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GCr4轴承钢套圈整体感应加热淬火后的组织
2009-03-06 冶金部钢铁研究总院(北京 100081) 王永清 魏果能 沈梨庭
洛阳轴承研究所 陈焕忠 范崇惠 邱志仁
洛阳轴承研究所 陈焕忠 范崇惠 邱志仁
摘 要：研究了GCr4轴承钢套圈经过整体感应加热淬火处理后的金相组织、基体组织的形貌和碳化物的形态及分布。结果表明，表面层的组织为隐针马氏体和碳化物;基体主要由孪晶马氏体和一些位错马氏体组成;心部组织主要为屈氏体、索氏体及碳化物颗粒，碳化物颗粒细小、分布均匀。
关键词：GCr4轴承钢套圈；感应淬火；微观组织
1 前言
我国铁路轴承目前采用GCr15SiMn或渗碳轴承钢20CrNiMo制造，轴承寿命和可靠性不理想，经常发生轴承挡边断裂等事故。为进一步提高我国铁路轴承的性能，借鉴原苏联的有关技术，通过综合钢的合金化技术和感应加热技术，研制和开发出一种新型GCr4轴承钢及相应的热处理工艺。因为GCr4轴承钢中的铬含量为0.4%，其它成分与GCr15轴承钢基本上无差别，所以淬透性较低，经过整体感应加热淬火后，可同时具有全淬透性GCr15轴承钢和低碳合金渗碳钢两者的特性，即表面组织为隐针马氏体，有残余压应力，具有良好的耐磨性和接触疲劳性能，而心部组织的硬度为35～40HRC，具有良好的韧性和抗冲击性能。
国内外关于GCr4轴承钢感应淬火后的微观组织的研究甚少。在前苏联的研究报告中，也只对其进行了金相组织的观察。国内目前对感应淬火GCr4轴承钢中的马氏体基体组织的组成存在较大分歧。为搞清楚这些问题，我们利用金相显微镜、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)对GCr4轴承钢的微观组织进行了深入研究。
2 试验用料及处理工艺
试验用料的标准成分及实际成分如表1所示，针对Cr、Mn、Al、Mo等元素对钢的淬透性有较强的影响，在采用20t电炉加钢包真空脱气的冶炼过程中，我们对这些元素的含量都进行了重点控制。钢锭经过开坯、表面精整修磨后，热轧成100mm的棒材，再经过鼓风强制冷却和球化退火处理，然后加工成套圈毛坯。
采用K6PS-1-8/250-100宽频可控中频装置及GC2405型感应淬火设备对GCr4轴承钢套圈进行整体感应加热淬火处理，淬火温度估计为840℃±10℃，淬火介质为3%的NaCl水溶液。在200℃回火1～2h后，沿套圈的纵向截面切下一块，然后进一步加工成各种观察试样。
3 试验结果及分析
3.1 金相组织及硬度分布
图1a、b和c分别为GCr4钢套圈经整体感应加热淬火处理后，试样的表面层、过渡层和心部的金相组织。试验结果表明：表面层的组织为隐针马氏体和碳化物;而过渡层的组织为马氏体、屈氏体和碳化物;心部组织主要为屈氏体和碳化物，存在部分索氏体组织。试样的表面层、过渡层和心部的组织都比较细小，碳化物的分布也比较均匀。
进一步进行了扫描电镜的观察，见图2a、b和c，结果表明，GCr4钢套圈中的碳化物比较细小，分布比较均匀。利用洛氏硬度计测量了试样表面和心部的硬度值，试样表面的硬度在62HRC左右，心部的硬度为44～49.4HRC。从硬度值和组织来判断，表面层的厚度为2.5mm左右。
以上试验结果说明轴承钢GCr4套圈经整体感应加热淬火处理后，从表面到心部的组织存在明显的差别，表面层是硬度较高的马氏体组织和碳化物，而心部是韧性较好的屈氏体和部分索氏体组织。
