4、表層組織轉變控制
滲碳軸承鋼由表層向心部碳含量逐漸降低(dī)，熱東老處理(lǐ)後表層不同深度處的(de)組織存在差異，淬火後滲碳軸承鋼小舊從(cóng)表面到心部的(de)基體(tǐ)組織依次為知水(wèi)：
針狀馬氏體(tǐ)→針狀馬氏體(tǐ)＋闆條馬氏體(tǐ煙說)→闆條馬氏體(tǐ)。淬火加熱溫度是馬氏體(tǐ)淬火中的(de)一個(gè)重要影響因素，一方面，較高(gāo)的(de)淬火加熱溫度有(yǒu)利于碳元素和(hé)其他(t算家ā)合金(jīn)元素在奧氏體(tǐ)中擴散均勻；另一方面，在較長雜高(gāo)的(de)淬火加熱溫度下(xià)，更多的(de)碳化(huà服雨)物(wù)發生(shēng)溶解，釘紮器要晶界效果減弱，将促使奧氏體(tǐ)晶粒長(cháng)大。淬火馬氏體(tǐ)的(de)形貌及尺寸決定了鋼的(de)硬度兵街、強度和(hé)韌性等性能指标，而晶粒細化(huà)是唯一既可以提高(gāo)材料強度又(yòu)能提高(gāo)韌性的(de)現城方法，因此選取合理(lǐ)的(de)淬火溫度和(hé)保溫時(shí)間(jiān)非常重要。
高(gāo)速鐵(tiě)路(lù)軸承需要承受更大的(de)沖擊載荷，軸承用鋼不僅要求具有(yǒu)高(gāo)耐磨性劇上、高(gāo)抗疲勞性，還(hái)要有(yǒu)良好(hǎo)的(de)沖擊韌性。對(duì)于滲碳軸承鋼，選擇合理(lǐ)的(de)二次淬火溫度能獲得優年對異的(de)表層組織和(hé)性能。高(gāo)速鐵(tiě)路(lù)軸承常用的(de)G2市來0CrNi2Mo鋼經945 ℃滲碳後在860工自 ℃預冷(lěng)淬火，然後進行830 ℃的(de)二次淬火，獲得的(de)組又就織如圖6所示，經二次淬火後滲碳層中的(de)針片馬氏體(tǐ)變得更加細小(xiǎo)，基但計體(tǐ)上(shàng)彌散析出細小(xiǎo)均窗笑勻的(de)碳化(huà)物(wù)顆粒，耐磨性明(míng)顯改蓋。
圖6 G20CrNi2Mo鋼二次淬火前、後的(de)組織對(duì)比
Fig.6 Microstructure comparison of G20CrNi書議2Mo steel before and after secondary quenchi問相ng
殲–20戰鬥機(jī)和(hé)C919大飛(fēi)機(j少場ī)的(de)先後問(wèn)世代表了我國(guó)航空工(gō多坐ng)業(yè)的(de)崛起，而飛(fēi)機(jī)機(jī)動性的(de)每一次提升主機分要依靠發動機(jī)推重比的(de)增加，如做快今發動機(jī)主軸dn值已經達到2.4×106 mm·r·min-1，發動機(jī)主軸軸承的(de)工(gōng)作(zuò)溫度開這逼近(jìn)300 ℃，且長(cháng那話)期承受巨大的(de)沖擊載荷和(hé)循環疲勞應快森力。為(wèi)适應航空軸承更高(gāo)的(de)性能要求，我國(guó)研發了第2代高(gāo)溫滲碳軸話呢承鋼G13Cr4Mo4Ni4V(ASTM M厭厭50NiL)。根據YB/T 4106——2000《航空發動機(jī)用高(長文gāo)溫滲碳軸承鋼》規定，其經過滲碳、淬火和(hé)回火處理(lǐ)後的(de)表層硬度報現可達到62~63 HRC，具有(yǒu)較高(gāo)的(de)耐磨性和(hé)良好(hǎo議從)的(de)抗疲勞性能，心部闆條馬氏體(tǐ)提供了良好(hǎo)的(de空工)沖擊韌性。圖7所示為(wèi)G13Cr4Mo4Ni4V鋼常用的(de)滲碳還了熱處理(lǐ)工(gōng)藝，真空滲碳時(shí)的(de)溫度一般為(wèi)890 ℃，然後兒冷經1 100 ℃淬火，再545 ℃回火處理(lǐ)3次，每次2算得 h。
圖7 G13Cr4Mo4Ni4V鋼的(de)滲碳熱處西快理(lǐ)工(gōng)藝示意圖
Fig.7 Diagram of carburizing heat tre有老atment process for G13Cr4Mo4Ni4V steel
