GCr15用于小轴承的热处理工艺流程及其组织结构性能研究

理论分析阶段
对实验样品的组织、结构、形貌、性能进行综合分析，与理想理论数据进行对比，给出样品每一步热处理所得到的组织、结构及其性能。

实验报告内容
1）名称、本实验的目的、实验方法和步骤、实验结果与分析讨论;
2）本实验注重热处理工艺设计，学生应多查资料，注重设计过程，实验只是其中一部分，故实验报告中应包含所查资料相关内容，制订工艺的依据、原理；零件加工工艺流程图、热处理工艺曲线；组织、结构、性能测试分析等内容。

文字部分不少于5000字（不包括图片），报告不少于5页，手写，书写工整（要存档），交纸质和电子版。

GCr15用于小轴承的热处理工艺流程及其组织结构性能研究
一、实验目的
1. 研究并制定出轴承钢GCr15的热处理工艺流程，并通过对材料组织及性能
分析比较工艺方案优缺点。

2. 熟悉金相样品的制备方法，了解金相显微镜、X射线衍射仪等所用的仪器
设备的操作使用。

3. 学会整理数据，培养分析问题、解决问题、设计实验以及相互合作的能力。

能够比较全面地、系统地掌握材料制备、化学成分、组织结构与性能之间的关系及其变化规律。

二、实验方法
GCr15是一种最常用的高碳铬轴承钢，经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。

GCr15轴承钢用于制作各种轴承套圈和滚动体。

如制作内燃机、电动机车、汽车以及高速旋转的高载荷机械传动轴承的钢球、滚子和套圈。

轴承制造基本流程
轴承套圈加工流程图
1. 预备热处理：
球化退火作为GCr15钢预备热处理，其主要的目的是由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物聚成球状，达到改善钢材之切削性能、加工塑性、机械韧性等。

球化退火是依靠片状渗碳体的自发球化效果倾向和聚集长大。

渗碳体在高温下开始溶解，会使一片渗碳体断开为若干细的点状渗碳体，弥散分布在奥氏体基体上，同时由于加热温度低和渗碳体不完全溶解，造成奥氏体成分极不均匀。

在随后的缓冷过程中，以原有的细碳化物质点为核心，或由奥氏体的富碳区产生新的碳化物核心，形成均匀而细小的颗粒状碳化物。

这些碳化物在缓冷过程中聚集长大，并向能量最低的状态转化为球状渗碳体。

退火温度过低会导致碳化物大部分未溶解，得到的球状碳化物大小不均匀。

若温度高于800℃，则溶于奥氏体的碳化物较多，晶核减少，冷却后得到粗大的球状碳化物。

于是将球化退火温度范围确定在760~800℃。

为了保证材料淬火后回火仍有有较高的硬度，可采用先正火后退火的预备热处理工艺，以得到极细的珠光体组织。

此时应将钢加热到奥氏体化温度以上30～50℃，保温，使其组织完全奥氏体化，然后空冷。

2. 最终热处理：
GCr15钢最终热处理一般采用淬火和低温回火，其目的是提高钢的强度、
硬度、耐磨性与抗疲劳性能。

淬火和低温回火后得到回火马氏体，在低温回火过程中，马氏体中的过饱和碳开始逐步以碳化物的形式析出，使其中碳的过饱和程度不断降低，同时，晶格畸变程度也减弱，内应力有所降低。

有资料介绍，GCr15钢加热至800℃时，有37％C和36％Cr溶入奥氏体中，若低于800℃，则溶入的C和Cr会更少。

但若高于860℃，则奥氏体粗化，且由于奥氏体中溶碳量大大增加而导致奥氏体稳定性提高，使淬火后残余奥氏体较多，所以GCr15钢的淬火温度选择840℃左右较为合适。

该材料回火稳定性较差，应低于200℃回火。

其中160~170℃回火时可获得最大的冲击值。

为了较好的消除应力，回火时间不应过短。

3. 工艺制定
用于小轴承的GCr15钢要求：减少淬火变形、提高淬火硬度、改善工件切削性能、提高耐磨性和抗点蚀性等。

为此制订了以下三种工艺：
工艺1常规热处理，是对GCr15进行790℃保温4小时，炉冷到600℃出炉空冷的球化退火、860℃保温20分钟，出炉油冷的淬火、170℃保温2小时，出炉空冷回火。

