王 桂

(宝塔实业股份有限公司，银川 750021)



淬火介质对GCr15钢力学性能和显微组织的影响

王 桂

(宝塔实业股份有限公司，银川 750021)

通过对GCr15钢进行盐浴淬火和油浴淬火后，研究不同淬火介质及淬火方式对GCr15钢力学性能、硬度、显微组织的影响。结果表明：采用盐浴淬火比油浴淬火，其抗拉强度提高3.31%，冲击韧性降低1.16%、硬度降低0.89%，显微组织更细小。盐浴淬火与油浴淬火GCr15钢材料总体性能相当，采用盐浴淬火工艺可有效替代油浴淬火工艺。

GCr15钢；淬火介质；力学性能；显微组织

0 引言

GCr15钢是过共析钢，由于Cr的加入，除了增加钢的淬透性外，在钢中部分溶于铁素体，部分溶于渗碳体，形成较稳定的合金渗碳体(Fe、Cr)3C。含Cr的合金渗碳体在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经过热处理后，可以得到较细的组织，碳化物能以细小质点均匀分布于钢中，Cr也可以提高马氏体的低温回火稳定性，因此在淬火和低温回火后能得到均匀、高的硬度，有效地提高钢的耐磨性并使钢具有高的强度[1-4]。Cr的加入，同时降低了碳在奥氏体中的溶解度，使共析点“S”左移。GCr15钢冷却大时，在淬火温度小于245 ℃，由于C的扩散能力较小，C在铁素体里扩散比在奥氏体里扩散容易，碳化物在过饱和铁素体片上析出，显微组织呈针状下贝氏体，具有硬度、强度高，韧性好的综合机械性能指标[5-9]。就冷却曲线而言，油存在蒸汽膜阶段，而盐没有，盐的高温区域冷速较快，低温冷速慢，只是盐浴淬火高温区冷速比油快[10]。

目前，淬火油的价格日益上涨，为了节约成本，盐浴淬火的应用越来越广泛，为此，研究GCr15钢采用不同淬火介质对材料硬度、显微组织、力学性能等的影响，为不同淬火介质选用提供参考和依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用等温盐浴淬火和光亮淬火油对GCr15钢进行淬火。等温盐浴淬火剂采用50%KNO3+50%NaNO2+2%H2O(均为质量分数)，淬火油采用光亮淬火油，其闪点为188 ℃、粘度为23.71 mm2/s、最大冷却速度vmax=95.4 ℃/s、特性温度为593.3 ℃。GCr15钢的化学成分如表1所示。

表1 试验钢的主要化学成分 (质量分数 /%)

淬火用的试样为整体大试样，试样主要包括拉伸部分、硬度分析和金相分析等几个部分，拉伸试样尺寸示意图如图1a所示，冲击用试样尺寸示意图如图1b所示。

1.2 热处理工艺

1)盐浴淬火工艺。

将5个拉伸试样和5个冲击试样装入料筐(600 mm×900 mm)，推进型号为VKGS5/2-90/85/150CN、温度升到865 ℃的箱式多用炉(采用天然气、甲醇保护气氛)内，等炉温再次升到865 ℃，保温20 min后出炉，采用240 ℃、50%KNO3+50%NaNO2的硝酸盐浴保温4 h后将零件拉出，在风冷台用热分风吹30 min后，推进清洗机清洗。具体工艺曲线见图2a所示。

2)油浴淬火工艺。

将5个拉伸试样和5个冲击试样装入料筐(470 mm×470 mm)，推进型号为RJGD-250，温度升到865 ℃的中日辊底炉(采用天燃气保护气氛)内，待炉温再次升到865 ℃，保温20 min后出炉，采用80 ℃光亮淬火油浴淬火20 min后，进入60 ℃的清洗槽清洗，再进入炉温为165 ℃的回火炉，回火4 h后出炉。具体淬火、回火工艺曲线见图2b。

图1 拉伸和冲击试样示意图

图2 不同淬火方式的工艺曲线

2 试验结果及分析

2.1 力学性能

将两种热处理方式的试样按GB/T 228.1—2010进行拉伸试验测试，结果见3a。按GB/T 229—2007中标准尺寸夏比V型缺口，在常低温冲击试验机进行冲击试验测试，结果见3b。