與G13Cr4Mo4Ni4V鋼相(xiàng)似的(de)M50N但員iL鋼經過滲碳熱處理(lǐ)後微(wēi)觀組織如圖8所示，由圖8b可以清晰看(門鐵kàn)出硬化(huà)層的(de)基體(tǐ)組織主要為(wèi)隐晶馬氏體(tǐ)，而過渡區(qū)的(de)組織中既有(yǒu)片狀馬氏體(tǐ)，也有(yǒu)低(dī)碳雪時闆條馬氏體(tǐ)，其中馬氏體(tǐ)闆條的(de)尺寸比心部更加細小(xiǎo)，這(zhè暗看)是由于心部碳含量低(dī)，在高(gāo)的(d市銀e)溫度下(xià)固溶處理(lǐ)後奧氏體(tǐ)晶粒較粗大，從(c微裡óng)而導緻馬氏體(tǐ)闆條更易生(shēng)長(cháng)。
圖8 M50NiL鋼經滲碳熱處理(lǐ)後的(de)組織形态
Fig.8 Microstructure of M50NiL stee放制l after carburizing h子吃eat treatment
文(wén)獻[65]研究了貝氏體(tǐ)等溫淬火對(duì)G23Cr2Ni2Si1 M醫話o鋼滲碳層組織及性能的(de)影響：在200 ℃下(xià)等溫8h後，滲碳層獲廠物得了數量可觀的(de)針狀下(xià)貝氏體(tǐ)(圖日鐘9a)；圖9b中可以清晰地(dì)看(kàn)到，在納米級的(de)貝氏體(tǐ)鐵(tiě)綠也素體(tǐ)闆條之間(jiān)存在着薄膜狀殘餘奧氏體(tǐ)。細小(你空xiǎo)的(de)貝氏體(tǐ)鐵(tiě)素體(吧店tǐ)闆條使得相(xiàng)界面積大幅度增加，有(吧月yǒu)利于阻礙位錯(cuò)滑移，抵抗塑性變形，且富碳的(de)薄膜狀殘餘奧的一氏體(tǐ)可以有(yǒu)效阻礙微(wēi)裂紋擴展，因此有(yǒu)利于提高新黃(gāo)韌性和(hé)耐磨性。試驗證明(míng)，們購與傳統滲碳淬火相(xiàng)比，等溫淬火鋼的(de)耐磨性提高(gāo)了58%小山 ,沖擊韌性提高(gāo)了33.3%。
圖9 G23Cr2Ni2Si1 Mo 鋼在200 ℃等溫8 h後的(de)滲碳層微(w呢跳ēi)觀組織
Fig.9 Microstructure of ca議兒rburized layer of G23C務靜r2Ni2Si1 Mo steel austempe土吧red at 200 ℃ for 8 hours
5、表層殘餘奧氏體(tǐ)的(de)控制
滲碳軸承鋼的(de)表層碳濃度較高(gāo站器)，且含有(yǒu)大量Cr，Ni等合金(jīn)元素，Cr在滲碳加熱時(shí)固溶到奧氏體(tǐ)中，增加了奧氏體問麗(tǐ)的(de)穩定性，Ni是擴大γ相購美(xiàng)區(qū)的(de)合金(j道文īn)元素，能與γ-Fe形成無限固溶體(tǐ)，進一是海步增加奧氏體(tǐ)的(de)穩定性。由于Ms點的(de)降低(dī)，滲碳軸承鋼表車著層淬火後會留下(xià)大量未轉變的(de)過冷(lěng)奧氏體(tǐ)，雜訊但(dàn)最高(gāo)殘餘奧氏體(tǐ)量一般在距邊緣0.2~0.4 mm處。奧氏體(tǐ)的(de)穩定化(huà)分為(wèi)兩類：
1)由于鋼的(de)淬火加熱溫度一般低(dī)于完全奧村山氏體(tǐ)化(huà)溫度，所以奧氏體(tǐ)中是放的(de)碳及合金(jīn)元素是不均勻的(de)，存在貧/富碳區(qū)，當淬冷河靜(lěng)至Ms點以下(xià)時(shí)，貧碳區(qū)将發生(shēng)馬空什氏體(tǐ)轉變，部分富碳區(qū)由于未達到Ms點以下(xià西紅)溫度，所以這(zhè)部分奧氏體(tǐ)不發生(shēng)轉變而保留下(xià)來(lái農藍)，也稱為(wèi)熱穩定化(huà)；
