淬火温度对大尺寸GCr15SiMn钢球组织及硬度的影响.pdf

利用金相显微镜、洛氏硬度计和XRD衍射仪等仪器，观察了不同淬火温度下直径为8 5mm的GCr15SiMn钢球的组织特征和硬度变化规律。结果表明：经8 2 5淬火、回火后，试样心部组织为板条马氏体+碳化物+块状屈氏体+针状屈氏体，距表面距离大于2 2.9 mm时，硬度低于58 HRC；经8 30 8 40 淬火、回火后，试样心部组织为板条马氏体+碳化物+针状屈氏体，心部硬度大于59 HRC。淬火温度由8 2 5升高至8 40 时，边部残留奥氏体由11.42%增加至16.0 6%，心部残留奥氏体由13.49%增加至2 1.7 6%。淬火温度在8 30 8 35范围内，试样硬度、组织和残留奥氏体最稳定。关键词：GCr15SiMn钢球；淬火温度；屈氏体；硬度；残留奥氏体中图分类号：TG142.1,TG156.31文献标识码：A文章编号：16 7 3-49 7 1（2 0 2 3)0 4-0 0 0 7-0 4Effect of Quenching Temperature on Microstructure and Hardnessof Large Size GCr15SiMn Steel BallXU Han-shenggl,2,3,4,YANG Chen-xing,1,2,3,4nl.2.3.4,WANG Chaol.2.3.4,LI Yi-zhen，CUI Guang-fal 2.3.4,SHI Ya-il.2,3.,，(1.Luoyang LYC Bearing Co.,Ltd.,Luoyang Henan 471039,China;2.Key Laboratory of Aviation Precision Bearings,Luoyang Henan 471039,China;3.Henan High-end Bearing Industry Research Institute,Luoyang Henan 471039,China;4.Henan Technology Innovation Center of Bearing,Luoyang Henan 471039,China)Abstract:The microstructure characteristics and hardness changes rule of GCr15SiMn steel balls with thediameter of 85 mm were observed at dfferent quenching temperatures by using metallographic microscope,Rockwell hardness tester,XRD diffractometer,etc.The results showed that the core structure of samplewas lath martensite+carbide+massive troostite+acicular troostite after quenching at 825 C and tempe-ring.When the distance from the surface was greater than 22.9 mm,the hardness was lower than 58HRC.The core structure of sample was lath martensite+carbide+acicular troostite,and the core hardnesswas greater than 59 HRC after quenching at 830 to 840 C and tempering.When the quenching tempera-ture increased from 825 to 840 C,t h e r e s i d u a l a u s t e n i t e a t t h e e d g e i n c r e a s e d f r o m 11.42%t o 16.0 6%,and the residual austenite at the center increased from 13.49%to 21.76%.The quenching temperaturewas within the range of 830 to 835 ,t h e h a r d n e s s,mi c r o s t r u c t u r e a n d r e s i d u a l a u s t e n i t e o f s a mp l e w e r ethe most stable.Key words:GCr15SiMn steel ball;quenching temperature;troostite;hardness;retained austenite收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 5作者简介：徐晗升（19 9 7 一），男，本科，助理工程师，主要从事轴承钢热加工工艺研究。