通过图3中的数据计算得出，盐浴淬火后抗拉强度、冲击韧性的平均值为1 883.4 MPa、3.40 J，油浴淬火后抗拉强度、冲击韧性的平均值为1 823.0 MPa，3.44 J。且盐浴淬火的抗拉强度平均值比油浴淬火高60.4 MPa，高3.31%，盐浴淬火的冲击韧性平均值比油浴淬火低0.04 J，低1.16%。

2.2 硬度及显微组织

将2种热处理方式的试样按JB/T 1255—2014《滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》标准，采用洛氏硬度计进行硬度检测，具体硬度值见图4。采用图4中的数据计算可得出，盐浴淬火与油浴淬火的洛氏硬度HRC平均值分别为59.68、60.22；盐浴淬火比油浴淬火低0.54,即低0.89%。

图3 抗拉强度与冲击韧性对比曲线

图4 洛氏硬度对比曲线

在硬度测试的试样中取不同淬火介质淬火的试样各1个，进行机械研磨，抛光后制备金相试样，经4%(质量分数)的硝酸酒精腐蚀后，在显微镜下观察其显微组织，如图5所示。

由于盐浴淬火在高温区冷速比油快，就冷却曲线而言，油存在蒸汽膜阶段，而盐没有，所以淬火后马氏体组织更细，屈氏体出现可能性小。盐浴淬火的最大好处是可通过含水量来控制盐的淬火烈度，生产效率高[11]。由于盐的热熔大，工件的淬火均匀性较好，且盐的化学稳定性好，可长期使用，而淬火油面临老化问题。从图5可以看出,GCr15钢采用2种不同淬火工艺，其显微组织均为马氏体+少量残余奥氏体，但盐浴淬火的显微组织比油浴淬火的级别稍低一些。

图5 不同淬火方式显微组织对比

3 结论

1)GCr15钢采用盐浴淬火较油浴淬火时，其抗拉强度高3.31%，冲击韧性低1.16%，硬度低0.89%。

2)GCr15钢采用盐浴淬火和油浴淬火其显微组织均为马氏体+少量残余奥氏体。

3)GCr15钢可采用成本更低的盐浴淬火代替油浴淬火。

[1] 刘耀中,左传付. 轴承钢零件淬回火后的残余奥氏体[J]. 轴承,2008(6):48-51.

[2] 杨凌平,李冰伦. GCr15模具钢热处理工艺分析[J]. 模具制造,2001(2):46-49.

[3] 夏立芳. 金属热处理工艺学[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996:29.

[4] 李爱民,巫焰,叶健熠. 热处理工艺对GCr15钢断口特征的影响[J]. 轴承.2005(4):20-23.

[5]《金属机械性能》编写组. 金属机械性能[M]. 北京:机械工业出版社,1982:165-166.

[6] 朱立光,路文刚. GCr15轴承钢高温力学性能的研究[J]. 特殊钢,2007,28(4):7-9.

[7] 石江龙. 深冷处理对GCr15 钢冲击性能的影响[J]. 热处理,2010,25(3):21-24.

[8] 张红,王俊杰,郭嘉. 深冷处理对3Cr13对组织和力学性能的影响[J].热加工工艺,2008,37(22):64-66.

[9] 丁剑,张荻,阎珽. 深冷处理工艺参数对GCr15钢相对耐磨性的影响[J]. 热加工工艺,2002(6):3-4.

[10] 方鸿生,郑燕康,黄进峰,等. 我国贝氏体钢的前景[J]. 金属热处理,1998(7):11-14.

[11] 李书常. 热处理实用淬火介质精选[M]. 北京:化学工业出版社,2009:1,5-6.

Effects of Quenching Media on Mechanical Property and Microstructure of GCr15 Steel

WANG Gui

(BaoTaIndustryCo.,Ltd.,Yinchuan750021,China)

The effects of different quenching media and methods on the mechanical properties, hardness and microstructure of GCr15 steel were investigated. The result shows that the tensile strength by salt quenching is 3.31% higher than that by oil quenching, the impact toughness by salt quenching is 1.16% lower than that by oil quenching, the hardness by salt quenching is 0.89% lower than that by oil quenching, and the microstructure by salt quenching is slightly finer. The general performance of CCr15 steel by salt quenching is close to that by oil quenching. Salt quenching process can substitute oil quenching process.

GCr15 steel; quenching media; mechanical property; microstructure

2016年3月15日

2016年5月16日

王桂(1977年- )，女，工程师，主要从事热处理工艺制定等方面的研究。

TG156.32

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.03.004

1673-6214(2016)03-0148-03