传统渗碳 20Cr2Ni4 轴承钢经淬火回火处理后,表面会产生高碳马氏体组织,而中心会产生碳含量低得多的马氏体组织。表面高碳马氏体具有较高的硬度、优异的耐磨性能和抗滚动接触疲劳性能,而中心低碳马氏体具有较低的硬度和良好的冲击韧性。渗碳 20Cr2Ni4 轴承钢自诞生以来就得到了广泛的应用。但由于高碳马氏体韧性差、氢脆敏感性和回火脆性高,在使用条件较差或有较大的突然冲击载荷时,其使用寿命将大大降低。此外,随着大型装备制造业的发展,20Cr2Ni4 的淬炼性不适用于大截面轴承应用。因此,通过合理设计化学成分和优化热处理工艺,开发新型高性能渗碳轴承钢具有十分重要的意义。

张惠娟等对 20Cr2Ni4A 钢经 880 ℃ 淬火试样经不同温度回火后的冲击韧性进行研究,发现当回火温度选取 200 ℃ 左右时,冲击韧性最高。因此本文选取的回火温度为 200 ℃ ,但回火保温时间对G20Cr2Ni4A 钢组织和性能的影响报道较少,本文选取 G20Cr2Ni4A 钢为研究对象,通过两因素三水平的正交试验对其进行热处理,观察淬火温度和回火时间对其金相组织、残余奥氏体含量、硬度和冲击性能的影响。

试样为 G20Cr2Ni4A 钢,供应状态为正火+高温回火,具体成分见表 1,成分符合 YB/T 1—1980《高碳铬轴承钢》中滚动轴承钢的化学成分要求。

表 1 G20Cr2Ni4A 钢化学成分(质量分数) %

试样的热处理方式为:将箱式炉分别加热到800,850, 900 ℃ , 并保温 60 min, 油冷, 箱式炉200 ℃ 回火,回火时间分别为 60,180,300 min,回火后空冷。热处理工艺如图 1 所示。

M_c3 为马氏体转变的开始温度。

图 1 热处理工艺流程

为探明淬火温度和回火时间对 G20Cr2Ni4A 钢硬度、冲击韧性和残余奥氏体含量的影响,设计了1组正交试验,将各因素排列成正交表,分析找到最佳的试验条件及参数。

选择三水平两因子正交试验,此正交试验的因素与水平如表 2 所示。

表 2 正交试验的因素与水平

在 MTS E22.452 型冲击试验机上对夏比 U 型试样进行冲击试验,对 3 个试样测试结果取平均值。取 5 个点进行洛氏硬度测量并取平均值。金相显微组织采用 YMP-2B 型莱卡进行观察。采用 X-350A 型 X 射线应力测定仪,调节 X 射线管高压为20 kV,管流为 5 mA,对热处理后的样品测定其残余奥氏体含量。为保证试验的严谨性和准确性,在每个试样上取 3 个点,求平均值。

2.1 硬度试验数据与计算

按照表 2 所做的试验方案进行试验,得出的硬度数据见表 3, 计算分析结果见表 4。试件硬度(HRC)随淬火温度和回火时间的变化见图 2。

表 3 硬度试验数据

表 4 硬度计算结果

注:K₁~K₃ 分别表示温度为 800,850,900 ℃ 或时间为1,3,5 h 条件下的硬度总和;均值 k₁~k₃表示(K₁~K₃)/水平重复的次数(例如 k₁=119.4/3 = 39.8);极差 R 为 k₁,k₂,k₃ 中最大值与最小值之差。下同。

a—淬火温度与硬度的关系; b—回火时间与硬度的关系。

图 2 试样 HRC 随淬火温度和回火时间的变化

从表 4 中可以看出,淬火温度的极差值大于回火时间的,说明淬火温度对 G20Cr2Ni4A 钢硬度的影响较大,为主要影响因素,回火时间为次要影响因素。从硬度的数值(表 3)可以看出,淬火温度适中时,硬度越高,回火时间越短,硬度值越高,即本试验中的最佳工艺参数条件为 A2B1。

2.2 冲击试验数据与计算

按照表 2 所做的试验方案进行试验,得出的冲击试验数据见表 5,计算分析结果见表 6。试件的冲击功随淬火温度和回火时间的变化见图 3。

表 5 冲击试验数据

表 6 冲击试验数据计算结果

a—淬火温度与冲击功的关系; b—回火时间与冲击功的关系。

图 3 试样冲击功随淬火温度和回火时间的变化

由表 6 可知,淬火温度和回火时间对冲击值影响的极差 R 分别为 1.3 和 1.4,两者的极差值接近,说明淬火温度和回火时间对 G20Cr2Ni4A 钢冲击韧性的影响差别不大。从冲击功的数值(表 5)可以看出,试验中的最佳工艺参数条件为 A2B1。

