GCr4軸承鋼套圈整體感應加熱淬火后的組織

2009-03-06

　　冶金部鋼鐵研究總院(北京　100081)　王永清　魏果能　沈梨庭
洛陽軸承研究所　　　　陳煥忠　　　　范崇惠　　邱志仁

　　摘要：研究了GCr4軸承鋼套圈經過整體感應加熱淬火處理后的金相組織、基體組織的形貌和碳化物的形態及分布。結果表明，表面層的組織為隱針馬氏體和碳化物;基體主要由孿晶馬氏體和一些位錯馬氏體組成;心部組織主要為屈氏體、索氏體及碳化物顆粒，碳化物顆粒細小、分布均勻。
　　關鍵詞：GCr4軸承鋼套圈；感應淬火；微觀組織
　　1　前言
　　我國鐵路軸承目前采用GCr15SiMn或滲碳軸承鋼20CrNiMo制造，軸承壽命和可靠性不理想，經常發生軸承擋邊斷裂等事故。為進一步提高我國鐵路軸承的性能，借鑒原蘇聯的有關技術，通過綜合鋼的合金化技術和感應加熱技術，研制和開發出一種新型GCr4軸承鋼及相應的熱處理工藝。因為GCr4軸承鋼中的鉻含量為0.4%，其它成分與GCr15軸承鋼基本上無差別，所以淬透性較低，經過整體感應加熱淬火后，可同時具有全淬透性GCr15軸承鋼和低碳合金滲碳鋼兩者的特性，即表面組織為隱針馬氏體，有殘余壓應力，具有良好的耐磨性和接觸疲勞性能，而心部組織的硬度為35～40HRC，具有良好的韌性和抗沖擊性能。
　　國內外關于GCr4軸承鋼感應淬火后的微觀組織的研究甚少。在前蘇聯的研究報告中，也只對其進行了金相組織的觀察。國內目前對感應淬火GCr4軸承鋼中的馬氏體基體組織的組成存在較大分歧。為搞清楚這些問題，我們利用金相顯微鏡、透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)對GCr4軸承鋼的微觀組織進行了深入研究。
　　 2　試驗用料及處理工藝
　　試驗用料的標準成分及實際成分如表1所示，針對Cr、Mn、Al、Mo等元素對鋼的淬透性有較強的影響，在采用20t電爐加鋼包真空脫氣的冶煉過程中，我們對這些元素的含量都進行了重點控制。鋼錠經過開坯、表面精整修磨后，熱軋成100mm的棒材，再經過鼓風強制冷卻和球化退火處理，然后加工成套圈毛坯。
　　采用K6PS-1-8/250-100寬頻可控中頻裝置及GC2405型感應淬火設備對GCr4軸承鋼套圈進行整體感應加熱淬火處理，淬火溫度估計為840℃±10℃，淬火介質為3%的NaCl水溶液。在200℃回火1～2h后，沿套圈的縱向截面切下一塊，然后進一步加工成各種觀察試樣。
　　3　試驗結果及分析
　　3.1　金相組織及硬度分布
　　圖1a、b和c分別為GCr4鋼套圈經整體感應加熱淬火處理后，試樣的表面層、過渡層和心部的金相組織。試驗結果表明：表面層的組織為隱針馬氏體和碳化物;而過渡層的組織為馬氏體、屈氏體和碳化物;心部組織主要為屈氏體和碳化物，存在部分索氏體組織。試樣的表面層、過渡層和心部的組織都比較細小，碳化物的分布也比較均勻。
　　進一步進行了掃描電鏡的觀察，見圖2a、b和c，結果表明，GCr4鋼套圈中的碳化物比較細小，分布比較均勻。利用洛氏硬度計測量了試樣表面和心部的硬度值，試樣表面的硬度在62HRC左右，心部的硬度為44～49.4HRC。從硬度值和組織來判斷，表面層的厚度為2.5mm左右。
　　以上試驗結果說明軸承鋼GCr4套圈經整體感應加熱淬火處理后，從表面到心部的組織存在明顯的差別，表面層是硬度較高的馬氏體組織和碳化物，而心部是韌性較好的屈氏體和部分索氏體組織。

　　圖1　GCr4套圈的顯微組織　×400　4%硝酸酒精侵蝕
　　(a)套圈表面層的組織　(b)套圈過渡層的組織　(c)套圈心部的組織

　　圖2　套圈中碳化物形態　×2500
　　(a)表面層中碳化物　(b)過渡層中碳化物　(c)心部的碳化物

　　3.2　透射電鏡(TEM)分析結果
　　我們利用透射電鏡對GCr4軸承鋼套圈各部分的薄膜試樣進行了分析研究，從圖3看，GCr4軸承鋼套圈表面層的組織為孿晶馬氏體和位錯馬氏體，實際觀察中發現，其主要組織為孿晶馬氏體，位錯馬氏體的數量較少。從圖4看，在過渡層中，馬氏體基體組織也是由孿晶馬氏體和位錯馬氏體組成，另一部分基體組織為屈氏體。從金相組織和透射電鏡觀察表明，心部的基體組織為屈氏體及部分索氏體，透射電鏡照片(圖5)實測結果表明，圖5a中滲碳體片的間距大約為0.08μm，圖5b中的滲碳體片的間距大約為0.14μm。一般，屈氏體的滲碳體片的間距為0.1μm以下，索氏體的滲碳體片的間距為0.1～0.3μm，所以圖5中的組織分別為屈氏體和索氏體。

　　圖3　表面層的基體組織形貌
　　(上圖)表面層中的孿晶馬氏體組織　(a)孿晶馬氏體(明場)　×40000　(b)電子衍射譜　(c)指數標定

　　(下圖)表面層中的板條馬氏體組織　(a)板條馬氏體(明場)　×40000　(b)電子衍射譜　(c)指數標定

　　圖4　過渡層的基體組織形貌
　　(a)孿晶馬氏體和板條馬氏體　×37000　(b)屈氏體組織　×30000

　　圖5　心部的基體組織形貌
(a)屈氏體組織　×59000　(b)索氏體組織　×59000

　　4　結論
　　(1) GCr4軸承鋼套圈經整體感應加熱淬火處理后，由于GCr4軸承鋼的淬透性較低，套圈的表面和心部的組織差別很大，表面淬透層的厚度大約為2.5mm。
　　(2) 表面層的組織為隱針馬氏體加碳化物，基體主要由孿晶馬氏體構成，也存在少部分位錯馬氏體。
　　 (3) 過渡層的組織為馬氏體、屈氏體和碳化物。同樣，馬氏體主要為孿晶馬氏體和少部分位錯馬氏體。
　　(4) 心部組織為屈氏體、部分索氏體及碳化物所構成。
　　(5) GCr4軸承鋼套圈中的碳化物顆粒細小且分布比較均勻。（來源：中國金相分析網）