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軸承部件的顯微組織及硬度分析

2018-02-07

齊美麗¹　趙秀娟¹　王衍濤²　劉鵬濤¹
（1.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.大連國威軸承股份有限公司）

　　摘　要：選用GCr15和GCr18Mo鋼材分別制作滾動軸承的滾子和套圈，對兩種部件做同樣的等溫淬火熱處理后進行組織及硬度檢驗。試驗結(jié)果表明:兩部件表面至心部組織及硬度均勻。兩部件的組織都由下貝氏體和碳化物組成，但套圈中的下貝氏體組織和碳化物都比滾子中的細小。滾子和套圈中下貝氏體針長寬比分別約為7.5和10，碳化物的平均直徑分別約為0.55μm和0.42μm。滾子和套圈的硬度平均值分別為56.2HRC和60.8HRC。
　　關(guān)鍵詞：軸承滾子；套圈；等溫淬火；下貝氏體
　　選用GCr15和GCr18Mo鋼材分別制作滾動軸承的滾子和套圈，對兩種部件做同樣的等溫淬火熱處理后進行組織及硬度檢驗。試驗結(jié)果表明：兩部件表面至心部組織及硬度均勻。兩部件的組織都由下貝氏體和碳化物組成，但套圈中的下貝氏體組織和碳化物都比滾子中的細小。滾子和套圈中下貝氏體針長寬比分別約為7.5和10，碳化物的平均直徑分別約為0.55μm和0.42μm。滾子和套圈的硬度平均值分別為56.2HRC和60.8HRC。

　　城市軌道交通車輛包括地鐵、輕軌、空中軌道列車、有軌電車和磁懸浮列車等，城市軌道車輛軸承應(yīng)具有強韌性配合良好、使用壽命長、疲勞強度高等諸多性能。我國城軌車輛軸承制造時通常采用GCr15鋼常規(guī)淬火+低溫回火工藝進行處理，雖然具有高的硬度，但韌性不足，且因淬火時形成表面拉應(yīng)力，在淬火、磨削及裝車使用過程中易出現(xiàn)裂紋而導(dǎo)致軸承早期失效。貝氏體等溫淬火可以顯著地改善高碳鉻軸承鋼的強韌性。軸承零件經(jīng)下貝氏體等溫淬火后具有與馬氏體淬火相近的硬度和耐磨性，不僅提高了軸承的力學(xué)性能和使用壽命，而且降低了生產(chǎn)成本。據(jù)國外資料介紹，GCr15鋼經(jīng)860℃加熱、保溫15min后，于235℃等溫3.5h所獲得的下貝氏體組織，其屈服強度幾乎比回火馬氏體組織高490MPa，塑性和韌性也明顯優(yōu)越，用該工藝處理的滾子軸承擋邊的平均斷裂強度約高65%，并可以減少變形和淬裂。

　　本文選擇常用的GCr15鋼材制作了軸承滾子，希望在降低成本的同時可以保持良好的強韌性。由于軸承在使用過程中套圈尤其是內(nèi)圈的磨耗量較大，為提高其綜合使用性能，本文又選用新型高淬透鋼GCr18Mo制作了軸承套圈，并采用貝氏體等溫淬火工藝對制作的GCr15軸承滾子和GCr18Mo軸承套圈進行同樣的熱處理試驗。通過對處理后的兩組部件組織及硬度的檢測來確定兩種材料結(jié)合制備的軸承是否在降低成本的同時可以提高軸承的綜合性能，以滿足城軌車輛軸承的需要，為生產(chǎn)實踐提供試驗依據(jù)。

　　1　試驗材料和方法

　　試驗用滾子材料和套圈材料的主要化學(xué)成分見表1。

　　圖1a為由GCr15制作的軸承滾子實物照片，滾子直徑為26mm；圖1b為由GCr18Mo鋼材制作的軸承套圈實物照片，套圈壁厚為9mm；圖1c為預(yù)計投入生產(chǎn)使用的圓柱滾子軸承模型。

　　根據(jù)GCr15鋼和GCr18Mo鋼等溫轉(zhuǎn)變特點，對GCr15軸承滾子和GCr18Mo軸承套圈進行了同樣的等溫處理，處理工藝為：加熱至860℃后淬火，于235℃鹽槽等溫1.5h后轉(zhuǎn)入空氣爐中繼續(xù)等溫4.5h。

