熱處理工藝對(duì)gcr15simn鋼組織和性能的影響-畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

第第27頁(yè)共27頁(yè)熱處理工藝對(duì)GCr15SiMn鋼組織和性能的影響摘要：主要研究了GCr15SiMn軸承鋼的熱處理工藝與組織及性能間關(guān)系，通過采用不同加熱時(shí)間、溫度淬火和不同溫度下回火實(shí)驗(yàn)，結(jié)合組織性能測(cè)試分析，從而獲得最佳性能。實(shí)驗(yàn)表明：不同淬火溫度下鋼的硬度隨回火溫度升高而降低，860℃，40min油淬，然后150℃，1h回火綜合機(jī)械性能最佳。關(guān)鍵詞：GCr15SiMn軸承鋼；組織性能；顯微組織；合金元素；殘留奧氏體；針狀馬氏體一、緒論1.1背景由于近年來，鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能過剩、市場(chǎng)需求不斷下滑、價(jià)格一蹶不振，很多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如歐、美、日、俄等老牌的鋼鐵發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸將發(fā)展的重心轉(zhuǎn)移到高技術(shù)含量、附加值也較高的特殊鋼產(chǎn)品。我國(guó)的特殊鋼在生產(chǎn)數(shù)量上已經(jīng)跟上國(guó)民經(jīng)濟(jì)的速度，特殊鋼品種也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，需求量大，應(yīng)用范圍廣的特殊鋼無論在質(zhì)量還是數(shù)量上都能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面的需求。軸承鋼是特殊鋼中的典型代表，它能夠在惡劣的服役條件下工作，有著較高的使用性能，生產(chǎn)難度最大、質(zhì)量要求嚴(yán)、檢驗(yàn)項(xiàng)目多。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中——滾動(dòng)軸承被稱為“工業(yè)的關(guān)節(jié)”。軸承工業(yè)發(fā)展水平的高低，往往代表或制約著一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，它一直被視為機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和骨干產(chǎn)業(yè)。伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化和經(jīng)濟(jì)一體化的趨勢(shì)，我國(guó)已經(jīng)一躍成為世界軸承生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)，擁有著無比廣闊的市場(chǎng)和巨大的消費(fèi)潛力。但是，我國(guó)軸承鋼的質(zhì)量、性能、綠色化水平上與國(guó)際先進(jìn)水平還相距甚遠(yuǎn)[1]。我國(guó)的軸承鋼落后于國(guó)外先進(jìn)水平，主要表現(xiàn)在碳化物顆粒大、碳化物分布不均勻等方面，因此影響了軸承的使用壽命[2]。為了提高我國(guó)的軸承鋼質(zhì)量，許多科研院校、企業(yè)開展了大量的研究工作，包括軸承鋼的潔凈化冶煉、軋制、熱處理等。其中關(guān)于GCrl5SiMn軸承鋼的球化退火，更是從節(jié)能、提高生產(chǎn)率、提高軸承鋼的質(zhì)量及其穩(wěn)定性考慮，展開了大量的研究。為此本文在熱處理對(duì)GCr15SiMn軸承鋼組織和性能的關(guān)系方面進(jìn)行了深入的探究。通過1*5*4種方案，退火、淬火、回火工藝步驟的親身實(shí)踐，得到了一些較為有意義的數(shù)據(jù)和參考。1.2滾動(dòng)軸承的質(zhì)量、性能要求及失效形式1．2．1軸承鋼的質(zhì)量要求軸承鋼主要用于制造軸承套圈(內(nèi)套、外套)和滾動(dòng)體(滾珠、滾柱、滾針)。在合金鋼領(lǐng)域中，軸承鋼是檢驗(yàn)項(xiàng)目最多、質(zhì)量要求最高、生產(chǎn)難度及用量最大的鋼種之一。純凈度，即鋼中夾雜物的比重；碳化物的分布彌散；以及鋼材的表面質(zhì)量，比如尺寸精度，表面裂紋這三個(gè)指標(biāo)是衡量軸承鋼質(zhì)量高低的重要標(biāo)準(zhǔn)[3]。軸承鋼的純凈度是指軸承鋼中夾雜物的含量與類型、氣體含量及有害元素的種類和含量。應(yīng)盡可能降低軸承鋼中的夾雜物含量[4]。因?yàn)閵A雜物破壞了鋼的連續(xù)性；在壓力加工過程中或熱處理時(shí)由于金屬(基體)與夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，在夾雜物和金屬界面會(huì)形成初始裂紋，他們是金屬疲勞源，會(huì)進(jìn)一步造成疲勞破壞，產(chǎn)生的原因由于是夾雜物和金屬界面處產(chǎn)生了方向相反的微觀應(yīng)力：?jiǎn)为?dú)的硫化物夾雜同樣破壞了鋼的連續(xù)性。軸承鋼的均勻性是指材料的化學(xué)成分、內(nèi)部組織包括基體組織、析出相碳化物顆粒度及其間距、夾雜物顆粒和分布等均勻程度[5]。軸承鋼大多數(shù)是過共析鋼，它有很大比重的碳化物，軸承的耐磨性和疲勞壽命取決于這些碳化物的顆粒大小和分布狀態(tài)。碳化物液析、碳化物帶狀和軋后冷卻過程中沿晶界析出網(wǎng)狀碳化物這些問題正是由于鋼錠結(jié)晶偏析造成了軸承鋼中的碳化物分布不均勻。軸承鋼中碳化物的不均勻分布是由于鋼錠結(jié)晶偏析所造成的，表現(xiàn)為，外國(guó)的研究機(jī)構(gòu)從兩方面著手來改善軸承鋼的碳化物分布不均勻的問題，第一是試圖減小鋼錠或鋼坯的偏析，嚴(yán)格把控澆鑄溫度，讓過熱度控制在10℃上下浮動(dòng)；第二是通過加強(qiáng)鋼錠或鑄坯的高溫均熱擴(kuò)散，來消除碳化物液析，改善碳化物帶狀偏析；除此以外采用低終軋溫度或者通過對(duì)鋼材進(jìn)行正火處理來改善網(wǎng)狀碳化物，消除大塊碳化物。軸承鋼的疲勞壽命因?yàn)楦咛笺t軸承鋼組織中的碳化物分布不均勻一直很難得到提高。1．2．2滾動(dòng)軸承的主要失效形式[6]一般來說下，滾動(dòng)軸承的主要破壞形式是在交變應(yīng)力作用下的疲勞剝落，以及由于摩擦磨損而使軸承精度喪失。除此以外，還有就是裂紋、壓痕、銹蝕等原因造成軸承的非正常破壞。[7]接觸疲勞失效接觸疲勞時(shí)效指的是由于軸承在工作時(shí)外表面遭受到交變應(yīng)力的作用而發(fā)生的失效。接觸疲勞剝落發(fā)生在軸承的工作表面，隨之而來的疲勞裂紋最開始在接觸的表面軸承工作表面最大交變切應(yīng)力的地方，隨后擴(kuò)展到外表，造成不同類型的剝落，最常見的有點(diǎn)蝕（或麻點(diǎn)剝落），片狀的稱為淺層剝落。接觸疲勞時(shí)效的疲勞源是由于剝落由表及里向深層次擴(kuò)展形成深層剝落。[8]。磨損失效磨損失效指的是兩個(gè)外表面之間相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失效[9]。持續(xù)的磨損將會(huì)引起軸承零件的逐步破壞，最后會(huì)造成軸承尺寸精度喪失以及其他相關(guān)的一系列問題。磨損可能造成外形變化、配合間隙增大以及工作外表面形貌變化，更有甚者可能會(huì)影響到光滑劑或使其污染到達(dá)一定水平而形成光滑功用完整喪失，導(dǎo)致軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度而不能正常旋轉(zhuǎn)。