軸承熱處理工藝學(第八章)課件

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-Fe3C狀態(tài)圖必將產(chǎn)生影響。Fe-Cr-C三元合金狀態(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-Fe3CF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℃~A1“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Gcr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A1‘’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。當溫度達A1‘時，奧氏體全部轉(zhuǎn)化為珠光體。值得注意的是，在溫度A1’~A1‘’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.曲線③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②、①冷卻速度大于臨界冷卻速度③，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③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（100~150小時）保溫時，也同樣可以看到等溫轉(zhuǎn)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。①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，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。②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.③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T1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)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2~4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℃，GCr15siMn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240~250℃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250~270℃基本可以完全轉(zhuǎn)變。GCr15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于M's點降勤室2.鉻軸承鋼回火時的應(yīng)力變化淬火時的殘余應(yīng)力，在回火過程中,隨著回火溫度的升高而減小，最后得到消除。回火時，拉應(yīng)力降低的相應(yīng)溫度隨著表面距離的增加而增大。同時應(yīng)力為0點的