2.3 残余奥氏体试验数据与计算

按照表 2 所做的试验方案进行试验,得出的残余奥氏体试验数据见表 7,计算分析结果见表 8。残余奥氏体含量随淬火温度和回火时间的变化规律如图 4 所示。

表 7 残余奥氏体含量试验数据

表 8 残余奥氏体含量计算结果

a—淬火温度与残余奥氏体含量的关系;b—回火温度与残余奥氏体含量的关系。

图 4 残余奥氏体含量随淬火温度和回火时间的变化规律

从表 8 可以看出,淬火温度和回火时间对残余奥氏体影响的极差 R 分别为 1.29 和 1.02,淬火温度的极差值大于回火时间的极差值,说明淬火温度对 G20Cr2Ni4A 钢残余奥氏体的影响较大,为主要影响因素回火时间为次要影响因素。从残余奥氏体的数值(表 1)可以看出,淬火温度越高,回火时间越短,残余奥氏体越高,即试验中获得残余奥氏体数量最多的工艺参数条件为 A2B2。

2.4 残余奥氏体对硬度、冲击功的影响

G20Cr2Ni4A 钢硬度、冲击韧性与残余奥氏体含量的关系规律见图 5。由图 5a 可知,硬度随残余奥氏体含量变化的规律为开口向下的二次曲线关系。

a—残余奥氏体含量与 HRC 的关系;b—残余奥氏体含量与冲击功的关系。

图 5 残余奥氏体含量对硬度和冲击性能的影响

在低温回火时,组织中的残余奥氏体含量偏低,同时回火马氏体的位错密度也大大降低,组织的硬度降低。其原因:一是由于部分马氏体分解为渗碳体;二是硬度较低的铁素体存在。残余奥氏体的碳含量因马氏体中的碳向奥氏体中扩散分配而迅速升高。保温时间的继续延长导致碳化物的析出,进而增强了对碳的消耗,同时导致残余奥氏体中的碳含量扩散降低,但硬度的升高并不十分明显。在中高温回火时,当提高回火温度或者延长回火时间,残余奥氏体的含量会继续增加,而且随着奥氏体含量的增加,硬度会下降。

由图 5b 可知,G20Cr2Ni4A 钢回火后的冲击韧性随残余奥氏体含量增加而呈现线性增大。这是由于钢组织中奥氏体韧性高而马氏体韧性低,当钢中奥氏体量直线升高时,冲击韧性也随之呈线性上升趋势。将两者的关系拟合后得到方程为:

A_k= 22.3 + 0.8A_r (1)

式中:A_k 为冲击功;A_r 为残余奥氏体含量。将不同热处理方案获得的试件硬度和冲击功数据汇总于图 6,并结合原始状态的样品结果对比发现:箭头表示:随着奥氏体含量增加,硬度和冲击功同步增加的趋势;虚线表示:与原始样品对比,仍然遵循倒置关系。随着奥氏体含量的增加,硬度和冲击功呈现同步增加的趋势。但与原始样品结果对比,仍然遵循强度和韧性的倒置关系。

图 6 HRC 与冲击功的关系

2.5 微观组织结构

原始试样在 850 ℃ 淬火或 900 ℃ 淬火+ 200 ℃回火 1 h 后的金相显微组织如图 7 所示。原始样品的组织为马氏体组织+铁素体+少量奥氏体,如图 7a所示,所以图 7 中原始样品的硬度很低而冲击韧性很好。经 850 ℃ 淬火后,样品晶粒尺寸有所增大,主要组织为板条马氏体+少量奥氏体,如图 7b 所示。图 7c 为样品经 850 ℃ 淬火+200 ℃ 回火 1 h 后的显微组织,观察发现,晶粒尺寸相比于淬火后无变化,组织为回火马氏体+少量奥氏体+颗粒形态的碳化物。

a—原始样品; b—850 ℃ 淬火; c—850 ℃ 淬火+200 ℃ 回火。

图 7 不同热处理后的微观组织

来源：董福元, 蒙昭静, 张明旭. 热处理对G20Cr2Ni4A钢性能影响的正交试验研究[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(11): 22-27.

doi:10.13206/j.gjgS20032601