磨損失效作為軸承常見的失效形式，常見的形式可以分為磨粒磨損和粘著磨損。儀器檢測(cè)應(yīng)用儀器，比如說鐵譜儀、SPM、新型VIB05檢測(cè)儀來判斷軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，來判別是否應(yīng)當(dāng)停止維護(hù)或改換，是簡(jiǎn)單又有效的辦法[11]。例如當(dāng)運(yùn)用VIBO5檢測(cè)儀，這是一款基于微處置器最新設(shè)計(jì)的機(jī)器狀態(tài)檢測(cè)儀器，具備有振動(dòng)檢測(cè)，IKO進(jìn)口軸承狀態(tài)剖析和紅外線溫度丈量功用。它的操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)指示狀態(tài)報(bào)警，十分合適現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)人員檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證設(shè)備正常牢靠運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)用這樣的儀器，能夠充沛應(yīng)用軸承工作潛力，及時(shí)將軸承保修，并可防止毛病發(fā)作，比擬合適年輕工作人員，以補(bǔ)償其經(jīng)歷方面的缺乏。b.人工檢測(cè)在不具備上述儀器的場(chǎng)所，能夠運(yùn)用相似醫(yī)用聽診器的設(shè)備改裝的監(jiān)聽工具檢測(cè)，經(jīng)歷豐厚的操作人員也能夠經(jīng)過圓棒或扳手等工具抵觸最接近軸承的機(jī)器外殼部位，用耳朵經(jīng)過工具監(jiān)聽軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)聲。在沒有上述儀器的情況下，也可以使用類似醫(yī)用聽診器的設(shè)備改裝的工具檢測(cè)，甚至工作年代久遠(yuǎn)的工人可以用圓棒或者扳手接近軸承機(jī)器的外殼，用耳朵就可以監(jiān)聽軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)聲。正常的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲應(yīng)當(dāng)是平均、平穩(wěn)不刺耳，而不正常的軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲則是斷斷續(xù)續(xù)，有沖擊性或刺耳的聲音。1．2．3滾動(dòng)軸承的性能要求滾動(dòng)軸承對(duì)材料的基本要求在很大程度上取決于軸承的工作性能。選擇制造滾動(dòng)軸承的材料是否合適，對(duì)其使用性能和壽命將有很大影響[12]。其中很多性能是由材料和熱處理工藝所共同決定的。由于滾動(dòng)軸承對(duì)材料的基本要求是由軸承的失效形式?jīng)Q定的，所以要求制造滾動(dòng)軸承的材料經(jīng)過后工序的一定熱處理后應(yīng)具備下列性能：(1)高的接觸疲勞強(qiáng)度(2)高的耐磨性(3)高的彈性極限(4)適宜的硬度(5)一定的沖擊韌性(6)良好的尺寸穩(wěn)定性除此以外，考慮到某些軸承工作的特殊條件，除了具備上述基本要求外，對(duì)它所用的材料還需要提出相應(yīng)的特殊性能要求，比如說耐高溫、高速、抗腐蝕及防磁性能...1.3國(guó)內(nèi)軸承鋼的發(fā)展及現(xiàn)狀1.3.1國(guó)內(nèi)軸承鋼的發(fā)展及存在的問題國(guó)內(nèi)軸承鋼的發(fā)展史可以分為以下四個(gè)階段第一階段(1950—1960年)是學(xué)習(xí)和起步階段,該階段僅生產(chǎn)高碳鉻軸承鋼。第二階段(1961—1975年)是自行研究和開發(fā)階段。在鋼種方面,開發(fā)出高溫軸承鋼、不銹軸承鋼、滲碳軸承鋼及原子能等尖端科技裝備和儀表用的特種軸承鋼材料。在冶煉方面,開發(fā)了電渣重熔、爐外合成渣熔煉及平爐-電爐混煉+RH真空脫氣等新技術(shù)、新工藝。在熱處理方面,開始探索連續(xù)式熱處理爐在軸承鋼球化退火中的應(yīng)用,為以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[13]。第三階段(1976—1985年)是發(fā)展和提高階段[14]。為適應(yīng)計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、宇航儀表等領(lǐng)域急需高精度、長(zhǎng)壽命的軸承產(chǎn)品,冶金企業(yè)圍繞提高鋼的純潔度、改善碳化物不均勻性,對(duì)鋼的生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備和檢測(cè)儀器等進(jìn)行了全面的改造,相繼建立了與18t、30t電弧爐相配合的VAD（VHD)、LFV等精煉設(shè)施。GCr15類鋼的氧含量從大氣下熔煉的30—40LgPg降到了10LgPg左右,生產(chǎn)的軸承鋼材,氧含量和接觸疲勞壽命已達(dá)到80年代瑞典SKF和原西德進(jìn)口材的實(shí)物水平。但從整體上看,我國(guó)軸承鋼生產(chǎn)仍存在爐容量小、全部模鑄、軋制及熱處理工藝落后等問題,鋼材表面質(zhì)量、尺寸精度沒有得到同步提高,與國(guó)際水平尚有較大差距。第四階段(1985—2005年)是對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)水平階段?！搹S爐外精煉技術(shù)逐漸成熟,電爐容量越來越大,廣泛應(yīng)用連鑄技術(shù),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)連鑄坯熱送;鋼材純潔度顯著提高:鋼中氧和鈦含量分別達(dá)到5—7LgPg(特殊軸承鋼的氧含量達(dá)到2—5LgPg)和10—12LgPg,鋼中硫含量可控制在0.1003%以下,鋼材的碳化物不均勻性得到明顯改善,采用輥底式連續(xù)退火爐,使珠光體組織得到改善,鋼材的外觀尺寸也顯著改善?！S承鋼生產(chǎn)已趨于專業(yè)化生產(chǎn),并開始向世界頂級(jí)的NMB、SKF、TIMKEN、NSK等跨國(guó)軸承公司提供鋼材[15]。表面上我們國(guó)家已經(jīng)成為軸承鋼制造大國(guó)，但是實(shí)際上我們離軸承鋼制造強(qiáng)國(guó)還有相當(dāng)長(zhǎng)的一段路要走，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)軸承鋼品種、規(guī)格不全,低檔次較多,高檔次較少。高質(zhì)量、高性能軸承鋼品種少。從品種方面,尚未形成高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、中碳軸承鋼、高淬透性軸承鋼、不銹軸承鋼、高溫軸承鋼等專用軸承材料系列。高純潔度的精品軸承鋼的比例較低。(2)軸承鋼鋼材的質(zhì)量、性能穩(wěn)定性較差,外觀質(zhì)量欠佳。軸承鋼的專業(yè)化生產(chǎn)程度較低。中國(guó)軸承鋼生產(chǎn)分散度大,幾十家生產(chǎn)廠家中有百分之八十廠家的生產(chǎn)工藝裝備不配套,尤其是成品工序的裝備以及相關(guān)在線檢測(cè)手段落后,嚴(yán)重制約了我國(guó)軸承鋼總體質(zhì)量和性能的提高。轎車軸承用鋼、高速鐵路軸承用鋼、進(jìn)口裝備專用軸承用鋼、部分高精度、高附加值和在特殊工況條件下使用的專用軸承(鋼材)仍需進(jìn)口。1.3.2國(guó)內(nèi)軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀相對(duì)其它的鋼鐵產(chǎn)品來說，目前軸承鋼的生產(chǎn)企業(yè)類型比較分散，大小企業(yè)都有。