周丽娜，王文雪，刘宇，刘璐莹，杨晶

(中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025)

GCr15(国外牌号52100或100Cr6等)是一种高碳低合金轴承钢，具有优异的硬度、耐磨性以及抗疲劳性能，被广泛应用于航空发动机、高速列车、船舶等各个工业领域的轴承制造中[1-3]。GCr15材料中碳含量约为1.0%(质量分数，下同)，主要合金元素Cr含量约为1.5%。对GCr15轴承钢而言，其常规热处理工艺为淬火加一次回火：淬火温度为830～860 ℃[4-7]，淬火后其显微组织主要由马氏体、 残余奥氏体及渗碳体组成[8-9]； 回火作为最终热处理步骤对GCr15材料性能至关重要，依据其回火温度区间分为低温回火(150～<200 ℃)和高温回火(200～300 ℃)，回火后显微组织主要由回火马氏体、少量残余奥氏体和碳化物组成。另外，当对轴承尺寸稳定性要求较高时，需在淬火后增加一次冷处理以降低残余奥氏体含量。

GJB 269B—2012《航空滚动轴承通用规范》指出当作为航空轴承使用时，即便GCr15套圈需进行高温回火(200～250 ℃)，钢球(直径≤25 mm)亦可直接采用低温回火处理以保证获得最优异的硬度和耐磨性。然而，当航空轴承遇到润滑不良等问题时，可能导致其工作温度短时升高，一旦超过钢球低温回火温度，可能带来材料显微组织变化，进而引起硬度降低、尺寸变化等问题。尽管GCr15轴承最高使用温度可达204 ℃，长期稳定使用温度上限为150 ℃[10-11]；但工作温度短时超过GCr15钢球回火温度时的显微组织以及硬度变化情况未见相应研究。因此，研究低温回火GCr15钢球的短时耐高温能力，即钢球显微组织及硬度随不同工作温度、时间的演化规律，对轴承设计选材及其热处理工艺优化具有重要指导意义。

1 试验

1.1 试样

试样为直径9.525 mm的冷冲压GCr15钢球，钢球用直径为7.0 mm 的棒材加工而成，硬度为8.0～15.2 HRC，其化学成分见表1。棒材原始组织为球化退火态，即粒状珠光体组织。

表1 GCr15钢化学成分

1.2 试验方案

设计GCr15钢球热处理工艺为：淬火及一次低温回火，其中淬火温度为840 ℃，保温30 min；回火温度为150 ℃，保温120 min，具体工艺如图1所示。

图1 GCr15钢球热处理工艺

为验证工作温度超过回火温度时GCr15钢球显微组织及硬度的变化，模拟轴承使用工况(其中高温硬度测量的试验条件可以模拟轴承短时高温状态)，设定试验温度为180，200，230，250 ℃，4档温度下分别保温10，20，30，60，120 min以测量其显微组织及硬度。钢球的保温过程利用鼓风干燥箱进行，使用温度上限为300 ℃；保温后钢球进行线切割及机械研磨抛光后，用4%硝酸酒精进行腐蚀，并利用金相显微镜(NIM-910)以及扫描电子显微镜(SUPRATM55)进行显微组织观察；物相分析利用X射线衍射仪(Bruker D8 A，Co靶材)，扫描范围45°～115°，步距为0.02°/s，积分时间为0.4 s，并依据国标YB/T 5338—2019《钢中奥氏体定量测定X射线衍射仪法》进行残余奥氏体含量计算；保温后GCr15钢球的室温硬度采用洛氏硬度计(HR-150G)进行测试；热处理后GCr15材料在不同温度下的高温硬度采用高温硬度计(ZD-HVZHT-10)进行测试。

2 工作温度和保温时间对GCr15钢 球显微组织的影响

2.1 淬回火处理后GCr15钢球显微组织特征

退火态GCr15钢球原始组织为粒状珠光体，由铁素体和球状碳化物组成[12-13]。利用图1所示工艺对GCr15钢球进行热处理，并利用XRD对其进行物相分析，结果如图2所示。可以看出，经淬火及低温回火后GCr15钢球组织由回火马氏体、残余奥氏体及未溶解渗碳体组成，依据YB/T 5338对其残余奥氏体含量进行了计算，结果为8.8%。