2)由于馬氏體(tǐ)的(de)比容大于奧氏體(tǐ報去)，所以發生(shēng)馬氏體(tǐ)轉變時(shí)伴随着體(tǐ)積膨脹，存在于2個(門跳gè)馬氏體(tǐ)闆條(或馬氏體(tǐ)針)之間(jiān)的(de)奧氏體討弟(tǐ)受到壓應力作(zuò)用，使得奧氏體(tǐ)更難向馬氏體(tǐ)轉變，從(cóng)而産生頻事(shēng)力學穩定現(xiàn)象。在馬氏體(tǐ)轉變期間(jiān)你廠，奧氏體(tǐ)的(de)熱穩定化(hu金看à)與力學穩定化(huà)是同時(shí)存在的(de)，但(dàn)殘餘謝習奧氏體(tǐ)含量過高(gāo)不利于表面硬度和(們離hé)尺寸穩定。
高(gāo)溫回火對(duì)殘餘奧氏體(tǐ)說體的(de)轉變具有(yǒu)催化(huà)作(zuò)用：
一方面，高(gāo)溫回火促進碳化(huà)物(wù醫信)從(cóng)殘餘奧氏體(tǐ)中析出并聚集長(cháng)大，碳身公含量的(de)降低(dī)導緻殘餘奧氏體(tǐ)Ms點升高(gā放知o)，熱穩定性減弱，在空冷(lěng)過程中将更容易轉變為(wèi)馬氏體(tǐ)；
另一方面，高(gāo)溫回火使一次馬氏體(tǐ)大量分解，過飽和(hé)碳原子(zǐ)大量析出火們導緻馬氏體(tǐ)正方度減小(xiǎo)，殘餘奧氏體(tǐ)受到周圍馬氏體(tǐ)的(de海小)壓應力作(zuò)用減弱，力學穩定性減弱，因此在空冷(lěng吧答)過程中殘餘奧氏體(tǐ)更易向馬氏體(tǐ)轉變。
如表⒉所示，G20CrNi2Mo滲碳軸承鋼制軸承內(站體nèi)圈表層殘餘奧氏體(tǐ)含量的(de)質量要求為(wèi)15%~25%，原始熱處理人輛(lǐ)工(gōng)藝無法滿足，采用更農讀高(gāo)溫度( 215，225 ℃)進行回火處理(l少北ǐ)後，殘餘奧氏體(tǐ)含量明(míng)顯下(xià)降森金，215 ℃回火後的(de)殘餘奧氏體(tǐ)含量和(hé)表面硬度均符合要求，最終采用2微電15 ℃作(zuò)為(wèi)回火溫度。除了通(tōng)過提高(gāo)回火溫度來(lái)降低(dī)殘餘奧氏體(tǐ)門校含量以外(wài)，增加回火次數、延長(cháng)回火保溫時(shí)間海家(jiān)也有(yǒu)利于促進殘餘奧氏體(tǐ)的(de)轉變，但(dàn)延長(cháng)回火時(shí)間(jiān)不如前2種方法更有(書關yǒu)效。
表2 G20CrNi2Mo 鋼不同滲碳熱處理(lǐ煙日)後內(nèi)圈滾道(dào)的(de)殘餘奧氏體(tǐ)含量
Tab.2 Residual austenite content of inne也短r ring raceway after differe站放nt carburizing heat treatments of G20CrNi2北北Mo steel
冷(lěng)處理(lǐ)(-90 ℃)或深冷(lěng)處理(lǐ窗數)(-190 ℃)使殘餘奧氏體(tǐ)在連續冷(lěng)卻過程中繼但城續轉變為(wèi)馬氏體(tǐ)，進一步提高(gāo)基體(tǐ)硬度，和下并有(yǒu)助于穩定軸承尺寸精度。此外(wài)，殘餘奧氏體(tǐ)作(zuò)為(wèi內綠)一種韌性相(xiàng)，保留一定數量的(de)殘村動餘奧氏體(tǐ)可以延緩裂紋尖端應力，防止軸承過早出現(xiàn)因滑動和(hé)滾動磨損而引起凹坑、剝落等疲勞損傷。
文(wén)獻[71]對(duì)全淬硬GCr15軸承鋼進行了表面真空滲碳處理(lǐ)，滲碳熱處理(lǐ)後表層殘餘奧氏體(tǐ)含量高(gāo)達20%，化明顯著高(gāo)于常規熱處理(lǐ)，但兵高(dàn)滾動接觸疲勞壽命卻比滲碳前提高(gāo)了近(jìn)車路10倍。
文(wén)獻[72]對(duì)20CrMnMoAl滲碳軸承鋼在220 ℃下(xià)等溫淬火 32 h後幾乎得到了全貝氏體(tǐ)組織(圖10)，TEM觀察發現(xi訊了àn)，在貝氏體(tǐ)鐵(tiě)素體(tǐ)條之間(jiān)存在着僅十幾納米厚的(de)殘餘奧頻舊氏體(tǐ)薄膜，由于Al對(duì)碳化(huà)物(wù)的謝船(de)抑制作(zuò)用，等溫過程中貝氏體(tǐ)鐵(tiě)素體(tǐ)中的見體(de)碳原子(zǐ)大量擴散至薄膜狀殘餘奧煙筆氏體(tǐ)中，因此薄膜狀殘餘奧氏體(tǐ聽民)的(de)穩定性更高(gāo)，這(zhè)對(duì)軸承尺寸精度的(de)控制有(市兒yǒu)一定益處。
