扈林庄1,15钢组织结构发生改变15

碳氮共渗GCr15钢的组织与性能

胡林庄1,2,3，王珊珊1,2,3，王浩1,2,3，张震1,2,3，

程斌1,2,3

（1.洛阳轴承研究院有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039）

摘要：对高碳铬轴承钢GCr15进行碳氮共渗，从显微组织、硬度、残余奥氏体、应力状态等方面研究其组织和性能。环表面可获得深度约0.40mm的碳氮共渗层。 内圈表面组织为弥散分布的碳氮化物组织，显微组织（晶粒度）为8级； 内圈表面层含量大于20%。 残余奥氏体随回火温度升高而减少； 表层呈现压应力状态，成品内圈表面可获得一定深度的压应力层。

关键词：滚动轴承； 高碳铬轴承钢； 碳氮共渗； 硬度; 微观结构； 残余奥氏体； 压力

GCr15钢是滚动轴承应用最广泛的材料。 GCr15钢轴承最常见的失效模式是疲劳损伤。 为了解决轴承过早疲劳失效的问题，提高轴承的性能和寿命，有必要研究高纯度轴承钢技术； 研究轴承的疲劳机理：轴承行业发达国家对轴承疲劳机理的研究已从第一种“内部起源型为主”转变为第二种“表面起源型为主”，其中白色组织称为“内部起源型”。第三类疲劳机理也得到普遍认可[1]，文献[2-3]指出可以选择高洁净钢或通过高强韧热处理技术和高保持力来提高轴承的使用寿命。奥氏体热处理技术，目前GCr15钢可以通过表面变质工艺改变组织，提高表面硬度，可以获得表面耐磨性较高的轴承零件，精密高耐磨GCr15钢轴承可以生产。

碳氮共渗是通过将碳原子和氮原子同时渗入零件表面，有效改善零件表面性能的表面改性工艺。 文献[4]指出，碳氮共渗工艺可以有效提高表面下残余奥氏体含量和表面硬度，改善表面应力状态。 本文研究了碳氮共渗在特定工艺参数下对GCr15钢轴承内圈磨削后内圈组织、残余奥氏体、晶粒尺寸、回火硬度和应力分布特征的影响，对实际生产有所帮助。 在制造过程中有效控制碳氮共渗后的轴承零件的质量。

1 试验 1.1 试验材料

以GCr15钢制成的角接触球轴承内圈为研究对象，从内圈上以90°间隔切出两个样品，分别标记为1#和2#，样品尺寸为φ5.5 mm × 6 毫米。 采用SPERTRO/LAB直读光谱仪和氧氮分析仪对样品的化学成分进行分析，如表1所示。

表1 GCr15钢内圈化学成分质量分数

表1 GCr15钢内圈化学成分质量分数 %

1.2 测试方法

采用预备热处理细化锻件组织后，对角接触轴承的内圈进行车削加工。 预备热处理工艺为：(890±5)℃保温40～60分钟，然后雾冷至(400±10)℃，然后加热在(790±5)℃保温3小时，冷却至( 720±5)℃，等温球化4小时，然后炉冷至300℃以下出炉空冷。 车削后，采用多用箱式炉生产线，在氮气+氨气+甲醇+丙烷气氛下进行碳氮共渗。 温度为（825~850）℃±5℃，时间6h，碳势1.1%~1.2%，冷却方式为110℃等温油冷，内圈清洗后回火。 回火温度分别为170、220、350、480℃。 碳氮共渗热处理工艺曲线如图1所示。

碳氮共渗后，对内圈进行纵向切割、磨削和抛光，分别用4%硝酸酒精溶液和晶粒尺寸蚀刻液（4%苦味酸酒精溶液）蚀刻试样的显微组织和晶粒尺寸。 ; 使用OLYMPUS光学显微镜分析样品浸润层的形貌和结构； 使用DM-8B维氏硬度计测量试样硬化层的深度和硬度梯度； 采用X-350A型X射线应力计检测试样奥氏体含量的应力和残余应力。

