GCr15用于小軸承的熱處理工藝流程及其組織結(jié)構(gòu)性能研究

1、理論分析階段對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的組織、結(jié)構(gòu)、形貌、性能進(jìn)行綜合分析，與理想理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，給出樣品每一步熱處理所得到的組織、結(jié)構(gòu)及其性能。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容1）名稱、本實(shí)驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)方法和步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論;2）本實(shí)驗(yàn)注重?zé)崽幚砉に囋O(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)多查資料，注重設(shè)計(jì)過程，實(shí)驗(yàn)只是其中一部分，故實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)包含所查資料相關(guān)內(nèi)容，制訂工藝的依據(jù)、原理；零件加工工藝流程圖、熱處理工藝曲線；組織、結(jié)構(gòu)、性能測試分析等內(nèi)容。文字部分不少于5000字（不包括圖片），報(bào)告不少于5頁，手寫，書寫工整（要存檔），交紙質(zhì)和電子版。GCr15用于小軸承的熱處理工藝流程及其組織結(jié)構(gòu)性能研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 研究并制定出軸承鋼

2、GCr15的熱處理工藝流程，并通過對(duì)材料組織及性能分析比較工藝方案優(yōu)缺點(diǎn)。2. 熟悉金相樣品的制備方法，了解金相顯微鏡、X射線衍射儀等所用的儀器設(shè)備的操作使用。3. 學(xué)會(huì)整理數(shù)據(jù)，培養(yǎng)分析問題、解決問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及相互合作的能力。能夠比較全面地、系統(tǒng)地掌握材料制備、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律。二、實(shí)驗(yàn)方法GCr15是一種最常用的高碳鉻軸承鋼，經(jīng)過淬火加回火后具有較高的硬度、均勻的組織、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。GCr15軸承鋼用于制作各種軸承套圈和滾動(dòng)體。如制作內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)車、汽車以及高速旋轉(zhuǎn)的高載荷機(jī)械傳動(dòng)軸承的鋼球、滾子和套圈。1滾動(dòng)體（鋼球）制造基本流程：原

3、材料冷鍛光磨一一熱處理硬磨初研一夕卜觀精研紇保持架（鋼板）制造基本流程：原材料剪料一一裁環(huán)一一光整成形一一整形沖鉀釘孔給套圈（內(nèi)圈“外圈）制造基本流程：原材料鍛造一一退火一一車削淬火一一回火磨削一一裝配軸承制造基本流程包哽、人陣*4注脂1軸承套圈加工流程圖1.預(yù)備熱處理：球化退火作為GCr15鋼預(yù)備熱處理，其主要的目的是由熱處理使鋼鐵材料內(nèi)部的層狀或網(wǎng)狀碳化物聚成球狀，達(dá)到改善鋼材之切削性能、加工塑性、機(jī)械韌性等。球化退火是依靠片狀滲碳體的自發(fā)球化效果傾向和聚集長大。滲碳體在高溫下開始溶解，會(huì)使一片滲碳體斷開為若干細(xì)的點(diǎn)狀滲碳體，彌散分布在奧氏體基體上，同時(shí)由于加熱溫度低和滲碳體不完全溶解，造

4、成奧氏體成分極不均勻。在隨后的緩冷過程中，以原有的細(xì)碳化物質(zhì)點(diǎn)為核心，或由奧氏體的富碳區(qū)產(chǎn)生新的碳化物核心，形成均勻而細(xì)小的顆粒狀碳化物。這些碳化物在緩冷過程中聚集長大，并向能量最低的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為球狀滲碳體。退火溫度過低會(huì)導(dǎo)致碳化物大部分未溶解，得到的球狀碳化物大小不均勻。若溫度高于800C，則溶于奧氏體的碳化物較多，晶核減少，冷卻后得到粗大的球狀碳化物。于是將球化退火溫度范圍確定在760800C。為了保證材料淬火后回火仍有有較高的硬度，可采用先正火后退火的預(yù)備熱處理工藝，以得到極細(xì)的珠光體組織。此時(shí)應(yīng)將鋼加熱到奧氏體化溫度以上3050C，保溫，使其組織完全奧氏體化，然后空冷。2.最終熱處理：G

