對退火態(tài)鈮氮微合金化GCr15高碳鉻軸承鋼進行810~900℃保溫1h的淬火和170~230℃保溫4h的回火處理，研究了淬火和回火溫度對試驗鋼組織和耐磨性能的影響，獲得最佳熱處理工藝。結(jié)果表明：經(jīng)過淬火處理后，試驗鋼的組織由馬氏體、未溶碳化物和殘余奧氏體組成；隨著淬火溫度升高，馬氏體由細小隱晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇执筢樒瑺睿紛W氏體晶粒和碳化物尺寸均先減小后增大，當(dāng)淬火溫度為840℃時尺寸均最小。隨著回火溫度升高，回火態(tài)試驗鋼中馬氏體含量增加，殘余奧氏體含量減少，碳化物粗化，硬度先降低后略微升高，磨損率增大。170℃回火后試驗鋼的磨損表面較平整，犁溝數(shù)量較少，存在塑性變形以及氧化痕跡，耐磨性能較佳。試驗鋼合理的淬火溫度為840℃，回火溫度為170℃。
01研究背景
軸承鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能、疲勞性能、耐磨性能以及良好的尺寸穩(wěn)定性，被廣泛用于機械制造、交通運輸、造船以及航空航天等領(lǐng)域，目前，國產(chǎn)軸承鋼在產(chǎn)品質(zhì)量、鋼種多樣性和熱處理工藝及其配套裝備等方面與國外先進水平仍存在差距，表現(xiàn)為低端產(chǎn)品過剩和高端產(chǎn)品匱乏，特別是在航空航天、鐵路及風(fēng)電等關(guān)鍵領(lǐng)域長期依賴進口。GCr15鋼是國產(chǎn)高碳鉻軸承鋼的代表，淬透性高，但隨著應(yīng)用范圍擴大，在惡劣環(huán)境下精度保持性不足、磨損加劇導(dǎo)致使用壽命縮短的問題日益凸顯。
微合金化技術(shù)是提升GCr15鋼耐磨性能的重要途徑，目前相關(guān)研究大多集中在釩氮微合金化上。前期研究發(fā)現(xiàn)：在GCr15鋼中添加適量鈮元素可以通過增加碳化物數(shù)量與種類、細化碳化物尺寸、抑制晶粒生長等機制來優(yōu)化馬氏體組織；同時添加鈮和氮元素能夠使鋼中形成硬度較高的氮化鈮和碳氮化鈮析出相，從而有效阻礙磨粒運動，提高耐磨性能。熱處理工藝是影響軸承鋼質(zhì)量的另一重要因素。STICKELS研究發(fā)現(xiàn)，隨著奧氏體化溫度升高，52100軸承鋼（成分接近GCr15鋼）中殘余奧氏體含量增加，未溶碳化物減少，硬度先增大后在900 ℃快速下降；周宋澤等研究發(fā)現(xiàn)，GCr15鋼在170 ℃回火時，隨著回火時間延長，馬氏體分解加劇，碳化物含量增加，但當(dāng)回火時間達到3 h后變化趨緩。目前，有關(guān)淬火和回火溫度等熱處理工藝參數(shù)對鈮氮微合金化GCr15鋼顯微組織（奧氏體晶粒尺寸、碳化物溶解-析出行為）及耐磨性能影響的研究較少，為此，作者對退火態(tài)鈮氮微合金化GCr15軸承鋼依次進行不同溫度淬火與回火處理，研究了淬火和回火溫度對試驗鋼組織和耐磨性能的影響，擬為提升含鈮氮高碳鉻軸承鋼服役性能提供參考。
02研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本章節(jié)詳細介紹了試驗材料的制備流程與分析方法。試驗采用工業(yè)級GCr15鋼及鈮鐵、高氮鉻鐵中間合金，按特定配比經(jīng)真空電弧爐熔煉成鑄錠。通過光譜儀和氮氧化物分析儀測定材料化學(xué)成分，并利用Jmatpro軟件模擬確定奧氏體轉(zhuǎn)變溫度為735℃，據(jù)此選定810–900℃四個淬火溫度及170–230℃三個回火溫度進行熱處理。試樣經(jīng)過均勻化退火、球化退火及淬火回火處理后，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射等多種設(shè)備進行組織觀察、成分分析和物相鑒定，并系統(tǒng)測試了硬度與磨損性能，其中磨損率通過質(zhì)量變化與滑動距離計算得出。
不同溫度淬火后試驗鋼的OM形貌和晶粒尺寸分布
2 試驗結(jié)果與討論
本章節(jié)重點分析了淬火和回火溫度對試驗鋼組織與性能的影響。淬火溫度升高導(dǎo)致原始奧氏體晶粒先細化后粗化，840℃時晶粒最細小且分布最均勻；同時碳化物先細化后粗化，840℃時細小碳化物占比最高，分布最均勻，因此確定最佳淬火溫度為840℃?；鼗疬^程中，隨著溫度升高，殘余奧氏體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，碳化物含量增加但發(fā)生粗化，硬度先降后略升，耐磨性隨回火溫度升高而下降，170℃回火時因殘余奧氏體含量較高、硬度高且組織均勻，表現(xiàn)出最優(yōu)耐磨性能。最終推薦最佳工藝為840℃淬火配合170℃回火。
不同溫度淬火后試驗鋼中碳化物的尺寸分布
03結(jié)束語
（1）不同溫度淬火處理后，鈮氮微合金化GCr15高碳鉻軸承鋼的組織均由馬氏體、未溶碳化物和殘余奧氏體組成。隨著淬火溫度升高，馬氏體由細小隱晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇执筢樒瑺?，原始奧氏體晶粒和碳化物尺寸均先減小后增大，當(dāng)淬火溫度為840 ℃時原始奧氏體晶粒尺寸最小，細小碳化物占比最多且整體分布最均勻。
（2）隨著回火溫度升高，回火態(tài)試驗鋼中馬氏體含量增加，殘余奧氏體含量減少，碳化物含量增加，碳化物粗化且分布更彌散，硬度先降低后略微升高，穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)先增大后略微減小，磨損率先急劇增大后略微增大。
（3）170℃回火后試驗鋼的磨損表面較平整，犁溝數(shù)量較少，存在塑性變形以及氧化痕跡，耐磨性能較佳；200℃和230℃回火后因硬度下降和殘余奧氏體含量降低，磨損表面犁溝數(shù)量增多，耐磨性能劣化。試驗鋼采用840℃淬火與170℃回火的熱處理工藝較合理，此時耐磨性能最好。
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