图1 GCr15钢内圈碳氮共渗热处理工艺曲线

图1 GCr15碳氮共渗热处理工艺曲线

钢内圈

2 结果与分析 2.1 碳氮共渗层化学元素变化

GCr15钢内圈经过(830±5)℃碳氮共渗后化学成分，氮含量明显增加，其他成分符合GB/T 18254-2016《高碳铬轴承钢》的要求。

表2 GCr15钢内圈碳氮共渗后化学成分质量分数

表2 GCr15钢内圈碳氮共渗后化学成分质量分数 %

在气氛组成中，丙烷为渗碳剂，氨为渗氮剂。 通过控制气氛炉内碳势高于轴承钢基体碳含量，保证碳原子和氮原子向基体渗入。 碳氮共渗气氛的化学反应是

CH4+NH3→HCN+3H2,

CO+NH3→HCN+H2O，

2HCN→H2+2[C]+2[N],

式中：CH4为丙烷的分解组分； HCN是丙烷与氨在炉内反应新生成的氢氰酸。

炉内气氛分解产生活性碳原子和氮原子，被内圈表面吸收，形成碳氮共渗表面层，从而改变内圈表面层的化学成分。

2.2 碳氮共渗后试样的显微组织

碳氮共渗后内圈的显微组织如图2所示。表面显微组织由细针状含氮马氏体、残余奥氏体和大颗粒碳氮化物组成； 心部组织符合GB/T 34891-2017《滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》调质马氏体4级组织。

(a)(830±5)℃×6小时中心

(b) (830±5)℃×6 h表层

(c) (850±5)℃×6 h表层

图2 GCr15钢内圈碳氮共渗后碳氮化物组织形貌（×500）

图2 GCr15钢内圈碳氮共渗后碳氮化合物的显微组织形貌

碳氮共渗后，可以观察到内圈表面有一层致密分布的碳氮化物，并在亚表面分散有一定深度的碳氮化物。 渗碳层中碳化物颗粒的尺寸明显大于中心正常碳化物颗粒的尺寸。 ，这些碳氮化合物具有色散强化作用。 通过对比图2b和图2c的组织可以看出，当碳氮共渗温度较高时，碳氮化物颗粒会变得粗大、角质化，从而降低材料的断裂抗力，使后续加工容易产生裂纹。 应该受到控制。

在生产实践中，应合理控制碳氮共渗的温度、时间、碳势和渗氮剂流量。 在保证基体组织的前提下，零件表面会产生一定深度的碳氮化物层。 通过选择适当的磨削余量，可使成品零件的工作表面弥散一定粒度的碳氮化物层。 ，从而提高轴承的性能。

2.3 碳氮共渗对表面残余奥氏体含量的影响

内圈经（830±5）℃×6 h碳氮共渗后，采用等温油淬冷却，清洗后回火。 回火工艺分别为170℃×4h和230℃×4h。 分别测定碳氮共渗后内圈表面和心部的残余奥氏体含量。 如图3所示，表层残余奥氏体含量大于心部残余奥氏体含量，高于GB/T 34891-2017规定的常规环。 轴承零件经调质处理后残余奥氏体含量不得超过15%。

图3 不同回火条件下碳氮共渗对残余奥氏体含量的影响

图3 不同回火条件下碳氮共渗对残余奥氏体含量的影响

当在受污染的润滑条件下发生表面起源剥落时，首先会形成压痕。 尺寸越大，边缘曲率越小，应力集中越大，轴承寿命越低。 残余奥氏体容易变形。 当表层残留奥氏体较多时，可以减少压痕的边缘效应，阻碍疲劳源的形成和扩展，从而提高轴承寿命[5-7]。

高碳铬轴承零件的热处理方法一般为整体马氏体淬火。 淬火后，零件整个断面都存在残余奥氏体，当残余奥氏体发生转变时，会引起较大的尺寸变化； 但碳氮共渗后，残余奥氏体仅在零件表层较多，心部较少，因此残余奥氏体总量不大，尺寸稳定性变化较小。 通过设计合适的成品零件碳氮共渗层深度，可以使零件表面的残余奥氏体含量保持在较高水平，提高轴承零件的接触疲劳性能。 残余奥氏体的允许含量应根据轴承零件的具体使用条件和性能要求确定。 主要考虑的是轴承尺寸精度。 当轴承失效的主要原因是尺寸精度损失，很少是疲劳剥落或其他形式时，则需要更高的尺寸精度。 零件调质后应符合GB/T 34891-2017的要求。 建议P4级轴承控制表层残余奥氏体含量不超过15%，心部残余奥氏体含量不超过5%。 当轴承的主要失效模式为疲劳剥落时，在运行过程中需要承受较大的载荷，往往承受较大的冲击载荷，这就要求轴承具有较高的承载能力和一定的韧性。 对于尺寸精度的要求是次要的，因此零件在热处理后应保留一定含量的残余奥氏体，以提高轴承的接触疲劳性能和韧性。