5、Cr15鋼最終熱處理一般采用淬火和低溫回火，其目的是提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性與抗疲勞性能。淬火和低溫回火后得到回火馬氏體，在低溫回火過程中，馬氏體中的過飽和碳開始逐步以碳化物的形式析出，使其中碳的過飽和程度不斷降低，同時(shí)，晶格畸變程度也減弱，內(nèi)應(yīng)力有所降低。有資料介紹，GCr15鋼加熱至800C時(shí)，有37%C和36%Cr溶入奧氏體中，若低于800C,則溶入的C和Cr會(huì)更少。但若高于860C,則奧氏體粗化，且由于奧氏體中溶碳量大大增加而導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性提高，使淬火后殘余奧氏體較多，所以GCr15鋼的淬火溫度選擇840C左右較為合適。該材料回火穩(wěn)定性較差，應(yīng)低于200C回火。其中160170C回

6、火時(shí)可獲得最大的沖擊值。為了較好的消除應(yīng)力，回火時(shí)間不應(yīng)過短。3.工藝制定用于小軸承的GCr15鋼要求：減少淬火變形、提高淬火硬度、改善工件切削性能、提高耐磨性和抗點(diǎn)蝕性等。為此制訂了以下三種工藝：工藝1常規(guī)熱處理，是對(duì)GCr15進(jìn)行790C保溫4小時(shí)，爐冷到600C出爐空冷的球化退火、860C保溫20分鐘，出爐油冷的淬火、170C保溫2小時(shí),出爐空冷回火。工藝2是改變球化退火溫度，760C保溫4小時(shí)，爐冷到600C出爐空冷。淬火是在840C保溫20分鐘，出爐油冷；回火是在170C保溫2小時(shí)之后出爐空冷。工藝3在退火前添加860C保溫20分鐘的正火處理，之后在790C保溫4小時(shí)爐冷到600C出

7、爐空冷。860C保溫20分鐘，出爐油冷淬火，170C保溫2小時(shí)，出爐空冷進(jìn)行回火。三、實(shí)驗(yàn)步驟1) 常規(guī)熱處理：球化退火：790C保溫4小時(shí)，30C/小時(shí)速度爐冷到600C出爐空冷；淬火：860C保溫20分鐘，出爐油冷；回火：170C保溫2小時(shí)，出爐空冷。最終得到三個(gè)樣品其狀態(tài)分別為球化退火、球化退化+淬火、球化退化+淬火+回火。之后對(duì)樣品1、2、3進(jìn)行硬度測試、金相樣品制備、組織觀察并拍照。對(duì)樣品1、2、3進(jìn)行xrd結(jié)構(gòu)分析。2) 優(yōu)化球化退火工藝：球化退火：760C保溫4小時(shí)，30C/小時(shí)速度爐冷到600C出爐空冷；淬火：840C保溫20分鐘，出爐油冷；回火：170C保溫2小時(shí)，出爐空冷。

8、最終得到三個(gè)樣品（記為樣品4、5、6）其狀態(tài)分別為球化退火、球化退化+淬火、球化退化+淬火+回火。之后對(duì)樣品進(jìn)行硬度測試、金相樣品制備、組織觀察并拍照。對(duì)樣品進(jìn)行xrd結(jié)構(gòu)分析。3）優(yōu)化預(yù)處理工藝：正火：860C保溫20分鐘；球化退火：790C保溫4小時(shí)，30C/小時(shí)速度爐冷到600C出爐空冷；淬火：860C保溫20分鐘，出爐油冷；回火：170C保溫2小時(shí)，出爐空冷。GCrl51化預(yù)處理丁芮的熱處理丁來曲線此組工藝最終得到三個(gè)樣品（記為樣品7、8、9）其狀態(tài)分別為正火+球化退火、正火+球化退火+淬火、正火+球化退火+淬火+回火。之后對(duì)樣品進(jìn)行硬度測試、金相樣品制備、組織觀察并拍照。對(duì)樣品進(jìn)行x