　　采用150-A型洛氏硬度儀對GCr15軸承滾子的柱面和端面、GCr18Mo軸承套圈的內(nèi)外表面進行洛氏硬度檢測，各部件隨機檢測5點，取平均值。然后采用FM-700顯微硬度儀對兩部件橫截面進行硬度分布檢測，檢測范圍從部件表面至心部，以確定兩部件是否已經(jīng)完全淬透。采用VHX-1000E三維數(shù)碼視頻顯微鏡和JSM-6360LV型掃描電鏡進行組織觀察，利用定量金相法測定部件基體中未溶碳化物的面積比和直徑；Z后采用JEM-2100F透射電鏡進行組織觀察和分析。

　　2　試驗結(jié)果與分析

　　2.1顯微組織

　　2.1.1光學(xué)顯微鏡觀察

　　利用顯微鏡詳盡觀察了GCr15滾子和GCr18Mo套圈由表面至心部的組織，如圖2所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，兩部件的組織形貌基本相同，組織均勻晶粒細小，并未看到碳化物液析、帶狀碳化物等缺陷，表面至心部組織基本相同，套圈組織中晶粒明顯比滾子的更加細小。

　　2.1.2掃描電鏡觀察

　　用掃描電鏡對兩部件組織中的碳化物形貌及分布進行觀察，結(jié)果顯示兩部件的組織形貌基本相同。圖3a、c分別為等溫淬火后滾子和套圈部件的低倍組織，基體組織呈針狀，其上白色顆粒為未溶碳化物。圖3b、d分別為等溫淬火后滾子和套圈部件的高倍組織，可以看到清晰的碳化物顆粒，且分布有沿一定方向規(guī)則排列的短桿狀組織，具有下貝氏體形貌特征。

　　由圖3還可以看出：滾子部件中碳化物顆粒圓整度較好，但尺寸比套圈部件中的大。進一步的定量金相測試表明（表2）：兩種材料碳化物所占面積比都為10%左右；滾子中碳化物平均直徑為0.55μm，比套圈中的大0.13μm；滾子和套圈中直徑在0.2～0.8μm范圍內(nèi)的碳化物百分比分別為86.5%和93.2%。

　　2.1.3透射電鏡觀察

　　在透射電鏡下滾子和套圈的組織也基本相同，都是塊狀未溶碳化物加針狀組織，針狀組織內(nèi)部分布有大量規(guī)則排列的短桿狀碳化物，如圖4所示。經(jīng)測量這些短桿狀碳化物與鐵素體晶粒主軸約呈57°夾角分布。文獻指出，在高碳鋼中，下貝氏體鐵素體往往成針狀，在其上沉淀著許多細微的碳化物，它們與鐵素體的長軸呈55°~60°角整齊的排列著。由此可以鑒定針狀組織為下貝氏體。經(jīng)過大量的觀察，下貝氏體被碳化物分割為許多的亞片條（或亞單元），下貝氏體亞片條通常是從一個平直的不動邊開始形核，并以一定的角度向另一邊發(fā)展，Z后終止在某一位置上，使生長的前沿呈現(xiàn)鋸齒狀或臺階狀，下貝氏體鐵素體間經(jīng)?；ハ喑式唤窍嘤?。根據(jù)文獻，回火馬氏體中的碳化物往往呈“人”字型，而在本文等溫工藝下的GCr15滾子和GCr18Mo套圈中沒有發(fā)現(xiàn)“人”字型分布的碳化物，可以確定組織中沒有回火馬氏體存在。因此，兩部件的組織主要由下貝氏體和碳化物組成。

　　另外，我們對下貝氏體鐵素體針的尺寸進行了定量分析，采用的方法是測量長寬比。結(jié)果顯示，GCr15滾子獲得的下貝氏體針鐵素體針長寬比約為7.5，GCr18Mo套圈獲得的下貝氏體鐵素體針針長寬比約為10?？梢?，套圈中下貝氏體鐵素體針比滾子的細長。

