荣治明 蒋月静

摘 要：本文首先说明了GCr15高碳铬轴承钢最终热处理方案，分析残余奥氏体在淬火钢中的形成机理；继而，阐述残余奥氏体含量对进行热处理零件性能的影响，分析了影响原理，及其控制方法；最后，介绍钢中残余奥氏体含量的测定方法。

关键词：高碳铬轴承钢；残余奥氏体；下贝氏体；马氏体

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.016

GCr15作为高碳铬轴承钢的代表钢种，因较低的合金含量、优异的性能而广泛应用于制造中、小型轴承，还可以制造冷冲模、精密模具、机床丝杠等。目前国内对GCr15轴承钢的最终热处理所常采用：方案一是860℃油淬及160 ±5℃进行（2至4h）回火工艺。GCr15轴承钢在经过淬火处理后，其显微组织为隐晶马氏体基体，同时得到奥氏体晶粒，并在上面分布着均匀细小的碳化物。经过低温回火后，显微金相组织为回火马氏体，碳化物和残余奥氏体均匀分布，如图1所示，硬度61～65HRC。方案二是选用工艺为240 ℃贝氏体等温淬火处理，下贝氏体组织能提高高碳铬轴承钢GCr15的屈服强度、抗弯强度和断面收缩率等，下贝氏体组织与淬回火马氏体组织相比，前者具有更高的冲击韧性、断裂韧性及尺寸稳定性，表面应力状态为压应力；经过 160 ℃预先淬火，之后进行 240 ℃贝氏体等温处理过程中可得到马氏体+贝氏体复合组织，这样的贝氏体变温处理以后其组织由下贝氏体、马氏体和残余碳化物组成，如图2所示，具有20～30%的下贝氏体+马氏体复合组织具有最佳的强韧性配合[1]。

残余奥氏体的含量多少与轴承钢零部件的性能、失效行为等密切相关，一直以来，人们对GCr15轴承钢淬火、回火处理后残余奥氏体体积含量，给予了极大的关注，残余奥氏体含量对进行热处理零件性能的影响：

1 尺寸的稳定性

GCr15轴承钢尺寸稳定性可分两个方面。一方面，热处理前后尺寸变化量，被称为热处理过程中稳定性，另一方面，通常由残余奥氏体量和残余奥氏体含碳量来表征服役过程中稳定性，当奥氏体的冷却速度大于vk并过冷到Ms以下时，就开始发生马氏体转变 [2]。由于GCr15轴承钢的马氏体转变Mf点是处在较低的温度，普通的淬火跟随低温回火的热处理工艺处理，通常得到的残余奥氏体一般在15%以上（体积分数），含量比较高，进行低温回火时，亦不易分解。因此，较高含量的残余奥氏体对尺寸稳定性要求较高的精密轴承来说是不利的。轴承成品零件在库存堆放一定时间后，如果热处理后组织中残余奥氏体量較多，也会导致由残余奥氏体转变引起的尺寸胀大现象。

要达到减少残余奥氏体的含量，使零件尺寸稳定化的目的，应进行必要的冷处理，残余奥氏体的缓慢转变随之发生。试样经过不同工艺处理后结果表明，残余奥氏体在低温下（低于室温）是不稳定成分，对于轴承零部件的尺寸改变量影响，贝氏体转变工艺的影响低于马氏体淬火、回火转变的影响，可知，采用不同程度的贝氏体转变可以提高GCr15轴承钢尺寸稳定性[3]。

2 疲劳寿命

高碳铬轴承钢GCr15采用深冷处理的疲劳寿命并不高，反而是部件进行200～250℃热液淬火时，当其中残余奥氏体量在15%左右时，零件的疲劳寿命略有增加[4]；此外采用等温淬火工艺时，获得完全下贝氏体组织基体的轴承的使用寿命，也不低于马氏体基体的轴承的寿命，文献中已经指出了材料热处理后有9%残余奥氏体的疲劳寿命最高，可以利用及发挥残余奥氏体在5～10%时影响疲劳寿命，对轴承寿命影响有益的作用[5]。

关于含量较高的残余奥氏体适量提高轴承部件疲劳寿命的原因有如下解释：

（1）使用中的轴承部件在外加交变接触应力的作用下，导致残余奥氏体诱发产生马氏体相变，从而提高相变区域的基体硬度，而次表面的最大切应力处正处于发生相变之区域内，从而相应的提高了轴承钢GCr15疲劳寿命[6]。

（2）残余奥氏体可以通过松弛裂纹尖端应力，来对细微裂纹起阻止或缓和作用，这恰恰与残余奥氏体特性有关。

研究表明，亚稳态奥氏体的力学表征是精确捕获典型载荷下微机械行为的重要组成部分。传统的机械表征技术不能离散地量化奥氏体的微机械响应，因此，计算预测很大程度上依赖于奥氏体相的试验和误差或定性描述。为了克服这一点，采用原位中子衍射法，结合晶体塑性模型，可以成功地预测轴承钢的微观力学和宏观力学响应，同时考虑残余奥氏体的马氏体相变。

参考文献：

[1]弓自洁，曹必刚.GCr15轴承钢的热处理发展动向[J].金属热处理，1992（09）：3-6.

[2]杨光华.轴承钢中残留奥氏体含量与热处理的关系[J].金属加工（热加工），2014（09）：69.

[3]孔永华，袁俊，常鹏鹏，李思贝，朱世根.减少GCr15轴承钢领热处理变形的工艺研究[J].热加工工艺，2015，44（10）：201-203.

[4]李凡.GCr15轴承钢热轧及球化退火组织性能研究[D].东北大学，2014.

[5]柴泽.GCr15轴承钢残余奥氏体定量测试标样制备方法及其关键技术研究[D].机械科学研究总院，2014.

[6]王洪刚.GCr15轴承钢的接触疲劳寿命影响因素[J].黑龙江冶金，

2009，29（04）：1-3+6.