雖然軸承鋼產(chǎn)量主要集中在幾家大型企業(yè)，但某些規(guī)格、品種的軸承鋼小型企業(yè)也占了一定的比例。為了保證軸承鋼的質(zhì)量，國(guó)家從1990開始對(duì)軸承鋼的生產(chǎn)實(shí)行生產(chǎn)許可證管理制度，當(dāng)時(shí)有34家企業(yè)獲得生產(chǎn)許可證。1997年國(guó)家頒（換）發(fā)了軸承鋼生產(chǎn)許可證，頒（換）發(fā)品種范圍是“軸承鋼棒材（包括熱軋材、熱軋退火材、鍛材、冷拔材）、軸承鋼管、軸承鋼絲和滲碳軸承鋼”四大類，與1990年相比，發(fā)證范圍增加了滲碳軸承鋼產(chǎn)品。截止到1998年底，共有45家企業(yè)取得軸承鋼（包括棒、管、絲等）的生產(chǎn)許可證。從已經(jīng)發(fā)放生產(chǎn)許可證的分布情況可以看出：目前獲準(zhǔn)生產(chǎn)YJZ84的企業(yè)有26家；獲準(zhǔn)生產(chǎn)YB9-68的企業(yè)有30家；獲準(zhǔn)生產(chǎn)YB245-64的企業(yè)有12家；獲準(zhǔn)生產(chǎn)YB/Z12-77的企業(yè)有5家；獲準(zhǔn)生產(chǎn)GB3203-82的企業(yè)有6家。其中某些企業(yè)還同時(shí)獲得了好幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軸承鋼生產(chǎn)許可證。1.3.3國(guó)內(nèi)軸承鋼質(zhì)量要求軸承鋼主要用于制造軸承套圈(內(nèi)套、外套)和滾動(dòng)體(滾珠、滾柱、滾針)。在合金鋼領(lǐng)域中，軸承鋼是檢驗(yàn)項(xiàng)目最多、質(zhì)量要求最高、生產(chǎn)難度及用量最大的鋼種之一。從三個(gè)方面衡量軸承鋼質(zhì)量的高低:一是純凈度，即鋼中夾雜物的含量;二是碳化物不均勻性;三是鋼材的表面質(zhì)量，包括尺寸精度，表面裂紋。軸承鋼的純潔度:是指軸承鋼中夾雜物的含量與類型、氣體含量及有害元素的種類和含量。因?yàn)閵A雜物會(huì)破壞鋼的連續(xù)性，所以應(yīng)該通過各種方法和途徑盡可能降低軸承鋼中的夾雜物含量：因?yàn)樵趬毫庸み^程中（即熱處理時(shí)）金屬與夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，所以在夾雜物和金屬界面會(huì)產(chǎn)生異性微觀應(yīng)力，導(dǎo)致初始裂紋的產(chǎn)生，并有可能進(jìn)一步形成疲勞破壞的疲勞源；彌散分布的硫化物夾雜也有可能破壞軸承鋼的連續(xù)性。因?yàn)檠鹾康母叩蛯?duì)軸承鋼純凈度有重要影響，伴隨著氧含量的減少，軸承的疲勞壽命可以提高好幾倍。從現(xiàn)在的技術(shù)角度來說，氧含量很容易控制在1Sppm以下。當(dāng)氧含量達(dá)到轟l0Sppm的水平后，對(duì)軸承鋼純凈度的進(jìn)一步提高出現(xiàn)了兩種不同的傾向:日本軸承鋼生產(chǎn)廠山陽(yáng)仍然在為更低的氧含量而努力，超純軸承鋼的氧含量甚至達(dá)到4Sppm，同時(shí)欽含量也降低至7—8Sppm。而以SKF為代表的歐美企業(yè)則更重視夾雜物的尺寸、數(shù)量和性質(zhì)，要求尺寸小，數(shù)量少，可變形[16]。軸承鋼的均勻性:是指材料的化學(xué)成分、內(nèi)部組織包括基體組織、析出相碳化物顆粒度以及其間距、夾雜物顆粒和分布等均勻程度[17]。影響軸承鋼均勻性的因素很多，鋼錠結(jié)構(gòu)，錠重，澆鑄溫度，鑄錠方法等影響鋼中化學(xué)成分的分布狀態(tài)，鋼錠、鋼坯在熱加工前的加熱工藝、鋼材熱加工終止溫度及隨后的冷卻方法，球化退火工藝等影響碳化物的均勻性。液析碳化物、帶狀碳化物、網(wǎng)狀碳化物評(píng)級(jí)的級(jí)別是衡量碳化物均勻性的指標(biāo)。經(jīng)相關(guān)研究顯示：液析碳化物造成的危害性跟鋼中的夾雜物是相當(dāng)?shù)模ā畮钐蓟镌u(píng)級(jí)如果達(dá)到3-4級(jí)可以使鋼材的疲勞壽命降低約百分之三十；網(wǎng)狀碳化物每升高一個(gè)等級(jí)，可以使軸承的疲勞壽命降低?；碳化物顆粒大小也會(huì)影響軸承的壽命。當(dāng)馬氏體基體組織中含碳量值一定時(shí)，碳化物平均粒度越小則疲勞壽命越高?！┳?986年第2季度以來，國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局對(duì)軸承鋼及其棒材進(jìn)行過5次國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督抽查，通過分析歷次抽查的實(shí)物檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，與國(guó)外軸承鋼實(shí)物質(zhì)量相比，我國(guó)生產(chǎn)的軸承鋼在氧含量、非金屬夾雜物級(jí)別、碳化物均勻性等指標(biāo)方面有一定的差距。鋼的化學(xué)成分穩(wěn)定性、純凈度較用戶的要求也有一定的差距。我國(guó)的軸承鋼年產(chǎn)量約60--70萬t，主要品種為高碳鉻軸承鋼，以前我國(guó)軸承鋼生產(chǎn)特點(diǎn)是容量小，全模鑄，軋制和熱處理工藝落后，近年來雖然相繼投產(chǎn)了一些大容量的電爐并配備了二次精煉設(shè)備和連鑄機(jī)，但整體水平與瑞典、日本等國(guó)家相比，仍有很大的差別。另外我國(guó)的高碳鉻軸承鋼的材料利用率只有40％，而瑞典和日本等國(guó)達(dá)到60％以上，造成這種狀況的主要原因是品種結(jié)構(gòu)不合理所致，既棒材的比重大(>90％)，而管材的比重較小。1.3本課題的研究方法和目的意義1.3.1研究方法通過GCr15SiMn的熱處理工藝參數(shù)，先進(jìn)行預(yù)處理（球化退火）選擇在770，800，830，860，890℃的進(jìn)行淬火處理[18]。然后，進(jìn)行不同溫度的回火處理，回火溫度分別為150,200,250，300℃。同時(shí)，每一步選試樣測(cè)定其布氏硬度HRC。1.3.2目的意義通過進(jìn)一步研究GCr15SiMn的合金元素、熱處理工藝及性能間的關(guān)系，通過預(yù)設(shè)的熱處理工藝，測(cè)定其硬度和機(jī)械性指標(biāo)并觀察其金相組織，從而得到綜合機(jī)械性能最佳的GCr15SiMn軸承鋼以及它的回火系列金相圖譜，完成其基本數(shù)據(jù)，更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。二、實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法2.1實(shí)驗(yàn)材料與方法2.1.1材料化學(xué)成分[19]（表2.1為GB/T18254-2002規(guī)定的軸承鋼的化學(xué)成分）表2.1軸承鋼化學(xué)成分名稱成分%CCrSiMnMoPSNiCuGCr15SiMn0.95~1.051.30~1.650.40~0.650.90~1.20≤0.100.0250.0200.320.25試驗(yàn)用材1.001.500.501.000.100.0250.0200,3試樣制備與試劑制備36塊試樣，直徑為16mm。用作淬火與回火實(shí)驗(yàn)，腐蝕液是采用的是4%的硝酸酒精。其制備方法是采用4ml硝酸中加入96ml酒精（94%）2.1.