2.4 碳氮共渗对晶粒尺寸的影响

由于GCr15钢的碳氮共渗比传统的马氏体淬火和回火工艺需要更长的时间，因此对内圈进行预备热处理以细化组织。 碳氮共渗前内圈奥氏体晶粒尺寸为9级（图4a）。 内圈采用（830±5）°C 的碳氮共渗工艺，与时间相关。 虽然GCr15钢是本质上细晶粒的钢，但当温度为800～900℃时，随着加热温度的升高和保温时间的增加，奥氏体晶粒会出现一定程度的粗化。 其原因是，随着内环表面奥氏体含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速率增大，奥氏体晶粒长大的倾向变大； 然而，碳氮共渗后，碳以残余渗碳体的形式存在，阻碍了晶界的移动，降低了长大的趋势； 碳氮化物向钢中的渗透也在一定程度上阻碍了奥氏体晶粒的长大。

(a) 碳氮共渗前的9级晶粒尺寸

(b) 碳氮共渗后的 8 级晶粒尺寸

图4 GCr15钢内圈晶粒度

图4 GCr15钢内圈晶粒尺寸

2.5 不同回火工艺后内圈的硬度

内圈经（830±5）℃×6 h碳氮共渗后，用110℃等温油淬火清洗，然后回火。 回火工艺为170℃×4h、220℃×4h、350℃。 ×1 h，480 ℃ ×1 h，不同回火工艺后内圈的硬度如图5所示。

图5 GCr15钢内圈不同回火工艺后硬度梯度对比

图5 GCr15钢内圈不同回火工艺后硬度梯度对比

经170℃回火（常规回火）后，内圈表面硬度为824 HV1（64.9 HRC），心部硬度为765 HV1（62.8 HRC）； 经220℃回火后，内圈表面硬度为779 HV1（63.3 HRC），心部硬度为710 HV1（60.6 HRC）。 这说明碳氮共渗提高了内圈表面的硬度和耐磨性，使其在运行过程中不易形成压痕，从而提高了轴承的寿命。 经350℃回火后，内圈表面硬度为692 HV1（59.6 HRC），心部硬度为606 HV1（55.5 HRC）； 经480℃回火后，内圈表面硬度为612 HV1（55.6 HRC），心部硬度为612 HV1（55.6 HRC）。 内部硬度为 433 HV1 (44.7 HRC)。 随着回火温度的升高，表面与心部的硬度差增大。

从试验结果可以看出，在相同的淬火温度和回火温度条件下，常规马氏体工艺为：（830±5）℃×1 h淬火+170℃×4 h，热处理后表面硬度为64 HRC，回火后硬度为62 HRC。 与常规马氏体淬火、回火相比，GCr15钢的碳氮共渗提高了零件的表面硬度，并形成了一定深度的硬化层。 碳氮共渗层深度约为0.40毫米（从零件表面到硬度值550HV1的垂直距离）。 产生上述高表面硬度效果的原因是碳氮共渗后，氮原子在淬火加热过程中固溶于γ-Fe中，形成固溶体含氮马氏体。 通过固溶强化的作用，使轴承钢变得强化； 回火过程中一些未溶解和析出的细小碳氮化物会弥散分布在马氏体基体上，通过弥散强化对轴承钢进行强化[8]。 淬硬层中分布密集的碳氮化物硬度高，因此淬硬层具有高的抗回火稳定性。

同时，试验表明，随着回火温度的升高，表面和心部的硬度差异变得更加明显。 当回火温度为480℃时，表面和心部的硬度（10.9 HRC）差异更加明显。 这种硬度特性的变化有利于碳氮共渗硬化层深度的确定。

2.6 碳氮共渗对内圈应力状态的影响

将经过常规马氏体热处理工艺和碳氮共渗后的同一内圈磨削为成品，检测内圈表面和不同深度的应力状态分布。 如图6所示，碳氮共渗内圈表层应力为压应力。 磨削后，可在沟道表面获得一定深度的稳定压应力层，而常规马氏体工艺磨削后内圈沟道表面压应力层较浅。