工艺2是改变球化退火温度，760℃保温4小时，炉冷到600℃出炉空冷。

淬火是在840℃保温20分钟，出炉油冷；回火是在170℃保温2小时之后出炉空冷。

工艺3在退火前添加860℃保温20分钟的正火处理，之后在790℃保温4小时炉冷到600℃出炉空冷。

860℃保温20分钟，出炉油冷淬火，170℃保温2小时，出炉空冷进行回火。

三、实验步骤
1) 常规热处理：
球化退火：790℃保温4小时，≤30℃/小时速度炉冷到600℃出炉空冷；
淬火：860℃保温20分钟，出炉油冷；
回火：170℃保温2小时，出炉空冷。

最终得到三个样品其状态分别为球化退火、球化退化+淬火、球化退化+淬火+回火。

之后对样品1、2、3进行硬度测试、金相样品制备、组织观察并拍照。

对样品1、2、3进行xrd结构分析。

2) 优化球化退火工艺：
球化退火：760℃保温4小时，≤30℃/小时速度炉冷到600℃出炉空冷；
淬火：840℃保温20分钟，出炉油冷；
回火：170℃保温2小时，出炉空冷。

最终得到三个样品（记为样品4、5、6）其状态分别为球化退火、球化退化+淬火、球化退化+淬火+回火。

之后对样品进行硬度测试、金相样品制备、组织观察并拍照。

对样品进行xrd结构分析。

3) 优化预处理工艺：
正火：860℃保温20分钟；球化退火：790℃保温4小时，≤30℃/小时速度炉冷到600℃出炉空冷；
淬火：860℃保温20分钟，出炉油冷；
回火：170℃保温2小时，出炉空冷。

此组工艺最终得到三个样品（记为样品7、8、9）其状态分别为正火+球化退火、正火+球化退火+淬火、正火+球化退火+淬火+回火。

之后对样品进行硬度测试、金相样品制备、组织观察并拍照。

对样品进行xrd结构分析。

硬度测试仪器为洛氏硬度计，使用时注意打磨掉氧化表面后选不同部位，至少测试三个硬度值，取平均值作为试件的硬度值。

测量每一步热处理后的硬度可以辅助分析淬火回火的程度，避免只关注最终硬度而造成分析偏差。

金相样品制备需经历粗磨、细磨、抛光等。

粗磨是指在砂轮上磨制，应注意握紧试样，使试样受力均匀，压力不要太大。

细磨要用不同型号砂纸依次在由粗到细的各号金相砂纸上磨光。

最后在抛光机上进行机械抛光去除金相磨面上因细磨而留下的磨痕，使之成为光滑、无痕的镜面。

此时先用清水冲洗试样，再用无水酒精清洗磨面，最后用吹风机吹干。

用硝酸酒精溶液对样品进行浸蚀，浸蚀时间要适当，一般试样磨面发暗时就可停止。

进行组织观察时注意对9个样品分别进行拍照，对比组织形态以此来分析各个样品的性能。

应将样品1、2、3，样品4、5、6，样品7、8、9，及样品1、4、7，样品2、5、8，样品3、6、9分为六组进行比较，性能对比主要是关注样品3、6、9一组。

XRD金属试样应尽可能的磨成平面，并进行简单的抛光，这样不但可以去除金属表面的氧化膜，也可以消除表面应变层。

利用jade进行结构分析，并在origin中作出衍射图谱。

四、实验结果（结果不要加分析）
1. 硬度
做出硬度曲线（类似酱紫）
数据：横坐标工艺一二三，纵坐标为硬度。

金相组织
工艺一
描述三种工艺组织变化
2. xrd图谱
理论上来讲做出每一种工艺中结构变化谱线（1 2 3，4 5 6，7 8 9）
也可以来比较3 6 9的结构来比较性能（最主要的还是比较3 6 9）
五、分析
1. 硬度
三种工艺退火后
三种工艺退火后硬度在8～15HRC范围内，考虑热处理过程中可能引起的误差，三种退火工艺硬度相差并不很大。

GCr15球化退火后硬度在180HBS左右，因实验测量采用洛氏硬度计，在测量硬度时会存在很大的误差。

三种工艺淬火后
三种工艺淬火后的硬度在55～63HRC之间，样品2硬度只有55.8HRC，其淬火程度并不高。

一般铬轴承钢要求淬火后硬度不小于63HRC，目的是使得材料淬火加热充分，保证碳以及合金元素溶入基体的数量。

如果淬火后达不到63HRC则说明淬火加热不充分。

只有保证了淬火硬度，最终硬度在58~62HRC 必然是经过正确而充分的回火得到的，这样防止并避免在热处理工艺过程中“低淬低回”现象发生，确保零件应有的内在品质。

而工艺一就是典型的“低淬低回”现象，其最终硬度并不低但淬火硬度却不高。

解决方法：工艺一的淬火温度860℃已经较高，没有保护气氛情况下易引起脱碳；淬火温度高于850℃，也会引起奥氏体粗化，且由于奥氏体中溶碳量大大增加而导致奥氏体稳定性提高，使淬火后残余奥氏体较多。

