2022年鉻軸承鋼及其熱處理工藝技術(shù)

1、第八章 鉻軸承鋼及其熱處理第一節(jié) 鉻軸承鋼一、對鉻軸承鋼要求1.高的接觸疲勞強度2.高的耐磨性3.高的彈性極限4.高的硬度5.一定的韌性6.良好的尺寸穩(wěn)定性7.良好的工藝性能二、鉻軸承鋼的生產(chǎn)過程以及品種規(guī)格(略)三、鉻軸承鋼的化學(xué)成分及其適用范圍(略)四、合金元素在軸承鋼中的作用(略)五、鉻軸承鋼的性能(略)六、鉻軸承鋼的材料缺陷(略) 第二節(jié) 鉻軸承鋼熱處理基礎(chǔ)一、 Fe-Cr -C 三元合金狀態(tài)圖態(tài) 鉻抽承鋼，是在含碳為 1 的碳鋼（過共析）中加入1.5左右的鉻。此外， GCr15SIMo鋼中還有合金元素硅和錳，它們對子 Fe-F e 3C 狀態(tài)圖必將產(chǎn)生影響。 Fe-Cr -C三元合金

2、狀態(tài)圖是立休圖，研究比較復(fù)雜。為此，以鉻的濃度保持恒定，取成分接近 GCr15 鋼的垂直截面，簡化為二元狀態(tài)圖的形式。為了便于討論，把這個垂直截面的某些特性點，也用Fe-F e 3C F狀態(tài)圖中類似點的同樣字母來表示，其差別在于： 1)由于鉻的加入，降低了碳在奧氏休中的溶解度，因此共析點(S 點)的含碳量降低到0.65% ，而碳的最大溶解度降低到1.5% (E 點)。2)由于鉻的加入，共析轉(zhuǎn)變溫度有所提高,且共析轉(zhuǎn)變溫度是在一定范圍內(nèi)進行的(A1 735 A 1“765 ) .珠光休、碳化物、奧氏體的三相平衡,其相成分不在一個垂直截面內(nèi)變化，而是在立休圖上沿兩曲面交線變化，故垂直截面不能表示平

3、衡相成分，也不能用杠桿定律求得各相的相對量。3) 由于鉻的加入，GS 線降低,Es 線左移，故 區(qū)縮小,固相線JE降低,使加熱時出現(xiàn)過燒的溫度較碳鋼低.二、鉻軸承在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 1 奧氏體的形成 G c r 型鉻軸承承鋼在實際加熱條下，提高了珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度，并且溫度范圍隨等溫轉(zhuǎn)變的保溫時間或連續(xù)加熱速度而變化。2.碳化物的溶解 GC r15鋼中的碳化物質(zhì)點在奧氏體中溶解時,當(dāng)碳化物的質(zhì)點大小不同時,溶解的線速度是相同的.在溶解過程中,未熔碳化物相中的鉻與含量相同的退火鋼中的碳化物相中的鉻無明顯區(qū)別,與奧氏體溫度無關(guān).3.奧氏體的均勻化 在實際加熱情況下，由于加熱速度較快，碳化

4、物相的溶解速度和在奧氏體中碳的擴散的影響使奧氏體中的碳產(chǎn)生明顯的不均勻性 為此，要使奧氏體成分均勻,就必須加熱到更高的溫度和保證充足的保溫時間.4. 奧氏體晶粒的長大加熱溫度 在未溶碳化物相區(qū)晶粒長大較慢，而在高溫單奧氏體相區(qū)晶粒長大較快，因為在高溫區(qū)內(nèi)碳化物質(zhì)點對晶界遷移的阻礙作用消失。三、鉻軸承鋼冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 1.無限緩慢冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 當(dāng)鉻軸承鋼從加熱至均勻奧氏體狀態(tài)冷如到 Acm時，從富集碳和鉻的奧氏體晶界處開始析出二次碳化物并沿晶界分布（呈網(wǎng)伏）。冷至A 1 時，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。隨著溫度的不斷下降，奧氏體不斷向珠光體轉(zhuǎn)變，奧氏體數(shù)量不斷減少，珠光體數(shù)量不斷增加。當(dāng)溫度達 A 1