(a) 传统马氏体精加工内圈

(b) 碳氮共渗精加工内圈

图6 成品内圈应力分布

图6 内圈成品应力分布

在正常工作载荷条件下，无论是球轴承还是滚子轴承，其最大剪应力点都在表面以下0.005～0.500mm的范围内。 改善轴承零件表面以下0.005~0.200mm处的残余压应力是提高轴承使用寿命和可靠性的关键。 碳氮共渗后的成品件工作表面产生压应力，可有效提高轴承寿命。 这是因为：碳氮共渗后，表层碳、氮含量增加，使表层马氏体Ms点降低。 表层的应力状态在淬火过程中发生变化，形成表面压应力。 由于表面压应力的产生，提高了轴承的耐磨性和滚动接触疲劳性能； 碳氮共渗后形成细小的碳化物或碳氮化物，提高零件表面耐磨性能。 ，减少了新鲜活性金属和氢气生成的概率，同时较高水平的残余压应力阻碍了氢气的渗透和扩散，提高了异常白组织剥落轴承的寿命[4,9]。

3 结论

通过碳氮共渗高碳铬轴承钢GCr15钢，从显微组织、不同回火工艺条件下的硬度变化、残余奥氏体含量、晶粒尺寸、应力状态等方面得到以下结论：

1）GCr15钢内圈碳氮共渗后，表面可获得深度约0.40mm的碳氮共渗层。 表层碳氮含量高于芯部，表面硬度高于芯部。 共渗层具有较高的抗回火性能，这种组织硬度有利于提高轴承的耐磨性和滚动接触疲劳性能。

2）GCr15钢内圈碳氮共渗后，表面得到弥散的碳氮化物，而心部组织为合格的马氏体调质组织，晶粒尺寸为8级。

3）GCl5钢内圈碳氮共渗后，表层残留奥氏体含量大于20%； 残余奥氏体含量随回火温度升高而降低； 230℃回火后，残余奥氏体含量小于5%。

4）GCr15钢内圈碳氮共渗后，表层呈现压应力状态，同时保留大量稳定的残余奥氏体特性。 磨削后，可在成品内圈表面获得一定深度的压应力层。

结尾

参考：

[1] 杨晓伟. 滚动轴承产品技术发展现状及方向[J]. 轴承，2020（8）：65-70。

[2]徐祖耀. 钢材热处理新工艺[J]． 热处理，2007，22(1)：1-11。

[3]钟顺嗣，王长胜。 轴承钢[M]． 北京：冶金工业出版社，2000：539。

[4] 赵坤，张国伟，朱洪峰。 碳氮共渗预处理对球轴承寿命的影响[J]. 轴承，2018（10）：34-37。

[5]刘耀中，张松。 汽车轴承材料及热处理长寿命技术[J]． 轴承，2010（9）：51-55。

[6]BESW CKJ M.淬硬52100轴承钢的断裂韧性和疲劳裂纹扩展特性[Z]∥国外轴承材料的热处理。 洛阳：洛阳轴承研究所，2001：35-44。

[7]刘耀忠，左传福。 轴承钢零件淬火回火后的残余奥氏体[J]. 轴承，2008（6）：48-51。

[8] 郑世安，于宗汉. GCl5钢喷嘴的高浓度碳氮共渗[J]． 热处理技术，1988(1)：28-32。

[9] 刘耀中，侯万国，王玉良，等。 滚动轴承材料及热处理的进展与展望[J]. 轴承，2020（2）：54-61。

碳氮共渗GCr15钢的组织与性能

胡林壮1,2,3,王珊珊1,2,3,王浩1,2,3,张震1,2,3,程斌1,2,3

（1.洛阳轴承研究院有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039 ）

摘要：对高碳铬轴承钢GCr15进行碳氮共渗。 从组织、硬度、残余奥氏体、应力状态等方面研究了碳氮共渗钢的组织和性能。 结果表明，碳氮共渗后，GCr15钢内圈表面可获得深度约0.40 mm的碳氮共渗层，内圈表面组织由弥散分布的碳氮化合物组成，组织（晶粒尺寸）为8级；内圈表层有残余奥氏体，含量大于20%，随回火温度的升高而减少； 表层呈现压应力状态，成品内圈表面可获得一定深度的压应力层。

关键词：滚动轴承； 高碳铬轴承钢； 碳氮共渗； 硬度; 微观结构； 残余奥氏体； 压力

CLC分类号：TH133.33；TG156.8+2

文档代码：B

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2023.07.011