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)爐膛尺寸/mm額定功率/kw額定溫度/℃SX2-2.5-12200×120×802.51200SX2-10-13250×150×10 101300HR-150A型洛氏硬度計(jì)1臺(tái)SX2—2.5-12箱式電阻爐SX2-10-13箱式電阻爐AxioImagerA1mHAL100金相顯微鏡1臺(tái)；單盤臺(tái)式拋光機(jī)1臺(tái)；金相砂紙、水砂紙若干2.1.4常規(guī)軸承熱處理工藝軸承的熱處理包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，預(yù)處理是球化退火，終處理是淬火和低溫回火[20]。球化退火軸承鋼球化退火有兩個(gè)目的[21]，第一個(gè)目的是降低硬度，以便于切削加工；第二個(gè)目的是為獲得鐵素體組織做準(zhǔn)備。材料最后的性能受碳化物的形狀、大小、數(shù)量和分布影響很大，后續(xù)的淬火和回火對(duì)碳化物組織形態(tài)的改變也是微乎其微的。這是因?yàn)?，在淬火絕大部分的碳化物是不能溶解的，組織形態(tài)受球化退火影響大，基本上就是由球化退火決定的，所以控制組織形態(tài)的關(guān)鍵在于對(duì)球化退火的嚴(yán)格控制。原來的球化退火工藝是在略高于Ac1的溫度（如GCrl5SiMn為800"一820℃）保溫后在隨爐冷卻。如果冷卻速度太快，碳化物較小，并且彌散分布，硬度比較高，如果看冷卻速度太慢，碳化物會(huì)聚集長(zhǎng)大，硬度也比較低。這種工藝時(shí)間長(zhǎng)，并且退貨后的碳化物顆粒也不算是均勻，嚴(yán)重影響冷加工和最終淬回火的組織和性能。馬氏體淬回火熱處理的第二個(gè)環(huán)節(jié)是淬火和低溫回火，對(duì)軸承鋼最后的工藝性能有重要影響。淬火溫度在AC1和ACM之間，奧氏體化溫度越高，原始組織就越不穩(wěn)定。即，奧氏體基體的碳含量越高，淬火后殘余奧氏體越多，片狀馬氏體越多，尺寸也越大，亞結(jié)構(gòu)中的孿晶比例也大，極易形成淬火顯微裂紋。奧氏體化溫度和淬火后硬度成線性關(guān)系，但韌性下降。奧氏體化溫度過高也會(huì)因?yàn)榇慊鸷髿堄鄪W氏體的量太大導(dǎo)致硬度、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度太低，就GCrl5SiMn來說，淬火溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在850+10℃范圍內(nèi)，淬火后的組織為（馬氏體+殘余奧氏體+未溶碳化物）淬火以后應(yīng)該立即進(jìn)行回火，目的是消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，穩(wěn)定材料組織和尺寸。GCrl5SiMn鋼的回火溫度為150160℃，回火時(shí)間為1h，回火組織為回火馬氏體、均勻細(xì)小的碳化物及少量的殘余奧氏體[22]。2.2實(shí)驗(yàn)方案2.2.1球化退火工藝確定退火就是把鋼材加熱到臨界溫度Ac1附近，保溫一段時(shí)間，然后通過緩慢冷卻獲得接近平衡組織的熱處理工藝。通俗點(diǎn)來講，退火過程其實(shí)就是讓組織從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過度。通過球化退火，可以起到均勻鋼的化學(xué)成分和組織，消除鑄造偏析，達(dá)到細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，減小變形和開裂，降低硬度，改善切削加工性能的目的。還可以提高塑性，便于冷變形加工；消除淬火后的過熱組織以便再進(jìn)行重新淬火；脫氫，防止白點(diǎn)。去氫退火、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火、均勻化退火、等溫退火、球化退火等是常用的退火工藝。鍛造后，會(huì)對(duì)鋼進(jìn)行預(yù)先熱處理，最常用的則是球化退火。球化退火是將剛中的碳化物球狀化，其目的主要是以下幾點(diǎn)：第一是讓珠光體中的滲碳體發(fā)生球化轉(zhuǎn)變，球狀珠光體比普通珠光體強(qiáng)度、硬度低，但是韌性高，可以有效改善熱處理工藝性能，減少鋼材在淬火加熱時(shí)的熱敏感性和變形開裂的傾向。第二是降低鋼材的硬度，改善其切削性能；第三是提高塑性，更有利于冷擠壓成型；第四為后續(xù)的熱處理做準(zhǔn)備，經(jīng)淬火回火后獲得良好的綜合力學(xué)性能。過共析鋼經(jīng)常要進(jìn)行球化退火，常見的過共析鋼有碳素工具鋼、合金工具鋼、滾動(dòng)軸承鋼以及冷擠壓成型的結(jié)構(gòu)鋼。普通球化退火和等溫球化退火的溫度都一樣，都是Ac1+（20～30）℃,區(qū)別在于，普通球化退火加熱保溫后，冷卻到大約500℃再出爐空冷。而等溫球化退火是在加熱保溫后，快冷至Ar1下20℃左右，等溫一段時(shí)間，在冷卻到500℃出爐空冷。碳鋼、合金刀具鋼、冷沖模具球和軸承零件常作等溫球化退火工藝，采用等溫球化退火，通過增加過冷度來提高球化速度，從而獲得更為細(xì)小的、均勻的碳化物[25]。球化退火后的組織為索氏體型珠光體+粒狀碳化物,硬度HRC16～25.4本實(shí)驗(yàn)采用的是球化退火，將鋼件溫度加熱到Ac1+（20~30）℃保溫一段時(shí)間，然后隨爐冷卻到室溫，根據(jù)表2.2，其Ac1溫度為770℃，因此較為理想的溫度為800~810℃之間，于是我們制定以下球化退火工藝:810℃加熱2h,隨爐冷卻至650℃，再出爐空冷。根據(jù)臨界溫度初步確定加熱溫度表2.2臨界點(diǎn)Ac1Ac3Ms溫度（近似值）/℃770℃872℃200℃2.2.2淬火溫度確定把鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上，保溫并隨之以大于臨界冷卻速度（Vc）冷卻，以得到穩(wěn)定狀態(tài)的馬氏體或者下貝氏體組織的熱處理工藝稱之為淬火。其目的：提高工具、滲碳零件和其他高強(qiáng)度耐磨機(jī)器零件等的硬度、強(qiáng)度和耐磨性[24]。由于GCr15SiMn軸承鋼屬于過共析鋼，所以對(duì)其溫度應(yīng)該選Ac1+（30~50℃)，因?yàn)檫^共析鋼在淬火之前都要進(jìn)行球化退火，使之得到粒狀珠光體組織，淬火加熱時(shí)組織為細(xì)小奧氏體晶粒和未溶的粒狀碳化物，淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細(xì)小粒狀碳化物組織。這種組織不僅具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性，而且也具有較好的韌性。如果淬火加熱溫度超過Accm，加熱時(shí)碳化物將完全溶入奧氏體中，是奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，是Ms和Mf點(diǎn)降低，淬火后殘余奧氏體量增加，使鋼的硬度和耐磨性降低，同時(shí)，奧氏體晶粒粗化，淬火后容易得到含有顯微裂紋的粗片狀馬氏體，使鋼的脆性增大。此外，淬火加熱溫度高，淬火應(yīng)力大，工件表面氧化、脫碳嚴(yán)重，也增加可工件淬火變形及開裂的傾向。因此，根據(jù)GCr15SiMn軸承鋼的臨界溫度，其淬火溫度應(yīng)該為800~820℃[26]。將材料分成分別打上編號(hào)。在淬火實(shí)驗(yàn)中，把試樣按溫度770,800,830,860,890℃分成五大組。在其中在860℃淬火的分成三組，加熱時(shí)間為40分鐘，GCr15SiMn彈簧鋼屬于過共析鋼，其淬火加熱溫度應(yīng)主要根據(jù)相變點(diǎn)來確定。所以，對(duì)于GCr15SiMn應(yīng)選取其Ac3+(30~50℃)即810℃退火。因此，GCr15SiMn鋼的正常淬火溫度達(dá)到860℃左右。2.2.3淬火加熱時(shí)間確定淬火加熱時(shí)間應(yīng)包括工件整個(gè)截面加熱到預(yù)定淬火溫度，并使之在該溫度下完成組織轉(zhuǎn)變、碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時(shí)間。在具體生產(chǎn)條件下，淬火加熱時(shí)間常采用經(jīng)驗(yàn)公式[25]。常用經(jīng)驗(yàn)公式是τ=α·Κ?(1)式中τ——加熱時(shí)間，（min）；α——加熱系數(shù),(min/mm)；Κ——裝爐修正系數(shù)；D——零件有效厚度（mm）加熱系數(shù)α表示工件單位需要的加熱時(shí)間，其大小與工件尺寸，加熱介質(zhì)和鋼的化學(xué)成分有關(guān)。如表2.3示。表2.3常用鋼的加熱系數(shù)[14]工件材料工件直徑mm＜600℃箱式爐中加熱750