5、時，奧氏體全部轉(zhuǎn)化為珠光體。值得注意的是，在溫度A 1 A 1 范圍內(nèi)的某一溫度停留都對應(yīng)著一定量的奧氏體和珠光體，但具相對數(shù)量不能用杠桿定律來求得。2.過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 (1)等溫轉(zhuǎn)變鉻軸承鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 從圖中可以看出，等溫轉(zhuǎn)變圖分為珠光體區(qū)和貝氏體區(qū)。過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)如 600 穩(wěn)定性最小。 GCr15 鋼過冷奧氏休向貝氏體轉(zhuǎn)變分別在 450 、400 穩(wěn)定性最小，兩類轉(zhuǎn)變的最小穩(wěn)定性時間大約相同（約 10 秒）而 GCr15SIMn 鋼，貝氏體的最小穩(wěn)定時間大約在 5 分左右.(2)影響過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素 碳的影響 對珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)來說，亞共析鋼隨鋼中含碳量的

6、增加，而奧氏體更穩(wěn)定;共析鋼隨鋼中含碳量的增加，而奧氏體穩(wěn)定性減小。對貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)來說，不論何種鋼都隨含碳量的增加而大大增加其穩(wěn)定性。一般認為鉻軸承鋼過冷奧氏體的穩(wěn)定性隨奧氏體中碳濃度的增加而增大。 合金元絮的影響 鉻、錳和硅都是增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性元素，使 C 曲線右移。鉻是形成碳化物的元素，它還將使 C 曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)穩(wěn)定性最小溫度提高到 650 。值得提醒的是，過冷奧氏體在向珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變前，先析出碳化物(圖8-9虛線部分)甚至在淬火過程中，也不能防止過剩碳化物的析出。 原始組織的影響 珠光體中原始碳化物顆粒越細小，分布越均勻，那么加熱時就越易溶解。奧氏體中合金成分均勻化程度提高

7、，奧氏體穩(wěn)定性增加。(3)等混轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 過冷奧氏體按其等溫轉(zhuǎn)變溫度的不同，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分有三種組織類型.在 350 以下進行等溫，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為具有針狀的下貝氏體;在 400500 進行等溫轉(zhuǎn)變,產(chǎn)物為具有羽毛狀的上貝氏體。等溫轉(zhuǎn)變溫度高于 520 時, GCr15 鋼只發(fā)生珠光休類型的轉(zhuǎn)變.3.過冷奧氏體連續(xù)冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 鋼在熱處理操作中，其實際冷卻過程往往是在連續(xù)冷卻條件下進行的。連續(xù)冷卻也可以理解為是由無數(shù)個極短時間等溫轉(zhuǎn)變的累積. (1)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 連續(xù)冷卻時，奧氏體開始向珠光體、貝氏體的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度和時間較等溫轉(zhuǎn)變更低、更長。GCr15 鋼過冷奧氏休向珠光體轉(zhuǎn)變溫度由 600

8、降至 530 左右時，轉(zhuǎn)變時間也相應(yīng)延長。GCr15SIMn鋼在正常奧氏體化溫度下，由于合金元素的加入，使貝氏體轉(zhuǎn)變更趨穩(wěn)定。故GCr15SIMn鋼在連續(xù)冷卻時，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物只有珠光體轉(zhuǎn)變，而無貝氏體轉(zhuǎn)變。 GCr15 鋼 860 奧氏體化后快冷時的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體和貝氏體的混合組織，當(dāng)奧氏體化溫度提高到 1050 后，連續(xù)冷卻不發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。 (2)連續(xù)冷卻時的珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變 GCr15 鋼連續(xù)冷卻過程是由高溫移向低溫，故其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是不均勻的。不同冷卻速度下連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的數(shù)量、性能不同。曲線 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為 100的珠光體。曲線 通過珠光休區(qū)得到一部分珠光體（較細），隨著冷卻的繼續(xù)，過冷

9、奧氏體在貝氏休區(qū)得到一部分貝氏體，在 Ms 點以下又獲得一部分馬氏體。為此，曲線 得到的組織是珠光休、貝氏體、馬氏體和殘余奧氏體.曲線 的冷速超過珠光休轉(zhuǎn)變區(qū)、與貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)相切，并冷至 Ms 點以下，故稱臨界冷卻速度。其最終獲得的組織為馬氏體和殘余奧氏休。曲線 、冷卻速度大于臨界冷卻速度 ，奧氏體過冷到Ms點以下，獲得馬氏體組織和少量殘余奧氏體. ，但馬氏體數(shù)量較 多然而，由于冷卻速度的增大，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力增加.(3)連續(xù)冷卻時的馬氏體轉(zhuǎn)變 鉻軸承鋼過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，實質(zhì)上是一種無擴散型轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變程度主要取決于冷卻時的溫度，但在長時間（ 100150 小時）保溫時，也同樣可以看到等溫轉(zhuǎn)

