，左传付.轴承钢零件淬回火后的残余奥氏体[J].轴承，2008（6）：48-51.
　　[8]丁剑，张荻，阎王廷.深冷处理工艺参数对GCr15钢相对耐磨性的影响[J].热加工工艺，2002（6）：3-7.
　　[9]石江龙.深冷处理对GCr15钢冲击性能的影响[J].热处理，2010（3）：21-24.

来源：《金属热处理》2013年第12期