圖10 20CrMnMoAl鋼等溫淬火組織TEM圖
Fig.10 TEM image of austempered microstructure筆喝 of carbu-rized 20CrMnMoAl st通什eel
6、結束語
随着我國(guó)十四五”規劃的(de)正式啓動，高(g農國āo)鐵(tiě)、航空發動機(jī)、盾構機(jī)、嗎兒風(fēng)電(diàn)機(jī)組呢費等高(gāo)端裝備軸承是未來(lái)重點研發項目，針對(d離志uì)滲碳軸承鋼，掌握“高(gāo)質高(gāo)效、綠色環保”的(de)先進熱處理(lǐ花的)技(jì)術具有(yǒu)重要意義。
滲碳軸承鋼經滲碳、淬火等熱處理(lǐ)工(gōng)序後比全淬硬馬得微氏體(tǐ)軸承鋼具有(yǒu)更高(gāo)的(de)抗沖擊和(hé)耐疲勞性能笑做，但(dàn)有(yǒu)關滲碳軸承鋼的(de)研究還(hái數信)有(yǒu)諸多的(de)問(wèn)題需要深入：
1)網狀碳化(huà)物(wù)的(de)析出控制；
2)殘餘奧氏體(tǐ)形态和(hé)含量的(de)控制；
3)對(duì)滲碳軸承鋼基體(tǐ)組織的(de)研究。
除了細化(huà)淬火馬氏體(tǐ)以外(wà大輛i)，貝氏體(tǐ)等溫淬火展現(xiàn)出了極大的(de)發展潛質，馬氏體(tǐ)＋下(中自xià)貝氏體(tǐ)的(de)混合組織比任何單一的(de)淬火組織都(dō山黃u)具有(yǒu)更優的(de)使用性能，而目前國(guó)內(nèi女腦)對(duì)滲碳軸承鋼的(de)貝氏體(tǐ)等溫淬火研究還(hái)不夠廣泛報問和(hé)深入，一些問(wèn)題亟需探索和(hé)解決，如貝氏體(tǐ)等溫淬火溫度、時(shí)長(信員cháng)，等溫淬火後的(de)殘餘奧氏體(懂商tǐ)含量及其對(duì)尺寸穩定性的(de)遠票影響，等溫淬火碳化(huà)物(wù)析出對(duì)力章請學性能的(de)影響規律等。
（參考文(wén)獻略）
（來(lái)源：軸承雜(zá)志(zhì)社）
引文(wén)格式：
于興福，王士傑，趙文(wén)增，等.滲碳軸承鋼的(de)熱處理(lǐ)現畫呢(xiàn)狀[J].軸承，2021（1學風1）：1-9.
作(zuò)者簡介
于興福，男，1976年(nián)生(shēng)，沈還時陽工(gōng)業(yè)大學副教授，博士生(shēng)導師(shī)，主要從(cón習子g)事(shì)航空軸承鋼的(de)熱處理(lǐ)技(jì)術、鎳基單晶人雜/柱狀晶高(gāo)溫合金(jīn)的(de)制備技(jì)術、高(gāo)溫合金(jī看高n)的(de)冶煉技(jì)術、精密鑄造用型殼制備技(jì)術個我的(de)研究工(gōng)作(zuò)。多年(nián)來(lái)朋個，參與國(guó)家(jiā)重點研發計(jì)劃、“兩機(jī)”專項、黑亮“大飛(fēi)機(jī)”材料專項和(hé)國(guó)防科(kē)工(gōng)局專項等多個(空女gè)項目。主導研發了航空軸承用穩定化(huà)熱處理(lǐ)、強韌化(hu從了à)熱處理(lǐ)、馬氏體(tǐ)+貝氏體(tǐ)複合淬火、真空等溫淬火等熱處理(l木西ǐ)工(gōng)藝，研發的(de)熱處理(lǐ)工志能(gōng)藝被應用于多個(gè)型号軸承的(de)生(shēng)産和(hé)科(kē)店又研制造，并取得了良好(hǎo)的(de)討店效果。研究期間(jiān)，申請軸承相(xiàng)關專利技(j黑匠ì)術8項，已授權專利2項，在國(guó)內(nèi)外(w鐵朋ài)期刊發表研究論文(wén)80餘篇。些風
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