10、變，但是，等溫轉(zhuǎn)變速度比較緩慢，且隨著溫度的降低而降低，隨著轉(zhuǎn)變的發(fā)展而減小。轉(zhuǎn)變停止與溫度無關(guān)，最終未轉(zhuǎn)變的奧氏體基本相同。 影響馬氏體轉(zhuǎn)變曲線的因素 馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度 Ms 和轉(zhuǎn)變終止溫度 MZ的位置，首先決定于淬火前奧氏體中碳和合金元素的含量，而這些含量又與鋼中的成分及加熱時碳化物的溶解量有關(guān)。增加奧氏體中碳、鉻和錳的含量，使馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（ Ms 點）降低，并使整個馬氏體曲線（ Ms - Mf ）降低，也就是說過冷奧氏體在 Ms 點以下任何溫度的轉(zhuǎn)變量減少,即將奧氏體化溫度從 860 提高到 980 ，使 Ms 點從 200 降低到 110 。但是，再進一步提高奧氏體 化溫度，

11、由于奧氏體成分不變，所以，對馬氏體轉(zhuǎn)變過程不再產(chǎn)生影響。 影響殘余奧氏體量的因素 在冷卻到室溫或更低溫度以后，殘余奧氏體量取決于奧氏體化溫度。GCr15 和 GCr15SIMn 鋼在不同奧氏體化溫度經(jīng)冷卻、深冷后，。延長奧氏體化時間，實質(zhì)上與提高奧氏體化溫度一樣，使殘余奧氏體數(shù)量增加。原始組織中碳化物相的彌散程度，同樣也影響殘余奧氏體的量:珠光體中碳化物彌散度越高，淬火加熱時所得到的奧氏體含有較多的合金元素,使淬火后殘余奧氏體含量增加。 除上述因素外，不同冷卻能力的淬火介質(zhì)和零件橫截面的大小，同樣會影響殘余奧氏體含量. 奧氏體的穩(wěn)定化效應(yīng) 把奧氏體過冷至 Ms 點溫度以下連續(xù)冷卻，隨溫度的不斷

12、下降，馬氏體轉(zhuǎn)變連續(xù)發(fā)生；馬氏休數(shù)量不斷增加。如果在馬氏體區(qū)冷卻過程中，在某一溫度 T 停止冷卻，然后再繼續(xù)冷卻，那末，馬氏體轉(zhuǎn)變將在比 T 更低的 T 1溫度下重新進行。如果在溫度 T 不是停止冷卻，而是進行加溫，使溫度從 T 升至 T1，那末，在隨后的冷卻過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變將在比 T1還低的溫度下重新進行。用 T-T1的溫度差或?qū)⒗鋮s之后所得的奧氏體量差，作為衡量奧氏體穩(wěn)定化效應(yīng)的程度。因此，在 Ms 點以下任一溫度下增長停留時間，則穩(wěn)定化程度越大。如果在 Ms 溫度以下緩慢的連續(xù)冷卻，可以看作是許多小的溫度梯級的疊加，這種冷卻同樣使奧氏體穩(wěn)定化。 同樣，增大淬火零件的橫截面，也會使奧氏體

13、穩(wěn)定化。大型零件從淬火介質(zhì)溫度取出，空冷至室溫時，同樣大大增加殘余奧氏體的含量。奧氏體穩(wěn)定化的作用，不僅當(dāng)冷卻到室溫，在冷卻到更低溫度時，都能使殘余奧氏體量增加。 (4)馬氏體轉(zhuǎn)變時的瞬間應(yīng)力和殘余應(yīng)力 零件冷卻過程中，無論在奧氏體區(qū)還是在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度下，由于各個部位的比容不同而發(fā)生變化，就會產(chǎn)生瞬時應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于在瞬時應(yīng)力作用下，奧氏體達到其屈服極限以及由于馬氏體轉(zhuǎn)變過程中所產(chǎn)生的塑性變形的結(jié)果另外，由于加熱時表面層脫碳等所引起金屬表面層化學(xué)成分的變化，從而使比容和馬氏體轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生變化的結(jié)果。 下圖所示 GCr15 鋼制套圈在油中冷卻，由于溫度梯度產(chǎn)生的戎余應(yīng)力分布情況。外表面，內(nèi)