关键词：GCr4轴承钢套圈；感应淬火；微观组织
1 前言
我国铁路轴承目前采用GCr15SiMn或渗碳轴承钢20CrNiMo制造，轴承寿命和可靠性不理想，经常发生轴承挡边断裂等事故。为进一步提高我国铁路轴承的性能，借鉴原苏联的有关技术，通过综合钢的合金化技术和感应加热技术，研制和开发出一种新型GCr4轴承钢及相应的热处理工艺。因为GCr4轴承钢中的铬含量为0.4%，其它成分与GCr15轴承钢基本上无差别，所以淬透性较低，经过整体感应加热淬火后，可同时具有全淬透性GCr15轴承钢和低碳合金渗碳钢两者的特性，即表面组织为隐针马氏体，有残余压应力，具有良好的耐磨性和接触疲劳性能，而心部组织的硬度为35～40HRC，具有良好的韧性和抗冲击性能。
国内外关于GCr4轴承钢感应淬火后的微观组织的研究甚少。在前苏联的研究报告中，也只对其进行了金相组织的观察。国内目前对感应淬火GCr4轴承钢中的马氏体基体组织的组成存在较大分歧。为搞清楚这些问题，我们利用金相显微镜、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)对GCr4轴承钢的微观组织进行了深入研究。
2 试验用料及处理工艺
试验用料的标准成分及实际成分如表1所示，针对Cr、Mn、Al、Mo等元素对钢的淬透性有较强的影响，在采用20t电炉加钢包真空脱气的冶炼过程中，我们对这些元素的含量都进行了重点控制。钢锭经过开坯、表面精整修磨后，热轧成100mm的棒材，再经过鼓风强制冷却和球化退火处理，然后加工成套圈毛坯。
采用K6PS-1-8/250-100宽频可控中频装置及GC2405型感应淬火设备对GCr4轴承钢套圈进行整体感应加热淬火处理，淬火温度估计为840℃±10℃，淬火介质为3%的NaCl水溶液。在200℃回火1～2h后，沿套圈的纵向截面切下一块，然后进一步加工成各种观察试样。
3 试验结果及分析
3.1 金相组织及硬度分布
图1a、b和c分别为GCr4钢套圈经整体感应加热淬火处理后，试样的表面层、过渡层和心部的金相组织。试验结果表明：表面层的组织为隐针马氏体和碳化物;而过渡层的组织为马氏体、屈氏体和碳化物;心部组织主要为屈氏体和碳化物，存在部分索氏体组织。试样的表面层、过渡层和心部的组织都比较细小，碳化物的分布也比较均匀。
进一步进行了扫描电镜的观察，见图2a、b和c，结果表明，GCr4钢套圈中的碳化物比较细小，分布比较均匀。利用洛氏硬度计测量了试样表面和心部的硬度值，试样表面的硬度在62HRC左右，心部的硬度为44～49.4HRC。从硬度值和组织来判断，表面层的厚度为2.5mm左右。
以上试验结果说明轴承钢GCr4套圈经整体感应加热淬火处理后，从表面到心部的组织存在明显的差别，表面层是硬度较高的马氏体组织和碳化物，而心部是韧性较好的屈氏体和部分索氏体组织。
图1 GCr4套圈的显微组织 ×400 4%硝酸酒精侵蚀
(a)套圈表面层的组织 (b)套圈过渡层的组织 (c)套圈心部的组织
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(a)套圈表面层的组织 (b)套圈过渡层的组织 (c)套圈心部的组织
图2 套圈中碳化物形态 ×2500
(a)表面层中碳化物 (b)过渡层中碳化物 (c)心部的碳化物
(a)表面层中碳化物 (b)过渡层中碳化物 (c)心部的碳化物
3.2 透射电镜(TEM)分析结果