9、rd結(jié)構(gòu)分析。硬度測試儀器為洛氏硬度計(jì)，使用時(shí)注意打磨掉氧化表面后選不同部位，至少測試三個(gè)硬度值，取平均值作為試件的硬度值。測量每一步熱處理后的硬度可以輔助分析淬火回火的程度，避免只關(guān)注最終硬度而造成分析偏差。金相樣品制備需經(jīng)歷粗磨、細(xì)磨、拋光等。粗磨是指在砂輪上磨制，應(yīng)注意握緊試樣，使試樣受力均勻，壓力不要太大。細(xì)磨要用不同型號(hào)砂紙依次在由粗到細(xì)的各號(hào)金相砂紙上磨光。最后在拋光機(jī)上進(jìn)行機(jī)械拋光去除金相磨面上因細(xì)磨而留下的磨痕，使之成為光滑、無痕的鏡面。此時(shí)先用清水沖洗試樣，再用無水酒精清洗磨面，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干。用硝酸酒精溶液對(duì)樣品進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間要適當(dāng)，一般試樣磨面發(fā)暗時(shí)就可停止。進(jìn)行組

10、織觀察時(shí)注意對(duì)9個(gè)樣品分別進(jìn)行拍照，對(duì)比組織形態(tài)以此來分析各個(gè)樣品的性能。應(yīng)將樣品1、2、3，樣品4、5、6，樣品7、8、9，及樣品1、4、7,樣品2、5、8,樣品3、6、9分為六組進(jìn)行比較，性能對(duì)比主要是關(guān)注樣品3、6、9一組。XRD金屬試樣應(yīng)盡可能的磨成平面，并進(jìn)行簡單的拋光，這樣不但可以去除金屬表面的氧化膜，也可以消除表面應(yīng)變層。利用jade進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并在origin中作出衍射圖譜。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（結(jié)果不要加分析）1.硬度做出硬度曲線（類似醬紫）數(shù)據(jù)：橫坐標(biāo)工藝一二三，縱坐標(biāo)為硬度。硬度(HRC)預(yù)備熱處理淬火后回火后工藝一11.555.858.9工藝二8.562.558.6工藝三14

11、.260.355.7金相組織工藝一描述三種工藝組織變化2.xrd圖譜理論上來講做出每一種工藝中結(jié)構(gòu)變化譜線（123，456，789）也可以來比較369的結(jié)構(gòu)來比較性能（最主要的還是比較369）五、分析1.硬度三種工藝退火后三種工藝退火后硬度在815HRC范圍內(nèi)，考慮熱處理過程中可能引起的誤差，三種退火工藝硬度相差并不很大。GCr15球化退火后硬度在180HBS左右，因?qū)嶒?yàn)測量采用洛氏硬度計(jì)，在測量硬度時(shí)會(huì)存在很大的誤差。三種工藝淬火后三種工藝淬火后的硬度在5563HRC之間，樣品2硬度只有55.8HRC，其淬火程度并不高。一般鉻軸承鋼要求淬火后硬度不小于63HRC，目的是使得材料淬火加熱充分，

12、保證碳以及合金元素溶入基體的數(shù)量。如果淬火后達(dá)不到63HRC則說明淬火加熱不充分。只有保證了淬火硬度，最終硬度在5862HRC必然是經(jīng)過正確而充分的回火得到的，這樣防止并避免在熱處理工藝過程中“低淬低回”現(xiàn)象發(fā)生，確保零件應(yīng)有的內(nèi)在品質(zhì)。而工藝一就是典型的“低淬低回”現(xiàn)象，其最終硬度并不低但淬火硬度卻不高。解決方法：工藝一的淬火溫度860C已經(jīng)較高，沒有保護(hù)氣氛情況下易引起脫碳；淬火溫度高于850C，也會(huì)引起奧氏體粗化，且由于奧氏體中溶碳量大大增加而導(dǎo)致奧氏體穩(wěn)定性提高，使淬火后殘余奧氏體較多。提高其淬火硬度可采用延長保溫時(shí)間，可將淬火保溫時(shí)間由原本的20min延長至3040min，或能提高其