14、表面為拉應(yīng)為，心部是壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力的增加與零件的厚度成正比，水淬比油淬的殘余應(yīng)力大 24 倍。 下圖所示為淬透的 Gcr15siMn 鋼應(yīng)力分布情況。表層為拉應(yīng)力，中心是壓應(yīng)力。 如果采用等溫淬火獲得下貝氏體，那么,GCr15鋼中的殘余應(yīng)力符號與普通淬火后的應(yīng)力符號相反。 由于表面層成分變化引起的殘余應(yīng)力只涉及截面成分發(fā)生變化的相當(dāng)小的一部分，并且在此區(qū)域內(nèi)與溫度梯度引起的應(yīng)力相疊如。下圖示出了脫碳程度不同和局部滲碳的 GCr15 鋼試樣中的殘余應(yīng)力分布情祝。表面附近根據(jù)含碳量的不同，表面應(yīng)力在+ 300 -100 兆帕之間變化。最大拉應(yīng)力相應(yīng)為無保護氣氛或低碳氣氛加熱的情況.兩高碳氣氛在表

15、面上沒有產(chǎn)生應(yīng)力或在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。 四.鉻軸承鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變及其應(yīng)力變化 1.鉻軸承鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變 GCr15 鋼的回火膨漲曲線與碳鋼及大多數(shù)低合金鋼曲線相似，交替地出現(xiàn)收縮、膨脹、再收縮三個階段?；鼗鸬谝浑A段的膨脹效應(yīng)（收縮 ) ，隨淬火對奧氏體化溫度的升高而降低.隨淬火冷卻速度的增大而變得明顯.回火第二階段的長度隨殘余奧氏體的增加而增大. (1)馬氏體的分解和碳化物的集聚 對于GCr15 鋼來說,在實際生產(chǎn)的淬火冷卻速度下回火第一階段(馬氏體的分解)早在淬火過程中(奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變)就已開始.馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度越高,分解程度越大;淬火冷卻速度越慢,分解程度越大.此分解有雙向

16、機理:固熔體中幾乎不含碳的立方馬氏體和含碳量不變(與貝氏體相同或者稍有減少)的正方馬氏體.立方馬氏體的數(shù)量隨冷卻速度的增加而減少,隨奧氏體化溫度的提高、 Ms 點的降低而減少.水淬后立方馬氏體數(shù)量較油淬少,且水淬后其奧氏體固溶體的碳濃度約降低0.25%,油淬后其奧氏體固溶體的碳濃度約降低0.4%,所以GCr15 鋼水淬后的硬度要比油淬后硬度要略低. 淬火鋼在室溫下存放,立方馬氏體的數(shù)量隨存放時間的延長其數(shù)量略有增加,而正方馬氏體的數(shù)量基本保持不變或者略有減少.(2)殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，使鋼的體積脹大。殘余奧氏體開始分解溫度是指能明確看出體積變化的轉(zhuǎn)折點。 GCr15 鋼為180

17、 ， G Cr 15siMn 鋼為 200 左右。 GCr15鋼回火時殘佘奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度隨回火時間的延長而降低.如果回火數(shù)小時，則奧氏體在 240250 溫度下完全分解，若回火 100 小時,則在190 溫度下 完全分解。在延長回火時間的同時，相應(yīng)地降低回火溫度，可獲得比較高的硬度。 鉻軸承鋼中的殘余奧氏休在 250270 基本可以完全轉(zhuǎn)變。 GC r15 鋼回火時殘余奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的比容，比相同溫度下回火的馬氏體要小，并且硬度也低，這種轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是貝氏體,而且奧氏體的分解不經(jīng)馬氏體階段。如果 GCr15 鋼在回火時施加恒定強磁場，可加速殘余奧氏體分解. 與馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)連續(xù)冷卻時與分級保溫相比，回火是使奧氏體穩(wěn)定化的一種更有效方法. 對于GCr15 和 Gcr15siMn 鋼, 隨著回火前冷卻溫度的提高,殘余奧氏體量平緩地增加，當(dāng)達到一定的冷卻溫度（該溫度決定于淬火溫度和回火溫度）時,奧氏體含量增加得較緩慢或不再增加，甚至下降。在后一種清況下氏體曲線上出現(xiàn)最高值，與等溫冷卻相似，這個轉(zhuǎn)折溫度或最高溫度相當(dāng)于 M s 點降勤室 2.鉻軸承鋼回火