提高其淬火硬度可采用延长保温时间，可将淬火保温时间由原本的20min延长至30~40min，或能提高其淬火硬度。

三种工艺回火后
三种工艺回火后硬度均在55~59HRC范围，工艺三硬度最低。

GCr15钢回火后硬度在60-63HRC，也有部分产品硬度在58-62HRC，可见工艺三得到的样品9硬度偏离正常值，由样品9金相组织可以看出组织正常。

工艺三淬火后硬度值已经偏低，故也应适当改善淬火工艺来提高淬火后硬度。

解决方法：可将淬火保温时间由20min延长至30~40min，回火温度降至160℃或能提高回火后硬度值。

2. 金相组织
当用硝酸酒精为腐蚀剂时，单相组织都不会被腐蚀，光镜下因镜面反射而呈现白色；多相组织电极电位高者不会被腐蚀，电极电位低者被腐蚀，在两相界面处形成腐蚀沟槽。

一般地，残余奥氏体是马氏体转变不完全而保留至室温的奥氏体组织，而奥氏体是单相组织，在光镜下呈白色。

回火后马氏体呈暗色，马氏体在奥氏体基体上生成，会有明显的形态和边界，未转变的奥氏体会分布于马氏体针间。

工艺一观察样品1、4、7，可以看到退火态组织呈球状，这为之后的加工处理做好了组织准备；淬火后组织为马氏体+粒状碳化物+残余奥氏体，马氏体组织不存在粗大现象，残奥主要存在针状马氏体之间；回火后可见粒状碳化物、回火马氏体、残余奥氏体，其组织特征为有黑区和白区之分。

黑区是以板条马氏体为主的隐晶马氏体，白区是以孪晶马氏体为主的隐针马氏体。

工艺二观察样品2、5、8，可以看出退火态组织为密集细点状，760℃球化退火工艺很合理。

淬火后正常组织为隐晶马氏体+粒状碳化物+残余奥氏体；正常回火后组织为回火马氏体+均匀分布的细粒状碳化物+残余奥氏体，马氏体量占80%以上，碳化物量占5~10%，残余奥氏体量占9~15%，工艺二得到组织符合要求。

工艺三观察样品3、6、9，可以看出碳化物呈椭球状，可以考虑延长正火时间。

淬火后正常组织为隐晶马氏体+细小结晶马氏体+碳化物+残余奥氏体，图中可见细小马氏体分布在残余奥氏体上，渗碳体大多都溶入奥氏体中。

回火后组织为回火马氏体+均匀分布的细粒状碳化物+残余奥氏体，回火消除了残余应力获得了稳定组织。

总结：从三种工艺最终组织来看工艺一中马氏体较粗大，可能是过热组织，工艺二、三都得到了细小隐晶马氏体，说明适当降低球化退火温度与淬火前保温温度是可取的。

从样品7看出工艺三的预备热处理使碳化物并没有很好的球化，从硬度测量结果也得到了佐证。

总的来说，工艺二、三处理工件得到的结果要优于工艺一，在硬度上可以看出工艺二较工艺三更优，从组织上来说工艺二、三均为合格组织，而工艺一的淬火工艺是需要改进的，工艺三的预备热处理工艺也需要进一步考量。

3. xrd分析
通过对材料进行X射线衍射,分析其衍射图谱,获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

通过分析数据，样品均在2-Theta为44.484°、64.777°、81.983°产生三强峰，分别对应晶面（100）、（200）、（211），与铁铬合金PDF#34-0396卡片符合的很好。

关于样品3中FOM值为99.9作出如下解释：
Pdf卡片中三强峰所在位置：44.484、64.777、81.983
样品3三强峰所在位置：43.991、63.976、81.505
XRD峰值出现向左小角度偏移，意味着晶格常数变大，这并不是掺杂原子引起晶格常数变化，很可能是存在宏观残余应力引起的晶格畸变，存在残余拉应力时衍射峰向低角度发生位移。

淬火后工件产生残余应力是可理解的，但样品3是经过淬火回火的工件，此前也指出样品3是“低淬低回”工艺下的产品，无论是其硬度还是组织都与正常情况存在偏差，当然其内部应力情况与工艺或者淬火回火实际操作都相关，并不能完全否认工艺一的可取性，仍需进一步进行多次实验。