13、淬火硬度。三種工藝回火后三種工藝回火后硬度均在5559HRC范圍，工藝三硬度最低。GCr15鋼回火后硬度在60-63HRC，也有部分產(chǎn)品硬度在58-62HRC，可見工藝三得到的樣品9硬度偏離正常值，由樣品9金相組織可以看出組織正常。工藝三淬火后硬度值已經(jīng)偏低，故也應(yīng)適當(dāng)改善淬火工藝來提高淬火后硬度。解決方法:可將淬火保溫時(shí)間由20min延長至3040min,回火溫度降至160C或能提高回火后硬度值。2.金相組織當(dāng)用硝酸酒精為腐蝕劑時(shí)，單相組織都不會(huì)被腐蝕，光鏡下因鏡面反射而呈現(xiàn)白色；多相組織電極電位高者不會(huì)被腐蝕，電極電位低者被腐蝕，在兩相界面處形成腐蝕溝槽。一般地，殘余奧氏體是馬氏體轉(zhuǎn)變不完

14、全而保留至室溫的奧氏體組織，而奧氏體是單相組織，在光鏡下呈白色。回火后馬氏體呈暗色，馬氏體在奧氏體基體上生成，會(huì)有明顯的形態(tài)和邊界，未轉(zhuǎn)變的奧氏體會(huì)分布于馬氏體針間。工藝一觀察樣品1、4、7，可以看到退火態(tài)組織呈球狀，這為之后的加工處理做好了組織準(zhǔn)備；淬火后組織為馬氏體+粒狀碳化物+殘余奧氏體，馬氏體組織不存在粗大現(xiàn)象，殘奧主要存在針狀馬氏體之間；回火后可見粒狀碳化物、回火馬氏體、殘余奧氏體，其組織特征為有黑區(qū)和白區(qū)之分。黑區(qū)是以板條馬氏體為主的隱晶馬氏體，白區(qū)是以孿晶馬氏體為主的隱針馬氏體。工藝二觀察樣品2、5、8,可以看出退火態(tài)組織為密集細(xì)點(diǎn)狀，760C球化退火工藝很合理。淬火后正常組織為

15、隱晶馬氏體+粒狀碳化物+殘余奧氏體；正?；鼗鸷蠼M織為回火馬氏體+均勻分布的細(xì)粒狀碳化物+殘余奧氏體，馬氏體量占80%以上，碳化物量占510%，殘余奧氏體量占915%，工藝二得到組織符合要求。工藝三觀察樣品3、6、9，可以看出碳化物呈橢球狀，可以考慮延長正火時(shí)間。淬火后正常組織為隱晶馬氏體+細(xì)小結(jié)晶馬氏體+碳化物+殘余奧氏體，圖中可見細(xì)小馬氏體分布在殘余奧氏體上，滲碳體大多都溶入奧氏體中?；鼗鸷蠼M織為回火馬氏體+均勻分布的細(xì)粒狀碳化物+殘余奧氏體，回火消除了殘余應(yīng)力獲得了穩(wěn)定組織?？偨Y(jié)：從三種工藝最終組織來看工藝一中馬氏體較粗大，可能是過熱組織，工藝二、三都得到了細(xì)小隱晶馬氏體，說明適當(dāng)降低球化