-850℃鹽浴爐中加熱或預(yù)熱800-900℃箱式爐或井式爐中加熱1000-1300℃高溫鹽爐中加熱碳鋼≤50＞500.3-0.40.4-0.51.0-1.21.2-1.5合金鋼≤50＞500.45-0.500.50-0.551.2-1.51.5-1.8高合金鋼0.30-0.400.30-0.350.17-0.2高速鋼0.30-0.350.65-0.850.16-0.180.16-0.18根據(jù)表3試樣直徑和修正系數(shù)可以得出GCr15SiMn鋼的加熱時(shí)間為38分鐘所以在實(shí)驗(yàn)中正常淬火時(shí)間定為40min，油冷。2.2.4淬火介質(zhì)的選擇淬火介質(zhì)的選擇，首先應(yīng)按工件所采用的材料及其淬透層深度的要求，根據(jù)該種材料的端淬性曲線，通過一定的圖表來進(jìn)行選擇。若僅從淬透層深度考慮，凡是淬火烈度大于按淬透層深度所要求的淬火烈度的淬火介質(zhì)都可以使用。但是從淬火應(yīng)力變形開裂的角度考慮，淬火介質(zhì)的淬火烈度愈低愈好。綜合這兩方面的要求，選擇淬火介質(zhì)的第一原則應(yīng)是在滿足工件淬透層深度要求的前提下，選擇淬火烈度最低的淬火介質(zhì)。如果結(jié)合過冷奧氏體連續(xù)冷卻曲線及淬火本質(zhì)選擇淬火介質(zhì)時(shí)，還應(yīng)考慮其冷卻特性，即淬火介質(zhì)應(yīng)作如下選擇：在相當(dāng)于被淬火鋼的過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)有足夠的冷卻能力，而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)其冷卻速度卻又很緩慢。此外，淬火介質(zhì)的冷卻特性在使用過程中應(yīng)該穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用和存放不易變質(zhì)，價(jià)格低廉，來源豐富，且無毒及無環(huán)境污染[12]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，軸承鋼一般選用油淬。2.2.5回火工藝確定將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)Ac1以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝過程叫做回火。其目的：減少或消除淬火應(yīng)力，提高韌性和塑性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足工件的性能要求[15]。軸承鋼采用低溫回火，溫度：150~250度。可在保持高硬度和高耐磨性的前提下，降低內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時(shí)崩裂或過早損壞。最終確定實(shí)驗(yàn)方案為圖2.4編號(hào)工藝參數(shù)及流程個(gè)數(shù)85退火112,15,18退火→淬火830℃304,13,64退火→淬火770℃316,03,33退火→淬火800℃34,5,14退火→淬火860℃362,65,68退火→淬火890℃3X1，XF退火→淬火860℃→回火150℃2B1，PF退火→淬火860℃→回火200℃2Y1，G8退火→淬火860℃→回火250℃2BF,Y0退火→淬火860℃→回火300℃22.3硬度的測(cè)定硬度是表征金屬材料軟硬程度的性能指標(biāo)。生產(chǎn)中常有的布氏硬度、洛氏硬度及維氏硬度。

（1）布氏硬度(HB)一般用于材料較軟的時(shí)候，如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。

布式硬度(HB)是以一定大小的試驗(yàn)載荷，將一定直徑的淬硬鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬表面，保持規(guī)定時(shí)間，然后卸荷，測(cè)量被測(cè)表面壓痕直徑。布式硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為：以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2(N/mm2)。（2）洛式硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標(biāo)。以0.002毫米作為一個(gè)硬度單位。當(dāng)HB>450或者試樣過小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改用洛氏硬度計(jì)量。它是用一個(gè)頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測(cè)材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，分三種不同的標(biāo)度來表示：

=1\*GB3①HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。=2\*GB3②HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)

。=3\*GB3③HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。（3）維氏硬度是以49.03～980.7N的負(fù)荷,將相對(duì)面夾角為136°的方錐形金剛石壓入器壓材料表面,保持規(guī)定時(shí)間后，用測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，再按公式來計(jì)算硬度的大小。它適用于較大工件和較深表面層的硬度測(cè)定。維氏硬度尚有小負(fù)荷維氏硬度，試驗(yàn)負(fù)荷1.961～＜49.03N，它適用于較薄工件、工具表面或鍍層的硬度測(cè)定；顯微維氏硬度，試驗(yàn)負(fù)荷<1.961N，適用于金屬箔、極薄表面層的硬度測(cè)定。HV適用于顯微鏡析。維氏硬度(HV)以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值。在測(cè)量不同材料硬度時(shí)，需要注意的是：（1）HRC和HB在生產(chǎn)中的應(yīng)用都很廣泛,HRC適用范圍HRC20～67，相當(dāng)于HB225～650。若硬度高于此范圍則用洛式硬度A標(biāo)尺HRA。

若硬度低于此范圍則用洛式硬度B標(biāo)尺HRB。布式硬度上限值HB650,不能高于此值。（2）洛氏硬度計(jì)C標(biāo)尺之壓頭為頂角120度的金剛石圓錐，試驗(yàn)載荷為一確定值，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是150公斤力。

