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高碳鉻軸承鋼制軸承零件經馬氏體淬回火后，顯微組織由馬氏體、殘留奧氏體及均勻分布的細小碳化物組成。GCr15鋼制軸承零件中殘留奧氏體含量一般為15%左右，而GCr15SiMn鋼制軸承零件中殘留奧氏體含量一般超過20%。殘留奧氏體是亞穩定相，較高的殘留奧氏體含量會導致工件在使用過程中尺寸發生變化、精度降低，極大地縮短軸承的使用壽命。
隨著用戶對產品質量的要求越來越高，很多軸承廠家不僅對組織硬度等指標嚴格要求，對其殘留奧氏體含量也作出嚴格控制，國外軸承廠家對這方面要求尤為嚴格，一般要求殘留奧氏體含量在3%以下。在處理尺寸較小、壁厚較薄的GCr15鋼制軸承滾子時，冷處理或深冷處理基本上能夠達到要求；但在處理GCr15SiMn鋼制軸承滾子時卻很難達到要求。為滿足客戶的要求，我們有必要開發一種更為有效的降低殘留奧氏體含量的方法。
1.殘留奧氏體產生的原因
軸承鋼在淬火過程中，從Ms點溫度開始奧氏體向馬氏體轉變，一直到Mf點溫度以下奧氏體向馬氏體轉變完成，常用軸承鋼的Mf點都在室溫以下，但低于Mf點馬氏體轉變不會繼續進行。奧氏體不會完全轉變，會殘留一部分奧氏體不發生轉變。這是因為轉變完成的馬氏體會對周圍的奧氏體的繼續轉變產生阻礙作用，馬氏體在轉變時發生體積膨脹，產生很大的壓應力，使剩余的奧氏體在轉變時，要克服壓應力做功，這樣就阻礙了殘留奧氏體的進一步轉變。
2.試驗材料及工藝
試驗材料為GCr15SiMn，規格φ30mm×30mm，其化學成分如表1所示。技術要求：硬度61~65HRC，殘留奧氏體含量≤3%，其余要求按JB/T1255—2014執行。
表1 GCr15SiMn化學成分（質量分數）檢測結果 （%）
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C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
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0.97 |
0.54 |
1.02 |
0.009 |
0.003 |
1.45 |
試驗采用愛協林鹽淬多用爐，淬火工藝采用820℃保溫75min出爐鹽浴淬火，鹽浴溫度為170℃，等溫時間50min。隨后采用不同的回火及冷處理溫度進行處理，工藝曲線及具體工藝方案如附圖及表2所示。
表2 熱處理工藝
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編號 |
淬火 |
回火及冷處理 |
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1 |
820℃保溫70min，鹽浴淬火，中速攪拌 |
170℃回火4h |
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2 |
200℃回火4h |
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3 |
220℃回火4h |
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4 |
240℃回火4h |
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5 |
-70℃冷處理1h，170℃回火4h |
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6 |
-70℃冷處理2h，170℃回火4h |
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7 |
-196℃冷處理1h，170℃回火4h |
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8 |
-196℃冷處理2h，170℃回火4h |
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9 |
-196℃冷處理1h，200℃回火4h |
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10 |
-196℃冷處理1h，220℃回火4h |
3.結果及分析
（1）常規回火及二次高溫回火
經淬火后采用170℃回火，并再次200℃、220℃及240℃分別回火，如表2中1～4號工藝。隨后對組織、硬度及殘留奧氏體含量進行檢測，常規及二次高溫回火后檢測結果如表3所示。可以發現，經普通回火后，組織、硬度雖然能夠滿足技術要求，但是殘留奧氏體含量達到了16%。而采用二次高溫回火會明顯減低殘留奧氏體含量，隨著溫度提高，殘留奧氏體含量逐漸減少，當回火溫度提高到240℃時，殘留奧氏體含量基本在0.9%以下。
據研究，高溫回火能降低殘留奧氏體含量的原因有兩個：一方面高溫度回火能夠促進奧氏體中碳化物和合金元素的析出，從而提高馬氏體轉變的Mf點，從而促進殘留奧氏體向馬氏體的轉變；另一方面高溫回火會消除前期奧氏體向馬氏體轉變產生的應力，降低奧氏體向馬氏體轉變的阻礙作用。但采用高溫回火會降低工件的硬度，從表3中可以發現，240℃回火時硬度會降低2HRC左右。
表3 常規及二次高溫回火后檢測結果
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工藝編號 |
組織 |
表面硬度HRC |
心部硬度HRC |
殘留奧氏體含量（%） |
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1 |
M：4級，T：無 |
63.1 |
62.3 |
16 |
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2 |
M：3級，T：無 |
62.6 |
61.5 |
6.3 |
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3 |
M：3級，T：無 |
61.8 |
60.5 |
3.8 |
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4 |
M：3級，T：無 |
61.3 |
60.2 |
0.9 |
（2）冷處理或深冷處理+常規回火
采用冷處理是利用冷凍箱把工件冷卻到-70℃左右；或采用深冷處理，用液氮把工件冷卻到-196℃左右，這樣工件殘留奧氏體會明顯減少，深冷處理時效果尤為明顯，關于這方面的研究很多。
采用5～8號工藝，檢測結果如表4所示。用這種方法處理GCr15鋼制工件時殘留奧氏體含量基本能控制在3%以下，但是處理GCr15SiMn材料時，卻很難滿足要求，一般控制在4%～6%，硬度會提高2HRC。
表4 冷處理或深冷處理+常規回火檢測結果
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工藝編號 |
組織 |
表面硬度HRC |
心部硬度HRC |
殘留奧氏體含量（%） |
|
5 |
M：3級，T：無 |
64.5 |
63.0 |
5.8 |
|
6 |
M：3級，T：無 |
64.1 |
63.4 |
5.5 |
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7 |
M：3級，T：無 |
64.1 |
63.7 |
4.3 |
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8 |
M：3級，T：無 |
64.4 |
63.3 |
3.7 |
（3）采用冷處理+高溫回火
結合上述兩種處理方式的優缺點，在保證殘留奧氏體含量及硬度都能合格的前提下，采用冷處理+高溫回火的方式控制殘留奧氏體含量，具體工藝如表2中9號、10號工藝所示。檢測結果如表5所示，可以發現，采用10號工藝能夠控制殘留奧氏體含量及硬度在技術指標范圍內。
表5 冷處理或深冷處理+常規回火檢測結果
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工藝編號 |
組織 |
表面硬度HRC |
心部硬度HRC |
殘留奧氏體含量（%） |
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9 |
M：3級，T：無 |
63 |
61.9 |
2.9 |
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10 |
M：3級，T：無 |
62.4 |
61.5 |
1.2 |
4.結語
采用冷處理+高溫回火的方式，能夠克服單獨采用冷處理或高溫回火降低殘留奧氏體含量的缺點，在實現高硬度的前提下，保證殘留奧氏體含量降低到3%以下。
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