通信作者：杨晨星（19 9 0 一），男，硕士研究生，工程师，主要从事轴承钢热加工工艺研究。联系电话：1556 536 16 15；E-mail：1556 536 16 15 16 3.c o m8第44卷热处理技术与装备CCr15SiMn钢是在GCr15钢的基础上增加Si和Mn的一种高碳铬轴承钢，具有更好的淬透性和淬硬性1-2 。淬火温度和冷却方式是影响淬透性的最主要因素 3-4。王珂等 5 研究发现直径为40 50 mm的GCr15钢球在适当的淬火液即浓度范围内可以消除淬火软点。燕一笑等 研究发现无机高分子水溶性淬火液对CCr15SiMn钢淬回火后的硬度和金相组织可达到标准JB/T12552014要求，现行的高碳铬轴承钢标准中透性最大的是GCr15SiMn钢 7 。王云广等 8 对直径为7 6.2 mm的GCr15SiMn钢球的水剂淬火工艺进行研究，其心部硬度55HRC,淬回火后的金相组织符合标准JB/T12552014要求。大尺寸CCr15SiMn钢球热处理的难点在于心部屈氏体的含量，而残留奥氏体的含量对精密钢球的尺寸稳定性有着决定性的影响 9-10)。本文研究不同淬火温度对直径为8 5mm的CCr15SiMn钢球的组织特征和硬度的影响，为大尺寸钢球的淬火工艺提供实验依据。1试验材料与方法试验材料为直径8 5mm的GCr15SiMn退火态钢球,其化学成分见表1,硬度为2 11HBW，退火组织为均匀的细粒珠光体，如图1所示。表1GCr15SiMn钢的化学成分（质量分数，%）Table1Chemical composition of GCr15SiMn steel(mass fraction,%)元素CSiMnCrMo成分0.960.541.061.460.0220m图1GCr15SiMn钢球退火态组织Fig.1Annealed microstructure of GCrl5SiMn steel ballGCr15SiMn钢球分别在8 2 5、8 30、8 35和8 40 温度下淬火保温1h后，采用特殊冷却液冷却，随后在17 0 回火保温4h，空冷。淬、回火试样经研磨抛光后，采用4%硝酸酒精腐蚀，并利用金相显微镜和洛氏硬度计进行组织观察和硬度测试。2试验结果与分析2.1组织特性及分析GCr15SiMn钢球在不同温度火、回火后的金相组织如图2、3所示。经8 2 5淬火、回火后，试样d)10um10um10m10um(e)g(h)10m10m10m10um（a)8 2 5淬火，心部；（b)830淬火，心部；（c)835淬火，心部；（d)840淬火，心部；（e)8 2 5淬火，边部；（f)830淬火，边部；（g)835淬火，边部；（h)840淬火，边部图2 不同淬火温度下试样马氏体组织(a)quenched at 825,c o r e;(b)q u e n c h e d a t 8 30 ,c o r e;(c)q u e n c h e d a t 8 35,c o r e;(d)q u e n c h e d a t 8 40 ,c o r e;(e)quenched at 825,e d g e;(f)q u e n c h i n g a t 8 30 ,e d g e;(g)q u e n c h e d a t 8 35,e d g e;(h)q u e n c h e d a t 8 40 ,e d g eFig.2 Martensite structure of sample at different quenching temperatures徐哈升等：萍火温GCr15SiMn钢球组织及硬度的影响温对第4期(b)d10um10m10m10um(g)(h)e10um10um10um10m（a)8 2 5淬火，心部；（b)830火，心部；（c)835淬火，心部；（d)840淬火，心部；（e)8 2 5淬火，边部；（f)830淬火，边部；（g）8 35淬火，边部；（h)840火，边部图3不同淬火温度下试样屈氏体组织(a)quenched at 825,c o r e;(b)q u e