　　2.2硬度測定

　　兩部件由表面至心部的維氏硬度分布曲線如圖5所示，由硬度分布測試結(jié)果可知，滾子表面至心部的硬度范圍為690~730HV，套圈表面至心部的硬度范圍為735~760HV。兩部件由表面至心部硬度變化幅度較小，部件均已完全淬透。滾子和套圈的洛氏硬度見表3，洛氏硬度檢測結(jié)果顯示，滾子的硬度值低于套圈，滾子柱面和端面洛氏硬度值差別不大，套圈內(nèi)表面的硬度值高于外表面。經(jīng)等溫淬火后滾子的硬度平均值為56.2HRC，套圈的硬度平均值為60.8HRC。根據(jù)軸承零件貝氏體等溫淬火后的技術(shù)要求，滾子硬度值應(yīng)滿足57~61HRC，套圈硬度值應(yīng)滿足58~62HRC。因此，本文熱處理工藝條件下滾子的硬度略低，而套圈的硬度能滿足軸承零件的硬度要求。

 

 　　2.3討論

　　GCr15鋼和GCr18Mo鋼經(jīng)貝氏體等溫淬火后得到的組織主要為下貝氏體和碳化物。下貝氏體保證了基體良好的韌性，且下貝氏體比馬氏體的比容低，減小了體積膨脹，因此保證了基體較低的裂紋及變形傾向。碳化物的直徑和分布狀態(tài)對軸承的疲勞也有著顯著的影響：與粗大碳化物相比，細小碳化物的外形較為圓滑，減小了應(yīng)力集中，從而提高了裂紋擴展臨界應(yīng)力，因而減緩了裂紋的擴展，有利于保持基體硬度的一致性。粗大的碳化物不但易形成尖銳的邊緣引起應(yīng)力集中，而且會造成周圍碳濃度出現(xiàn)很大的梯度，進而影響軸承壽命。文獻指出碳化物直徑為0.6μm時的疲勞壽命比直徑為1μm時提高近1倍。表2檢測結(jié)果顯示，滾子和套圈中碳化物的平均直徑均小于0.6μm，且套圈中的碳化物更加細小。與GCr15鋼相比，在承受大沖擊載荷下使用的軸承，適宜優(yōu)先選擇GCr18Mo鋼貝氏體等溫淬火，增加Mo元素可大幅提高提高淬透性，改善固溶體成分的不均勻性，并形成含Mo的碳化物，使得淬回火組織中碳化物細小、彌散分布。

　　從硬度方面來看，GCr18Mo鋼由于元素Cr比GCr15鋼多，且增加了元素Mo，形成的合金滲碳體多，晶粒細小分布均勻，提高了硬度且硬度均勻，利于提高軸承的耐磨性和疲勞壽命。GCr15滾子硬度偏低導(dǎo)致強度不足，如果改變熱處理工藝，獲得馬氏體+貝氏體+碳化物的復(fù)相組織，將可以改善硬度、強度以及疲勞性能。

　　3　結(jié)語

　?。?）軸承兩部件表面至心部硬度均勻，GCr15滾子的平均硬度為56.2HRC，低于軸承零件的力學(xué)性能要求；GCr18Mo套圈的平均硬度為60.8HRC，符合軸承零件的力學(xué)性能要求。

　?。?）軸承兩部件表面至心部組織均勻，主要為下貝氏體和碳化物。GCr15滾子獲得的下貝氏體針長寬比約為7.5，GCr18Mo套圈獲得的下貝氏體針長寬比約為10。GCr15滾子中未溶碳化物的平均直徑為0.55μm，直徑在0.2～0.8μm的碳化物所占比例為86.5%；GCr18Mo套圈獲得的碳化物平均直徑為0.54μm，直徑在0.2～0.8μm的碳化物所占比例為93.2%。

　?。?）軸承兩部件經(jīng)同樣的貝氏體等溫淬火熱處理工藝后，材料不同導(dǎo)致組織和硬度也不同。GCr15滾子中下貝氏體針和碳化物都比GCr18Mo套圈中的粗大，硬度也偏低，若改變工藝得到一定量的馬氏體將會彌補其強度和疲勞壽命的不足，預(yù)計投入城軌車輛軸承的生產(chǎn)后也會獲得良好的使用壽命。GCr18Mo套圈可以獲得強韌性良好的組織，適于制作承受大沖擊載荷下使用的城軌車輛軸承。

來源：《制造技術(shù)與機床》2014年01期