图2 热处理后GCr15钢球XRD图谱

分别利用金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对热处理后GCr15钢球进行了组织分析，结果如图3所示。由图3a可以看出，经淬火及低温回火处理后，GCr15钢组织呈现3种衬度，白色区(圆圈所示)为未溶解渗碳体(Fe3,Cr)3C，黑色区(黄色箭头所示)为隐针马氏体，灰色区(红色箭头所示)为细小针状马氏体和残余奥氏体[14]。存在2种耐腐蚀性不同的隐针与细小针状马氏体的主要原因为GCr15钢球中渗碳体稳定性不同，其中含Cr元素较高的(Fe,Cr)3C稳定性较强，奥氏体化保温过程中不易溶解，导致该区域奥氏体中含C及Cr元素较低，Ms点较高，淬火得到的马氏体易发生回火，耐蚀性较差，呈现黑色；反之含Cr元素较低的(Fe,Cr)3C区域马氏体耐蚀性相对较优，被侵蚀程度较轻，呈现灰色[15]。此外，由于残余奥氏体为单相组织，不易侵蚀，亦呈现灰色。

(a)OM下的钢球显微组织

2.2 工作温度对GCr15钢球显微组织的影响

对GCr15钢球分别于180，200，230，250 ℃下保温60 min，并利用XRD进行物相分析，结果如图4a所示：观察奥氏体峰A(200)，A(220)和A(311)可以看出，经180，200 ℃保温60 min处理后，GCr15钢球残余奥氏体峰的相对强度变化不大，升高温度至230，250 ℃时，残余奥氏体峰相对强度明显降低。对不同温度处理后GCr15钢球残余奥氏体分解量进行了计算，结果如图4b所示：随着工作温度逐渐升高，残余奥氏体分解量逐渐增加。当180 ℃下保温60 min时，残余奥氏体几乎不发生分解，250 ℃保温60 min时，残余奥氏体分解量超过5%，与残余奥氏体衍射峰的相对强度变化趋势一致。主要是由于温度升高使碳原子扩散能力增强，导致残余奥氏体分解能力逐渐增强。

(a)XRD图谱

除物相分析外，还利用OM对180，200，230及250 ℃保温60 min处理后GCr15钢球的金相组织进行了观察，结果如图5所示。对比图3a与图5d可以看出，低温回火后GCr15钢球即使在250 ℃下保温60 min，其金相组织亦无明显变化，依然呈现白色区、黑色区和灰色区3种衬度。但结合XRD

(a) 180 ℃

结果可知，随着工作温度的升高，灰色区组织发生了变化：当工作温度为180，200 ℃时，灰色区组织与低温回火后组织相同，为细小针状马氏体和残余奥氏体；而当工作温度升高至230，250 ℃时，残余奥氏体分解，灰色区组织主要为细小针状马氏体。

为进一步分析不同工作温度对GCr15钢球显微组织的影响，利用SEM对不同工作温度保温处理后钢球显微组织进行了观察，结果如图6所示。GCr15钢球经180，200 ℃保温60 min处理后，显微组织无明显变化，与图3b中原始组织基本相同，主要由未溶解渗碳体、残余奥氏体和回火马氏体组成。而经230，250 ℃保温60 min后，钢球显微组织发生变化：1)图6a中未被侵蚀区域减少，即残余奥氏体发生分解，含量减少；2)回火马氏体中析出短“绒毛状”物质，应为Fe3C[16-17]。

(a)180 ℃

2.3 保温时间对GCr15钢球显微组织的影响

对GCr15钢球而言，其显微组织随保温时间的演化规律亦是其能否正常工作的重要判定依据。对不同工作温度下分别保温10，120 min后的钢球进行了物相分析，结果如图7a所示：当工作温度为180 ℃时，残余奥氏体峰A(200)相对强度变化不大；升高工作温度至200 ℃时，A(200)相对强度随保温时间延长略有降低；当工作温度不低于230 ℃时，残余奥氏体峰的相对强度随保温时间的延长明显降低。对不同保温时间下残余奥氏体分解量进行了计算，结果如图7b所示：当工作温度为180 ℃时，残余奥氏体分解量较低，且保温时间对其影响不大；随着工作温度的升高，残余奥氏体分解量随保温时间延长逐渐增大。值得注意的是，文献[18]认为GCr15材料在230 ℃下回火保温120 min时，残余奥氏体几乎完全分解；但结合图7发现，正常淬回火后的GCr15钢球在230 ℃保温120 min后依然存在少量残余奥氏体。这是由于150 ℃回火时会发生“碳分配”效应[19]，即碳由过饱和马氏体扩散至残余奥氏体，增加了其热稳定性，当工作温度为250 ℃时，保温时间延长至120 min后，残余奥氏体分解量达7.3%。