16、退火溫度與淬火前保溫溫度是可取的。從樣品7看出工藝三的預(yù)備熱處理使碳化物并沒有很好的球化，從硬度測量結(jié)果也得到了佐證?？偟膩碚f，工藝二、三處理工件得到的結(jié)果要優(yōu)于工藝一，在硬度上可以看出工藝二較工藝三更優(yōu)，從組織上來說工藝二、三均為合格組織，而工藝一的淬火工藝是需要改進(jìn)的，工藝三的預(yù)備熱處理工藝也需要進(jìn)一步考量。3.xrd分析通過對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。通過分析數(shù)據(jù)，樣品均在2-Theta為44.484、64.777、81.983產(chǎn)生三強(qiáng)峰，分別對(duì)應(yīng)晶面（100）、（200）、（211）,與鐵鉻合金PDF#34-03

17、96卡片符合的很好。關(guān)于樣品3中FOM值為99.9作出如下解釋：Pdf卡片中三強(qiáng)峰所在位置：44.484、64.777、81.983樣品3三強(qiáng)峰所在位置：43.991、63.976、81.505XRD峰值出現(xiàn)向左小角度偏移，意味著晶格常數(shù)變大，這并不是摻雜原子引起晶格常數(shù)變化，很可能是存在宏觀殘余應(yīng)力引起的晶格畸變，存在殘余拉應(yīng)力時(shí)衍射峰向低角度發(fā)生位移。淬火后工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力是可理解的，但樣品3是經(jīng)過淬火回火的工件，此前也指出樣品3是“低淬低回”工藝下的產(chǎn)品，無論是其硬度還是組織都與正常情況存在偏差，當(dāng)然其內(nèi)部應(yīng)力情況與工藝或者淬火回火實(shí)際操作都相關(guān)，并不能完全否認(rèn)工藝一的可取性，仍需進(jìn)一步

18、進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。Cr1.36FeO.52Cr1.36FeO.520.0000.0000.0000.000UriromferideUhromiumronHHHHH.yf1D41-14HH.H、41-14Hb99.9?D41-1少:3HitsSortedonFigure-Of-MeritChemicalFormula|FOM|JDPDF-ttHits|ttd/l|%mm|IRIFISpaceGroupabc|z|QICSDttIIB434-LstainlesssteelFe-Cr12.6+D34-03960376-0.1200.59lm-3m(22912.8762.8762.87611Chrorri

19、ferid已(Fe.Cr)99.9V41-14660610.000Pm-3m(221)2.8592.8592.8591ChromiumIronCr1.36Fe0.5239.9?D41-122405：3HitsSort已donFigure-Of-Merit匚hemicalForrnulaFOMJDPDF-#Hitsttd/l1龕2T(0)RIRSpac已GroupabcZGCSDttllChrorriiurriIron:3HitsSortedonFigure-Of-MeritChemicalFormulaFOMIJDPDF-#|Hits|ttd/l|區(qū)I2TQIIFlIFl|SpaceGroup

20、|abcIzlGICSDttIB434-LstainlesssteelFe-Cr3.3+D34-03960381-0.0800.59lm-3m(22912.8762.8762.876匚hromferid已(Fe,Cr)101.5V41-14EE0E10.000Pm-3m(221)2.S592.8592.8591Chromiurri1roriCr1.36Fe0.52101.5?D41-12240510.000x3HitsSortedonFigure-Uf-Merit|iZhemicalFormularFOM|J|D|PDF-tt|Hits|ttd/l|%2T(0)|而|SpaceGroup|7b

21、|Z|G|CSDttl口434-LstainlesssteelFe-Cr7.7+D34-039603950.1000.59lm-3m(22912.8762.8762.8761Chrorriferid已(Fe.Cr)102.4V41-14660610.000Pm-3m2212.8592.8592.8591X3HitsSortedonFigure-Of-MeritChemicalFormulaFUMJDPDF-#Hitsttd/l2T0)FlIFlSpaceGroupabczGCSDttChromferideFeXr)93.AV41-146E；0610.000Pm-3m(221)2.8592.8592.8591ChromiumIronCr1.36Fe0.5299.9?D41-12240510.000；：3HitsSortedonFigure-Uf-Merit|Chemica