我们利用透射电镜对GCr4轴承钢套圈各部分的薄膜试样进行了分析研究，从图3看，GCr4轴承钢套圈表面层的组织为孪晶马氏体和位错马氏体，实际观察中发现，其主要组织为孪晶马氏体，位错马氏体的数量较少。从图4看，在过渡层中，马氏体基体组织也是由孪晶马氏体和位错马氏体组成，另一部分基体组织为屈氏体。从金相组织和透射电镜观察表明，心部的基体组织为屈氏体及部分索氏体，透射电镜照片(图5)实测结果表明，图5a中渗碳体片的间距大约为0.08μm，图5b中的渗碳体片的间距大约为0.14μm。一般，屈氏体的渗碳体片的间距为0.1μm以下，索氏体的渗碳体片的间距为0.1～0.3μm，所以图5中的组织分别为屈氏体和索氏体。
我们利用透射电镜对GCr4轴承钢套圈各部分的薄膜试样进行了分析研究，从图3看，GCr4轴承钢套圈表面层的组织为孪晶马氏体和位错马氏体，实际观察中发现，其主要组织为孪晶马氏体，位错马氏体的数量较少。从图4看，在过渡层中，马氏体基体组织也是由孪晶马氏体和位错马氏体组成，另一部分基体组织为屈氏体。从金相组织和透射电镜观察表明，心部的基体组织为屈氏体及部分索氏体，透射电镜照片(图5)实测结果表明，图5a中渗碳体片的间距大约为0.08μm，图5b中的渗碳体片的间距大约为0.14μm。一般，屈氏体的渗碳体片的间距为0.1μm以下，索氏体的渗碳体片的间距为0.1～0.3μm，所以图5中的组织分别为屈氏体和索氏体。
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图3 表面层的基体组织形貌
(上图)表面层中的孪晶马氏体组织 (a)孪晶马氏体(明场) ×40000 (b)电子衍射谱 (c)指数标定
(上图)表面层中的孪晶马氏体组织 (a)孪晶马氏体(明场) ×40000 (b)电子衍射谱 (c)指数标定
(下图)表面层中的板条马氏体组织 (a)板条马氏体(明场) ×40000 (b)电子衍射谱 (c)指数标定
图4 过渡层的基体组织形貌
(a)孪晶马氏体和板条马氏体 ×37000 (b)屈氏体组织 ×30000
(a)孪晶马氏体和板条马氏体 ×37000 (b)屈氏体组织 ×30000
图5 心部的基体组织形貌
(a)屈氏体组织 ×59000 (b)索氏体组织 ×59000
(a)屈氏体组织 ×59000 (b)索氏体组织 ×59000
4 结论
(1) GCr4轴承钢套圈经整体感应加热淬火处理后，由于GCr4轴承钢的淬透性较低，套圈的表面和心部的组织差别很大，表面淬透层的厚度大约为2.5mm。
(2) 表面层的组织为隐针马氏体加碳化物，基体主要由孪晶马氏体构成，也存在少部分位错马氏体。
(3) 过渡层的组织为马氏体、屈氏体和碳化物。同样，马氏体主要为孪晶马氏体和少部分位错马氏体。
(4) 心部组织为屈氏体、部分索氏体及碳化物所构成。
(5) GCr4轴承钢套圈中的碳化物颗粒细小且分布比较均匀。（来源：中国金相分析网）
(1) GCr4轴承钢套圈经整体感应加热淬火处理后，由于GCr4轴承钢的淬透性较低，套圈的表面和心部的组织差别很大，表面淬透层的厚度大约为2.5mm。
(2) 表面层的组织为隐针马氏体加碳化物，基体主要由孪晶马氏体构成，也存在少部分位错马氏体。
(3) 过渡层的组织为马氏体、屈氏体和碳化物。同样，马氏体主要为孪晶马氏体和少部分位错马氏体。
(4) 心部组织为屈氏体、部分索氏体及碳化物所构成。
(5) GCr4轴承钢套圈中的碳化物颗粒细小且分布比较均匀。（来源：中国金相分析网）
