回火热处理对GCr15轴承钢显微组织和力学性能的影响

2021-01-12薛冰陈世洪任永胜殷凤仕单腾邵明皓

山东理工大学学报（自然科学版） 2021年2期

薛冰，陈世洪，任永胜，殷凤仕，单腾，邵明皓

(1.山东理工大学机械工程学院,山东淄博 255049；2.山东理工大学化学化工学院,山东淄博 255049)

一种小尺寸偏心电机的装配示意图如图1所示，电机轴见图2。该电机轴旋转中心与连杆的连接轴中心相距5 mm并受负载扭矩，因此对该电机轴选材提出的性能要求有：高强度、高硬度、高耐磨性和高冲击韧性。众所周知，调质钢经淬火、高温回火后具有较好的综合力学性能，常用于轴类零件的制造[1]，为提高表面硬度和耐磨性，调质处理后常采用表面淬火处理[2-4]，工艺复杂、制造成本高。此前使用调质钢制造该偏心电机轴出现了失效问题。本文提出选用GCr15钢采用淬火加回火的最终热处理工艺，研究热处理工艺对GCr15钢显微组织和力学性能的影响，并探讨采用GCr15钢制造该电机轴的可行性。

1.转轴;2.偏心连接2;3.深沟球轴承625-Z;4.垫圈;5.偏心连接1。图1 电机装配示意图Fig.1 Assembly diagram of eccentric motor

图2 电机轴示意图Fig.2 Schematic diagram of the motor shaft

1 实验材料与方法

实验材料为 GCr15轴承钢，主要化学成分见表1。选取直径为φ14 mm、经球化退火处理后的热轧棒材加工成电机轴，加热至830 ℃保温1 h后油冷淬火，然后分别在200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃保温1 h后水冷回火处理。

表1 GCr15化学成分(质量分数，%)Tab.1 Chemical composition of GCr15 (mass fraction, %)

从经过不同回火温度后的电机轴取样进行组织观察和硬度测试，并加工55 mm×7 mm×7 mm的无缺口冲击试样。采用FEI Quanta250冷场发射扫描电镜观察显微组织和冲击断口形貌，利用200HRS-150数显洛氏硬度计测定不同热处理后试样的硬度，使用JBS-300B数显冲击试验机测试冲击吸收功。金相刻蚀液为4%硝酸酒精溶液。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织

图3是200 ℃和450 ℃回火处理后的显微组织照片。由图3可知，经过不同温度回火处理后的电机轴的显微组织相似，均为回火马氏体和颗粒状残余碳化物。回火温度为200 ℃时，回火马氏体中的碳化物析出不明显；回火温度为450 ℃时，回火马氏体中的碳化物沿马氏体片界析出并长大。

(a)200 ℃金相图

(b)200 ℃扫描电镜图

(d)450 ℃扫描电镜图图3 GCr15轴承钢在不同回火温度下的显微组织Fig.3 Microstructure of GCr15 bearing steel at different tempering temperatures

2.2 力学性能

图4为试样经不同温度回火处理后的硬度变化图。从图4中可以看出，在200～300 ℃范围内,随回火温度升高，洛氏硬度值略有升高；在300～450 ℃范围内，随回火温度的升高，合金硬度逐渐下降，450 ℃回火时平均硬度值为52.4 HRC。结合其显微组织分析可知，较低温度回火时，碳从马氏体中析出形成的碳化物非常细小，弥散强化效果大于马氏体由于过饱和度降低引起的固溶强化效果降低，故硬度变化不明显；在300～450 ℃回火时，随温度升高，回火更加充分，且马氏体中析出的碳化物发生聚集、长大，对位错的钉扎作用减弱，使合金硬度下降[5-7]。

图4 试样经不同温度回火后硬度变化图Fig.4 Hardness change diagram of GCr15 bearing steel after tempering heat treatment at different temperatures

图5是不同回火温度条件下冲击吸收功变化趋势图。从图5中可以看出，随着回火温度的升高，冲击吸收功逐渐增大，当回火温度为450 ℃时，冲击吸收功为136 J。

图5 不同回火温度条件下冲击吸收功变化趋势图Fig.5 Trend chart of impact absorption power at different tempering temperatures

图6是实验钢在200 ℃和450 ℃回火处理后的冲击试样宏观形貌。从图6中可以看出，回火温度为200 ℃时冲击试样变形较小，而经450 ℃回火处理后的冲击试样变形较大。

(a)200 ℃ (b)450 ℃ 图6 不同温度回火处理后的冲击试样宏观形貌Fig.6 Macromorphology of impact specimens after tempering heat treatment

图7是经200 ℃和450 ℃回火处理后冲击试样的断口形貌SEM照片。从图7中可以看出，经200 ℃回火处理后，试样断口表面存在大量脆性沿晶断裂区，塑性断裂特征的韧窝特征面积较少且韧窝较浅；当回火温度为450 ℃时，冲击试样断口表面分布有大量韧窝，属典型的韧性断裂。

(a)200 ℃

(b)450 ℃图7 回火处理后冲击试样断口形貌扫描电镜照片Fig.7 SEM images of fracture morphology of impact specimen after tempering

3 讨论

因偏心电机轴受负载扭矩，所以对其选材提出了高强度、高硬度、高耐磨性和高冲击韧性的要求。若采用传统调质钢制造，经调质处理后需要进行表面淬火才能满足表面高硬度的要求，因此本文提出选用GCr15作为偏心电机轴的材料。研究发现，在200～450 ℃范围内经过保温1 h的回火处理后，合金显微组织均为回火马氏体和残余碳化物；随回火温度升高，马氏体中析出的碳化物颗粒聚集、长大。硬度变化趋势与回火温度呈负相关，冲击吸收功与回火温度呈正相关。当回火温度为450 ℃时，其硬度为51～54 HRC，冲击吸收功为105～140 J，表现出良好的韧性。而调质钢表面淬火处理后硬度为45～55 HRC，冲击功为80～120 J[8]。采用GCr15合金经830 ℃×1 h油冷+450 ℃×1 h水冷处理后，其硬度和韧性均优于传统调质钢，同时还可减少表面淬火工序，降低成本。