布氏硬度計(jì)之壓頭為淬硬鋼球（HBS)或硬質(zhì)合金球（HBW），試驗(yàn)載荷隨球直徑不同而不同，從3000到31.25公斤力。（3）洛式硬度壓痕很小，測(cè)量值有局部性，須測(cè)數(shù)點(diǎn)求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測(cè)一類。

布式硬度壓痕較大，測(cè)量值準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測(cè)一類。（4）洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數(shù)字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產(chǎn)中。布式硬度需要用顯微鏡測(cè)量壓痕直徑，然后查表或計(jì)算，操作較繁瑣。

硬度試驗(yàn)是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單易行的一種試驗(yàn)方法。為了能用硬度試驗(yàn)代替某些機(jī)械性能試驗(yàn)，生產(chǎn)上需要一個(gè)比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān)系。實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。在本實(shí)驗(yàn)中，Cr12MoV鋼熱處理后的硬度在HRC20～67，所以采用的是洛式硬度C標(biāo)尺HRC。試樣的洛氏硬度采用I-IBRV-187．5布洛氏硬度機(jī)測(cè)定，加載150kg，保載10s，每個(gè)試樣測(cè)定3個(gè)點(diǎn)，計(jì)算其平均值。經(jīng)淬火及淬火加回火的試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，已獲得在相應(yīng)條件下的硬度值。其結(jié)果如表2.4，2.5，2.6，2.7.表2.4球化退火后硬度測(cè)定結(jié)果試樣編號(hào)硬度值/HRC平均值/HRC8516182018表2.5淬火試樣編號(hào)和硬度淬火溫度/℃淬火時(shí)間/min試樣編號(hào)冷卻方式硬度/HRC平均值/HRC7704004水冷53.5545052.564油冷54535353.38004016水冷54555554.703油冷5556.55756.18304018水冷56575656.312油冷58605858.78604014水冷62615860.35油冷6564.56665.28904065水冷605958.559.262油冷60.5616160.8表2.6回火試樣及其硬度試樣編號(hào)回火溫度/℃回火時(shí)間h硬度/HRC平均硬度/HRCX1150159605859B1200157.558.558.558.1G82501575556.556.1BF300150.551.55351.7硬度與淬火溫度，回火溫度，時(shí)間的關(guān)系圖如圖2.7，2.8。圖2.7硬度與淬火溫度關(guān)系圖2.8回火與硬度之間的關(guān)系由表2.7,可知在Ac1溫度上30-50℃，隨溫度上升，硬度上升，到860℃硬度達(dá)到峰值，溫度再升高，硬度下降。三、金相實(shí)驗(yàn)3.1試樣制備將要金相觀察的試樣，通過粗磨、細(xì)磨和拋光處理。粗磨時(shí)要注意用力均勻且不宜過大，并隨時(shí)浸入水中冷卻，以免受熱引起組織變化。細(xì)磨的目的是為了消除試片經(jīng)粗磨后所留下的痕跡。因此，在此過程中，金相砂紙應(yīng)從粗號(hào)到細(xì)號(hào)進(jìn)行依次研磨。在更換下一型號(hào)砂紙時(shí)，應(yīng)將試樣研磨方向調(diào)轉(zhuǎn)90°，直到將上一型號(hào)砂紙的痕跡磨掉為止[27]。拋光是采用機(jī)械拋光進(jìn)行，是在專用拋光機(jī)上進(jìn)行的。拋光前要將細(xì)磨后的試樣用水洗干凈，以避免將不同粗細(xì)的砂粒帶進(jìn)拋光盤，影響試樣制備。拋光時(shí)，應(yīng)注意手握試樣要平穩(wěn)，施力均勻，壓力不宜過大。待試樣表面磨痕全部消失且呈光亮的鏡面時(shí)，拋光即可完畢。3.2腐蝕將拋光后的試樣放在配置好的腐蝕劑用的是硝酸酒精溶液，浸蝕5—10秒鐘。然后用酒精擦去余液，將試樣置于熱風(fēng)機(jī)下吹干。3.3照相把腐蝕的金相試樣放在金相顯微鏡下，眼睛對(duì)準(zhǔn)目鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)手輪，使物鏡接近試樣，在發(fā)現(xiàn)視場(chǎng)由淺暗而逐漸明亮乃至出現(xiàn)模糊時(shí)，再轉(zhuǎn)動(dòng)微調(diào)手輪至清新為止。通過計(jì)算機(jī)終端設(shè)備，拍下此時(shí)的金相顯微組織。所有試樣都是在放大500倍數(shù)下完成的。微觀組織分析所用試樣尺寸為θ16×20mm，試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨后進(jìn)行機(jī)械拋用4％硝酸酒精腐蝕。試樣的組織形態(tài)用OLYMPUSBX41型金相顯微鏡觀察。3.4不同溫度淬火對(duì)組織和性能的影響球化退火后的金相組織如圖3.1（退火后的均勻球化組織形貌）不同淬火溫度下的金相組織如圖3.2；a.830℃淬火400×b.800℃淬火400×c.860℃淬火400×d.890℃淬火400×對(duì)于軸承鋼，球化退火是其常用工藝，球化退火處理后的組織為細(xì)的球狀珠光體以及均勻分布的過剩碳化物，但碳化物顆粒大小不均[28]，有少量碳化物顆粒直徑大于0.8μm，如圖3.2所示。在不同溫度下進(jìn)行淬火處理(冷卻方式為油冷)后其溫度與硬度的關(guān)系見圖2.7可看出，隨著加熱溫度的升高，硬度隨加熱溫度的升高而升高，當(dāng)淬火溫度為890℃時(shí)，硬度顯著下降。這是因?yàn)?，?dāng)溫度在臨界溫度以下時(shí)，隨淬火溫度的升高，其組織中溶解的碳化物及其他合金元素增加，從而使其硬度增加。當(dāng)溫度過高時(shí)，由于所溶解的碳化物過多，晶粒過于粗大．以至產(chǎn)生淬火裂紋，從而導(dǎo)致了材料硬度顯著下降，組織見圖3.2abcde。試樣經(jīng)高溫固溶奧氏體化后淬火得到的組織為針狀馬氏體+殘余奧氏體+碳化物，因淬火溫度較高，淬火后得到得馬氏體針較粗大，并且有較多得殘余奧氏體[29]。圖中暗色的可能是針狀馬氏體，亮色的是殘余奧氏體[30]。由于溫度過高，如圖3.2.d,碳化物析出至晶界,晶粒明顯。綜合考慮各方面因素，GCrl5SiMn鋼較佳淬火溫度確定為860℃．過低的淬火加溫度導(dǎo)致淬火后鋼的硬度不足且硬度不均勻：過高的加熱溫度使得淬火應(yīng)力增大容易產(chǎn)生裂紋，而且鋼的表面易產(chǎn)生脫碳，降低其表面硬度。從前面組織分析中得知，該試樣的未溶碳化物含量最低，說明奧氏體中溶了較多的碳，使得淬火后馬氏體含碳量高，故硬度增大。3.5不同溫度回火對(duì)組織和性能的影響860℃淬火，不同回火溫度下的金相組織如圖3.3a.150℃回火組織400×b.200℃回火組織400×c.250℃回火組織400×d.300℃回火組織400×圖3.3(a)至(d)為加熱860℃加熱40min油淬，又分別在150℃、200℃、250℃、300℃回火保溫1h的金相組織圖譜。從照片上可以看出隨著回火溫度的升高，組織逐漸由回火馬氏體→回火屈氏體→回火索氏體的方式轉(zhuǎn)變，這樣的組織轉(zhuǎn)變使材料的脆性降低，塑韌性進(jìn)一步提高。鋼經(jīng)過淬火獲得的馬氏體組織不能直接使用，需要進(jìn)行回火，以降低脆性，增加塑形和韌性。