n c h e d a t 8 30 ,c o r e;(c)q u e n c h e d a t 8 35,c o r e;(d)q u e n c h e d a t 8 40 ,c o r e;(e)quenched at 825,e d g e;(f)q u e n c h i n g a t 8 30 ,e d g e;(g)q u e n c h e d a t 8 35,e d g e;(h)q u e n c h e d a t 8 40 ,e d g eFig.3 Troostite structure of sample at different quenching temperatures边部和心部的板条马氏体组织较为细小，马氏体板条上分布大量均匀的碳化物，见图2（a）和2（e）；试样心部有大量块状屈氏体和针状屈氏体组织，边部有少量针状屈氏体组织，见图3（a）和3（e），按照标准JB/T12552014评级：针状屈氏体2 级，块状屈氏体1级。经8 30 淬火、回火后，试样边部和心部的板条马氏体组织略微增大，碳化物含量减小，见图2(b)和2（f）；试样心部为大量针状屈氏体，针状屈氏体2 级，块状屈氏体 1级，见图3（b）和3（f)；经835和8 40 淬火、回火后，试样边部和心部的板条马氏体粗化，碳化物含量继续减少，见图2（c）、2（d）、2（g）和2（h）；试样心部仅有少量针状屈氏体，针状和块状屈氏体均 1级，说明在该火温度下大部分奥氏体转化为马氏体，见图3（c）、3（d）、3（g）和3(h)。2.2硬度分析GCr15SiMn钢球经不同温度淬火、回火后硬度梯度如图4所示。由图4可知，经8 2 5淬火、回火后，试样边部硬度为6 0.1HRC，心部硬度为56.2 HRC，降低了3.9 HRC,这是由于淬火温度偏低导致心部有大量针状屈氏体组织存在，淬硬层深度为2 2.9 mm。经8 30 淬火、回火后，试样边部硬度为6 1.5HRC，心部硬度为59.4HRC，降低了2.1HRC，整体硬度较8 2 5时增加了1.4HRC以上。经8 35淬火、回边部63心部6662616463.48406061.561.8628305960.683560.16059.45858.0HRC59.057585622.9mm82556.2565501020304050825830835840距边部距离/mm淬火温度/（a）硬度梯度；（b）边部与心部硬度图4不同淬火温度下试样的硬度(a)hardness gradient;(b)edge and center hardnessFig.4Hardness of samples at different quenching temperatures下转第15页）10第44卷热处理技术与装备火后，试样边部至心部的硬度与8 30 相差不大。840淬火、回火后，试样边部硬度为6 3.4HRC，较825时增加了3.3HRC,这是由于马氏体组织粗化导致硬度增高；心部硬度为6 0.6 HRC。可以看出，8308401h 淬火+17 0 4h回火热处理后，直径为8 5mm的GCr15SiMn钢球可以完全透。2.3残留奥氏体通过Co靶X-射线衍射仪对GCr15SiMn钢球试样进行扫描，测角范围55 115，选取A（2 0 0）、A（2 11）、M（2 0 0）、A（2 2 0）和M（311)峰配对平均值，采用对比法进行残留奥氏体含量计算。不同温度淬火、17 0 回火后，试样心部和边部残留奥氏体含量如图5所示。淬火温度由8 2 5升高至8 40 时，边部残留奥氏体由11.42%增加至16.0 6%，心部残留奥氏体由13.49%增加至2 1.7 6%。这是由于在Acm线以上，碳化物中的C元素全部溶解到-Fe中，随淬火温度升高时，奥氏体中合金元素增多，导致奥氏体稳定性增加，析出碳化物减少，淬火后残留奥氏体含量增加；同时在一定范围内，淬火温度升高，板条马氏体粗化，硬度增加，这也解释了图2 中碳化物减少和图4中硬度增加。边部21.7622心部201815.9716.061614.201413.4912.2812-11.4210.8510825830835840淬火温度/图5试样的残留奥氏体含量Fig.5Retained austenite content of the sample图6 为不同温度淬火、17 0 回火后GCr15SiMn钢球的X射线衍射谱。8 35淬火温度下，试样边部A(200）、A（2 11）、M(2 0 0）、A（2 2 0）和M(311)向高角度方向偏移，根据布拉格公式入h?+k?+T2a2sine可知，晶格常数随角的增大而减小，马氏体晶格和奥氏体面晶格发生收缩，碳化物更容易析出。