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(duì)鉻軸承鋼要求1.高的接觸疲勞強(qiáng)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(guò)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(guò)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(duì)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(jiǎn)化為二元狀態(tài)圖的形式。為了便于討論，把這個(gè)垂直截面的某些特性點(diǎn)，也用Fe-F e 3C F狀態(tài)圖中類似點(diǎn)的同樣字母來(lái)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(diǎn)(S 點(diǎn))的含碳量降低到0.65% ，而碳的最大溶解度降低到1.5% (E 點(diǎn))。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(jìn)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(gè)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(duì)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(shí)出現(xiàn)過(guò)燒的溫度較碳鋼低.二、鉻軸承在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 1 奧氏體的形成 G c r 型鉻軸承承鋼在實(shí)際加熱條下，提高了珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度，并且溫度范圍隨等溫轉(zhuǎn)變的保溫時(shí)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(diǎn)在奧氏體中溶解時(shí),當(dāng)碳化物的質(zhì)點(diǎn)大小不同時(shí),溶解的線速度是相同的.在溶解過(guò)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(wú)明顯區(qū)別,與奧氏體溫度無(wú)關(guān).3.奧氏體的均勻化 在實(shí)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(kuò)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(shí)間.4. 奧氏體晶粒的長(zhǎng)大加熱溫度 在未溶碳化物相區(qū)晶粒長(zhǎng)大較慢，而在高溫單奧氏體相區(qū)晶粒長(zhǎng)大較快，因?yàn)樵诟邷貐^(qū)內(nèi)碳化物質(zhì)點(diǎn)對(duì)晶界遷移的阻礙作用消失。三、鉻軸承鋼冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 1.無(wú)限緩慢冷卻時(shí)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(shí)，從富集碳和鉻的奧氏體晶界處開(kāi)始析出二次碳化物并沿晶界分布（呈網(wǎng)伏）。冷至A 1 時(shí)，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(dá) A 1

5、時(shí)，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(duì)應(yīng)著一定量的奧氏體和珠光體，但具相對(duì)數(shù)量不能用杠桿定律來(lái)求得。2.過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 (1)等溫轉(zhuǎn)變鉻軸承鋼過(guò)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(guò)冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)如 600 穩(wěn)定性最小。 GCr15 鋼過(guò)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(shí)間大約相同（約 10 秒）而 GCr15SIMn 鋼，貝氏體的最小穩(wěn)定時(shí)間大約在 5 分左右.(2)影響過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的因素 碳的影響 對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)來(lái)說(shuō)，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(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)來(lái)說(shuō)，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(rèn)為鉻軸承鋼過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中，也不能防止過(guò)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(xì)小，分布越均勻，那么加熱時(shí)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(guò)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(jìn)行等溫，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為具有針狀的下貝氏體;在 400500 進(jìn)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(shí), GCr15 鋼只發(fā)生珠光休類型的轉(zhuǎn)變.3.過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變 鋼在熱處理操作中，其實(shí)際冷卻過(guò)程往往是在連續(xù)冷卻條件下進(jìn)行的。連續(xù)冷卻也可以理解為是由無(wú)數(shù)個(gè)極短時(shí)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(shí)，奧氏體開(kāi)始向珠光體、貝氏體的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度和時(shí)間較等溫轉(zhuǎn)變更低、更長(zhǎng)。GCr15 鋼過(guò)冷奧氏休向珠光體轉(zhuǎn)變溫度由 600

8、降至 530 左右時(shí)，轉(zhuǎn)變時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。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(shí)，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物只有珠光體轉(zhuǎn)變，而無(wú)貝氏體轉(zhuǎn)變。 GCr15 鋼 860 奧氏體化后快冷時(shí)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(shí)的珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變 GCr15 鋼連續(xù)冷卻過(guò)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(guò)珠光休區(qū)得到一部分珠光體（較細(xì)），隨著冷卻的繼續(xù)，過(guò)冷

9、奧氏體在貝氏休區(qū)得到一部分貝氏體，在 Ms 點(diǎn)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(guò)珠光休轉(zhuǎn)變區(qū)、與貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)相切，并冷至 Ms 點(diǎn)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(guò)冷到Ms點(diǎn)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(shí)的馬氏體轉(zhuǎn)變 鉻軸承鋼過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，實(shí)質(zhì)上是一種無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。其轉(zhuǎn)變程度主要取決于冷卻時(shí)的溫度，但在長(zhǎng)時(shí)間（ 100150 小時(shí)）保溫時(shí)，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(wú)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(shí)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(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（ Ms 點(diǎn)）降低，并使整個(gè)馬氏體曲線（ Ms - Mf ）降低，也就是說(shuō)過(guò)冷奧氏體在 Ms 點(diǎn)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(diǎn)從 200 降低到 110 。但是，再進(jìn)一步提高奧氏體 化溫度，

11、由于奧氏體成分不變，所以，對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)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(zhǎng)奧氏體化時(shí)間，實(shí)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(shí)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(huì)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(guò)冷至 Ms 點(diǎn)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(guò)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(jìn)行。如果在溫度 T 不是停止冷卻，而是進(jìn)行加溫，使溫度從 T 升至 T1，那末，在隨后的冷卻過(guò)程中，馬氏體轉(zhuǎn)變將在比 T1還低的溫度下重新進(jìn)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(diǎn)以下任一溫度下增長(zhǎng)停留時(shí)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(jí)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(huì)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(shí)，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(shí)，都能使殘余奧氏體量增加。 (4)馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的瞬間應(yīng)力和殘余應(yīng)力 零件冷卻過(guò)程中，無(wú)論在奧氏體區(qū)還是在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度下，由于各個(gè)部位的比容不同而發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于在瞬時(shí)應(yīng)力作用下，奧氏體達(dá)到其屈服極限以及由于馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程中所產(chǎn)生的塑性變形的結(jié)果另外，由于加熱時(shí)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(hào)與普通淬火后的應(yīng)力符號(hào)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(wú)保護(hù)氣氛或低碳?xì)夥占訜岬那闆r.兩高碳?xì)夥赵诒?/p>

15、面上沒(méi)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(shí)的組織轉(zhuǎn)變及其應(yīng)力變化 1.鉻軸承鋼回火時(shí)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(gè)階段?；鼗鸬谝浑A段的膨脹效應(yīng)（收縮 ) ，隨淬火對(duì)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(zhǎng)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(duì)于GCr15 鋼來(lái)說(shuō),在實(shí)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(guò)程中(奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變)就已開(kāi)始.馬氏體的開(kāi)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(jī)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(diǎn)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(shí)間的延長(zhǎng)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(kāi)始分解溫度是指能明確看出體積變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 GCr15 鋼為180

17、 ， G Cr 15siMn 鋼為 200 左右。 GCr15鋼回火時(shí)殘佘奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度隨回火時(shí)間的延長(zhǎng)而降低.如果回火數(shù)小時(shí)，則奧氏體在 240250 溫度下完全分解，若回火 100 小時(shí),則在190 溫度下 完全分解。在延長(zhǎng)回火時(shí)間的同時(shí)，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(shí)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?jiàn)W氏體的分解不經(jīng)馬氏體階段。如果 GCr15 鋼在回火時(shí)施加恒定強(qiáng)磁場(chǎng)，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(shí)與分級(jí)保溫相比，回火是使奧氏體穩(wěn)定化的一種更有效方法. 對(duì)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(dá)到一定的冷卻溫度（該溫度決定于淬火溫度和回火溫度）時(shí),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(gè)轉(zhuǎn)折溫度或最高溫度相當(dāng)于 M s 點(diǎn)降勤室 2.鉻軸承鋼回火