鋼在淬火后組織主要是由馬氏體或馬氏體+殘余奧氏體組成，在回火過程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變主要是馬氏體的分解及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。馬氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著回火溫度的升高，馬氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷降低。高碳鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨回火溫度升高而降低很快，低碳鋼的鋼中質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低較緩。碳鋼在200℃以上回火時(shí)，在一定的回火溫度下，馬氏體具有一定的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，回火溫度越高，馬氏體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低。金屬材料的性能決定于材料的成分和組織。對(duì)于一般鋼來說，淬火組織主要為馬氏體以及少量殘余奧氏體，故其淬火態(tài)以及回火后性能主要也決定于馬氏體以及馬氏體分解產(chǎn)物的性能。像GCr15SiMn鋼這樣的高碳鋼，在200℃一下回火時(shí)，隨著回火溫度升高，硬度不僅不下降，反而有所升高，馬氏體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，硬度值升高越明顯。回火超過200℃后，由于碳的進(jìn)一步析出，將使硬度下降，但此時(shí)由于有較多的殘余奧氏體發(fā)生了轉(zhuǎn)變，故硬度下降很慢。3.6分析與討論3.6.1細(xì)小碳化物對(duì)軸承鋼性能影響細(xì)小的碳化物的外形較為圓滑．減小了應(yīng)力集中，從而使產(chǎn)生裂紋所需的應(yīng)力提高，裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力也提高，因而使裂紋擴(kuò)展相應(yīng)緩慢[31]；而粗大的碳化物的外形的圓度就差，容易形成較尖銳或凸凹的邊緣，當(dāng)受到外力作用時(shí)，在這些位置容易與基體產(chǎn)生應(yīng)力集中而成為疲勞源，產(chǎn)生裂紋，從而會(huì)降低軸承韌性和抗疲勞性，縮短使用壽命。另外，粗大碳化物的存在還將造成在其附近和遠(yuǎn)處的碳濃度出現(xiàn)很大的差異，導(dǎo)致軸承零件熱處理淬回火后的組織和顯微硬度也存在較大的不同，碳濃度過高或過低的區(qū)域壽命下降。而碳化物分布彌散，則馬氏體基體中的含碳量在碳化物附近以及較遠(yuǎn)處都比較接近，因而使基體的強(qiáng)韌性均勻一致。因此，為了避免軸承鋼中未溶碳化物的危害，對(duì)軸承鋼中未溶碳化物的要求是尺寸細(xì)小、分布均勻、碳化物呈球形。這可通過對(duì)原材料加以控制或在淬火前后采用合適的工藝細(xì)化碳化物，從而得到理想的碳化物形態(tài)與分布。3.6.2殘余奧氏體含量對(duì)軸承鋼性能影響軸承材料中殘余奧氏體的存在將降低材料的硬度，并且由于馬氏體量減少使材料本身強(qiáng)度降低[32]。若殘余奧氏體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在工作過程中，將向馬氏體組織轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹，會(huì)破壞工件外形尺寸精度，并且材料易產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)多次循環(huán)載荷作用后就會(huì)產(chǎn)生裂紋，從這個(gè)角度看，殘余奧氏體的存在會(huì)損害材料的耐磨性。倘若軸承材料中的殘余奧氏體處于穩(wěn)定狀態(tài)，則此時(shí)殘余奧氏體處于等軸壓力狀態(tài)，等軸壓力不會(huì)引起塑性變形，這部分殘余奧氏體很少再發(fā)生轉(zhuǎn)變，它在磨損過程中以韌性相出現(xiàn)，起到增加韌性、緩和應(yīng)力集中和延緩裂紋擴(kuò)展等作用，因此，不能簡(jiǎn)單地說殘余奧氏體對(duì)材料的耐磨性有益或有害。3.7GCrl5SiMn鋼的合金化作用軸承鋼鋼高強(qiáng)度化的最主要手段是研究開發(fā)新鋼種,為此必須了解各種合金元素的作用,科學(xué)合理地設(shè)計(jì)鋼的化學(xué)成分,充分有效地發(fā)揮各種合金元素的作用。1.碳碳是鋼中的主要強(qiáng)化元素,溶解在鋼中形成固溶體,起固溶強(qiáng)化作用,它與強(qiáng)碳化物形成元素結(jié)合形成碳化物析出時(shí),起沉淀強(qiáng)化作用。碳對(duì)軸承鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、脫碳傾向、顯微組織都有很大影響。其影響往往超過其它合金元素[22]。同時(shí)碳是對(duì)鋼的強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的元素,也是影響抗彈性最大的元素[23]。2.硅很多軸承鋼以硅為主要合金元素,硅具有固溶強(qiáng)化作用,不形成碳化物,基本上以固溶態(tài)存在于鋼中,在常用合金元素中硅的固溶強(qiáng)化作用最強(qiáng)。硅能改變回火時(shí)析出碳化物的數(shù)量、尺寸和形態(tài),提高鋼的回火穩(wěn)定性[24]。據(jù)報(bào)道[25],在含0.60%C、0.90%Mn、0.20%Mo的鋼中,隨著硅含量增加,碳化物顆粒數(shù)目增加,而碳化物顆粒尺寸和間距則縮小。鋼中加入硅，可以強(qiáng)化鐵素體，提高強(qiáng)度、彈性極限和淬透性，改善抗回火軟化性能。在高碳鉻軸承鋼中，硅使鋼的過熱敏感性、裂紋和脫碳傾向性增大。雖然有的研究認(rèn)為，含硅軸承鋼馬氏體中的硅的含量達(dá)到1.50％時(shí)，對(duì)提高疲勞壽命作用較大，并能改善鋼在淬回火狀態(tài)下的韌性。但是，硅使鋼在球化退火狀態(tài)下的切削和冷加工性能變壞。所以，一般應(yīng)把硅控制在0.80％以下，最好不超過0.50％。在滲碳軸承鋼中，硅和錳的復(fù)合作用，能顯著提高滲碳層的回火穩(wěn)定性，硅含量越高，抗回火性能越好。3.錳錳是在軸承鋼中僅次于硅的常用合金元素。錳是一種有利于消除硫的有害作用又有利于脫氧的元素。錳顯著提高淬透性，改善熱處理性能，強(qiáng)化基體和細(xì)化珠光體組織，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。此外，錳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，具有推遲A-a轉(zhuǎn)變過程的作用，隨著Mn含量的增加，相變開始溫度降低。在高碳鉻軸承鋼GCr15SiMn中錳是作為脫氧元素，而在GCr15SiMn中才是作為合金元素加入。錳能顯著提高鋼的淬透性，部分錳溶于鐵素體中，提高鐵素體的硬度和強(qiáng)度。錳能固定鋼中硫的形態(tài)并形成對(duì)鋼危害較小的MnS和（Fe,Mn)S,減少或抑制FeS的生成。因此，在高碳鉻軸承鋼中含少量錳，能提高鋼的性能和純潔度。4.鉻鉻能顯著提高鋼的淬透性,與錳共用效果更好。鉻可降低鋼中碳的活度,又是碳化物形成元素,提高鋼中碳擴(kuò)散的激活能,減輕鋼的脫碳傾向[26]。的高硅鋼中,回火時(shí)硅和鉻的傾向不同,硅傾向于穩(wěn)定ε碳化物,阻礙向θ碳化物(Fe3C)轉(zhuǎn)變,使硅脫離Fe3C位置。而鉻傾向于聚集在Fe3C中。