试样心部各峰值基本保持一致，影响碳化物含量的主要原因是淬火温度。a10M(211)86M(200)A(200)A(311)A(220)Fe3CFe:CFe3C2840-835-830#825.50607080901001101202.0()(b)108M(211)6M(200)A(200)A(220)A(311)FeFeC2840835830825506070809010011012020()(a)心部；(b)边部图6不同淬火温度下试样的X射线衍射图谱(a)center;(b)edgeFig.6X-ray diffraction spectrum of samples at differentquenchingtemperatures3结论1)经8 2 51h淬火、17 0 4h回火热处理后，GCr15SiMn钢球的心部组织为板条马氏体+碳化物+块状屈氏体+针状屈氏体，针状屈氏体2级，块状屈氏体1级，距表面距离大于2 2.9 mm时，洛氏硬度低于58 HRC;2)经8 30 8 40 1h淬火、17 0 4h回火热处理后，GCr15SiMn钢球的心部组织为板条马氏体+碳化物+针状屈氏体，心部硬度大于59 HRC；3）淬火温度由8 2 5升高至8 40 时，GCr15SiMn钢球边部残留奥氏体由11.42%增加至16.06%，心部残留奥氏体由13.49%增加至2 1.7 6%；淬火温度在8 30 8 35范围内，其硬度、组织和残留奥氏体最稳定。上接第10 页）15.武第4期磊等：异速比对龙形轧制7 0 7 5铝厚板变形的影响研究组织的影响不明显；3异速比为1.0 6 和1.10 时，轧板心部显微硬度高于异速比为1.0 0 的轧板，且与上边面、下边面附近显微硬度更加接近。与原始板坏和异速比为1.00轧板的上边面、下边面附近显微硬度高于心部的情况相比，体现出了异速比强化心部变形的作用；4当异速比达到1.16 时，龙形轧制轧板上边面、下边面附近显微硬度明显降低，推断这一现象与轧板中的析出物有关，具体原因还有待进一步实验研究探索。参考文献1付圭，谢水生，熊柏青.主应力法计算蛇形轧制的轧制力 J.塑性工程学报，2 0 10,17（6)：1-9.2刘杰.蛇形轧制铝板曲率及组织和性能研究 D.长沙：中南大学，2 0 14.3余望，吴特昌，慈及玲.异步轧制时轧件弯曲规律及控制方法的研究 J.重型机械，19 8 5（8）：3-8.4Zhang T,Wu Y X,Gong H,et al.Effects of rolling pa-rameters of snake hot rolling on strain distribution of alu-参考文献1张丹，韩强，周乐育，等.GCr15SiMn钢等温过程中碳化物析出规律 J.材料热处理学报,2 0 14,35（11）：8 1-85.2孙岩，赵亮，安治国，等.GCr15SiMn轴承钢的连续冷却转变 J.金属热处理,2 0 18,43（6)：2 4-2 7.3狄云.影响钢铁淬透性的因素 J.金属世界，2 0 0 4（6）：45.4赵建伟，张威，邹德宁.淬火温度和冷却方式对高速钢轧辊性能的影响 J.铸造技术，2 0 0 5（10）：8 59-8 6 1.5王珂，韩万顺，陈国志.GCr15钢制大型轴承钢球碱水淬火软点的成因分析 J.轴承,2 0 10(11)：30-31.6燕一笑，范欣玉，王元麒，等.CCr15SiMn轴承钢无机高minum alloy 7075J.Trans.Nonferrous Met.Soc.Chi-na,2014,24:2150-2156.5Zhang T,Wu Y X,Gong H,et al.Analysis of tempera-ture asymmetry of aluminum alloy thick plate during snakehot rollingJ.Int J Adv Manuf Technol,2015(3):1-8.6Hao P J,Liu J N.Influence of snake rolling on metal flowin hot rolling of aluminum alloy thick plate J.Mechanics&Industry,2020,21:525-562.7王宇，于桂斌，曹振华，等.航空用7 0 7 5铝合金挤压棒材粗晶环测试分析 J.热处理技术与装备，2 0 19,40(6):20 23.8于长富，刘兆伟，杨路.热处理工艺对7 0 7 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