(a)XRD图谱

利用SEM对GCr15钢球经180，200，230，250 ℃下不同保温时间的显微组织进行观察分析，结果如图8所示。180，200 ℃下保温处理后的特征类似，显微组织主要由残余奥氏体、回火马氏体及未溶解碳化物组成，未观察到明显析出。不过，观察不到明显析出可能是无析出或析出碳化物尺寸过于细小。230 ℃下保温10，120 min后的显微组织可以看出，保温时间为120 min时已可以在马氏体中观察到少量Fe3C析出。250 ℃下保温10，120 min后GCr15钢球显微组织演化情况表明，随着时间的延长，Fe3C析出量逐渐增加。

(a)180 ℃下保温10 min (b) 180 ℃下保温120 min

3 工作温度和保温时间对GCr15钢球硬度的影响

3.1 GCr15钢球室温硬度

经正常淬回火处理后，GCr15钢球室温硬度在62.5～64.0 HRC之间， 对各工作温度下不同保温时间处理前后钢球室温硬度进行了测量，对应硬度值降低情况如图9所示。可以看出，当工作温度为180 ℃时，不同保温时间对钢球硬度影响不大，即使保温时间达120 min，其室温硬度亦基本不变，结合图4和图6显微组织转变结果可知，这主要是因为180 ℃下GCr15钢球显微组织基本不发生退化；当工作温度为200 ℃时，随着保温时间的延长，硬度降低值逐渐增大，保温时间为120 min时硬度下降1.9 HRC；当工作温度升高至250 ℃时，随着保温时间的延长，硬度逐渐下降，保温时间为120 min时硬度下降3.1 HRC，结合显微组织分析可知，这主要是由于保温过程中碳化物析出，马氏体含碳量降低导致。值得注意的是，200 ℃保温120 min时，SEM未观察到明显碳化物析出，推测是由于析出碳化物尺寸过小导致，且文献[20]也证实GCr15材料在200 ℃回火120 min后可析出ε碳化物。

图9 工作温度和保温时间对GCr15钢球室温硬度的影响

3.2 GCr15钢球高温硬度

GCr15材料经150 ℃回火后高温硬度测试结果如图10所示，低温回火后GCr15材料室温硬度为63.2 HRC，随着温度升高，高温硬度整体呈逐渐降低趋势。当工作温度为100 ℃时，其硬度值相较于室温硬度降低并不明显，依然可达62.8 HRC；当工作温度不低于120 ℃时，GCr15材料硬度降低趋势增大；160 ℃下高温硬度为58.4 HRC；继续升高工作温度至180 ℃时，高温硬度降低至56.0 HRC。对航空轴承而言，通常当其某一温度下硬度值满足不小于58 HRC时，可认为轴承在该温度下能保持全寿命[11,21-22]。结合不同工作温度下GCr15钢球显微组织及室温硬度演化规律可知，工作温度为180 ℃时，即使保温时间达120 min，其显微组织并无明显变化，且室温硬度亦未下降。因此，尽管低温回火后GCr15钢球在180 ℃下无法保持全寿命，但是依然可以满足短时服役需求。

图10 GCr15材料高温硬度

4 结论

研究了工作温度超过回火温度(150 ℃)时GCr15航空轴承钢的组织及硬度演化情况，主要结论如下：

1) 当工作温度为180 ℃时，GCr15钢球中残余奥氏体基本不发生分解，无明显碳化物析出，且硬度无下降趋势；工作温度升高至200 ℃时，随着保温时间延长至120 min，GCr15钢球中残余奥氏体发生轻微分解，析出少量碳化物，硬度相较于原试样下降1.9 HRC。

2) 当工作温度为230～250 ℃时，随着保温时间的延长，GCr15钢球残余奥氏体分解量逐渐增加，碳化物析出量逐渐增大，硬度逐渐下降。

3) 高温硬度测试结果表明，低温回火后GCr15材料的室温硬度不小于63 HRC时，不高于160 ℃时的高温硬度不小于58 HRC，满足全寿命要求。

4)结合不同工作温度下显微组织及室温、高温硬度演化规律可知，低温回火后的GCr15材料在180 ℃的工作温度下可以满足短时服役需求。