四、結(jié)論通過采用不同加熱時(shí)間、溫度淬火和不同溫度下回火實(shí)驗(yàn)，結(jié)合組織性能測(cè)試分析，可以得出以下結(jié)論：淬火溫度對(duì)GCr15SiMn鋼組織性能的影響：如在770℃-860℃隨著淬火溫度的升高，組織中的鐵素體慢慢溶入奧氏體中越來越少，而馬氏體組織越來越均勻，硬度增大，綜合性能提高。在860℃-890℃隨著淬火溫度的升高，奧氏體充分長(zhǎng)大，油冷后馬氏體晶粒粗大，且有帶狀出現(xiàn)，硬度快速降低。獲得的組織為隱針馬氏體+殘余奧氏體+少許碳化物。因此860℃是GCr15SiMn鋼的最合理的淬火溫度?；鼗饻囟葘?duì)GCr15SiMn鋼組織和性能的影響：隨著溫度的升高，鋼件中馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，其硬度降低。但是通過對(duì)回火后的硬度值以及沖擊韌性值的綜合比較，150℃是最合理的回火工藝，此時(shí)，鋼件的硬度值為59HRC，沖擊韌性為14.25J/cm2。組織為回火馬氏體+少量碳化物+殘余奧氏體。綜上所述，810℃保溫2h，隨爐冷卻至650℃，再出爐空冷（球化退火預(yù)處理）+860℃淬火40min+150℃回火1h是GCr15SiMn鋼的最好熱處理工藝。圖4.1為最佳熱處理工藝流程圖。6）得到了GCr15SiMn鋼在不同的溫度下淬火、回火的金相圖譜。參考文獻(xiàn)：[1]鐘順?biāo)?，王昌生．軸承鋼［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2002:(81－82)．[2]岳亮.延長(zhǎng)軸承使用壽命的探索[J].煤炭技術(shù)2005(6)[3]魏果能，許達(dá)，俞峰，等．連鑄和模鑄軸承鋼的冶金質(zhì)量及接觸疲勞壽命．特殊鋼，2000，24(5)：43．45[4]冼愛平，張盾，王儀康鋼中殘余元素及其對(duì)鋼性能的影響[J].鋼鐵.1999,34(10):64-68.[5]王曉敏.工程材料學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.21-23[6]眭小利．滾動(dòng)軸承常見的失效分析和對(duì)策．鐵道機(jī)車車輛工人，2006(12)：15—18[7]周朝霞．滾動(dòng)軸承常見失效形式分析與正確維護(hù)．建筑機(jī)械，2003(9)：67．68、7l西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第62頁(yè)[8]劉桂麗，劉秋菊．滾動(dòng)軸承失效形式及其維護(hù)．科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007(19)：34[9]劉耀中，栗洪照．從材料及熱處理淺談?shì)S承延壽．軸承，2002(10)：44-47[10]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2003.321-322[11]日本鋼鐵協(xié)會(huì)鋼材的性能與試驗(yàn)[J].上?？茖W(xué)技術(shù)出版.1981.112-131[12]束德林.工程材料力學(xué)性能[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2003.321-322[13]劉橋方，嚴(yán)楓．我國(guó)軸承制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)．軸承，2005(6)：42．45、11[14]付云峰，崔連進(jìn)，劉雅琳．國(guó)內(nèi)軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展．重型機(jī)械科技，2004(4)：37—40[15]徐明華．軸承鋼精煉與澆鑄技術(shù)發(fā)展概況．特殊鋼，1999，12[16]仇亞軍，高元安，張延芳．滾動(dòng)軸承熱處理技術(shù)及發(fā)展概況．MC現(xiàn)代零部件，2006(1)：60．64[17]李錚，徐明華，馮剛等．軸承鋼純凈度的現(xiàn)狀與發(fā)展．五鋼科技，2003(1)：3—8[18]單麗云.金屬材料及熱處理[M].山東:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版,1994.34-39[19]夏立芳.金屬熱處理工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出社,1996.11-21[20]雷廷權(quán)，傅家騏．金屬熱處理工藝方法500種[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998[21]戴偉．GCr15鋼球化退火工藝設(shè)計(jì)．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(1)：138．140[22]門香蘭，劉新．GCrl5鋼淬火件中黑色組織的分析和研究．現(xiàn)代車用動(dòng)力，2007(3)：42—44[23]王能為．精密GCrl5軸承的熱處理工藝改進(jìn)．南方金屬，2007(5)：22．24[24]江濤，梅亞莉，雷建中，等．高碳鉻軸承鋼貝氏體淬火工藝的應(yīng)用．軸承，1998(3)：15—18[25]王明賢.金屬學(xué)及熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.68-69[26]〔日〕漱戶浩藏著陳洪真譯[M].軸承鋼.冶金工業(yè)出版社.2003.102-107[27]賈子文，徐大銼等.中國(guó)冶金百科全書[M].(鋼鐵冶金)北京：冶金工業(yè)出版社，2002：707[28]虞明全．發(fā)達(dá)國(guó)家改善連鑄軸承鋼碳化物的方法和途徑．上海鋼研，2006(3)：3-7[29]劉昌宗等編著．材料組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?cè)恚本阂苯鸸I(yè)出版社，2006"212．213[30]門香蘭，劉新．GCrl5鋼淬火件中黑色組織的分析和研究．現(xiàn)代車用動(dòng)力.[31]趙宇，陳莉，艾亮．GCrl5鋼碳化物細(xì)化處理工藝及對(duì)其性能的影響【J】．軸承，2006(2)：24．27[32]舒士明，馬曉明．軸承鋼中的殘余奧氏體．軸承，1997(3)：40—42致謝歷時(shí)將近兩個(gè)月的時(shí)間終于將這篇論文寫完，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)加深了我對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解，對(duì)于大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)得以有個(gè)綜合運(yùn)用和深化的機(jī)會(huì)。我首先感謝我的指導(dǎo)老師郝紅元老師，在實(shí)驗(yàn)、論文的材料收集和論文的撰寫過程中我得到了郝紅元老師的悉心指導(dǎo)和幫助，郝紅元老師不厭其煩的對(duì)我?guī)椭M(jìn)行論文的修改和改進(jìn)才能使我順利的完成這次的論文。另外，在校圖書館查找資料的時(shí)候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過我的各位老師表示最中心的感謝！感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)和指正！最后我對(duì)參加本論文評(píng)閱和答辯的各位老師致以誠(chéng)摯的謝意！基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計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