毕业论文

中北大学2016届本科毕业论文

热处理工艺对GCr15SiMn钢组织和性能的影响

摘要：主要研究了GCr15SiMn轴承钢的热处理工艺与组织及性能间关系，通过采用不同加热时间、温度淬火和不同温度下回火实验，结合组织性能测试分析，从而获得最佳性能。实验表明：不同淬火温度下钢的硬度随回火温度升高而降低，860℃，40min油淬，然后150℃，1h回火综合机械性能最佳。

关键词：GCr15SiMn轴承钢；组织性能；显微组织；合金元素；残留奥氏体； 针状马氏体

一、绪论

1.1背景

由于近年来，钢铁行业产能过剩、市场需求不断下滑、价格一蹶不振，很多工业发达国家，如欧、美、日、俄等老牌的钢铁发达国家逐渐将发展的重心转移到高技术含量、附加值也较高的特殊钢产品。我国的特殊钢在生产数量上已经跟上国民经济的速度，特殊钢品种也取得了长足的进步，需求量大，应用范围广的特殊钢无论在质量还是数量上都能满足国民经济各方面的需求。轴承钢是特殊钢中的典型代表，它能够在恶劣的服役条件下工作，有着较高的使用性能，生产难度最大、质量要求严、检验项目多。在国民经济中——滚动轴承被称为“工业的关节”。轴承工业发展水平的高低，往往代表或制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平，它一直被视为机械工业的基础产业和骨干产业。伴随着经济全球化和经济一体化的趋势，我国已经一跃成为世界轴承生产消费大国，拥有着无比广阔的市场和巨大的消费潜力。但是，我国轴承钢的质量、性能、 绿色化水平上与国际先进水平还相距甚远[1]。

我国的轴承钢落后于国外先进水平，主要表现在碳化物颗粒大、碳化物分布不均匀等方面，因此影响了轴承的使用寿命[2]。为了提高我国的轴承钢质量，许多科研院校、企业开展了大量的研究工作，包括轴承钢的洁净化冶炼、轧制、热处理等。其中关于GCrl5SiMn轴承钢的球化退火，更是从节能、提高生产率、提高轴承钢的质量及其稳定性考虑，展开了大量的研究。

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为此本文在热处理对GCr15SiMn轴承钢组织和性能的关系方面进行了深入的探究。通过1*5*4种方案，退火、淬火、回火工艺步骤的亲身实践，得到了一些较为有意义的数据和参考。

1.2滚动轴承的质量、性能要求及失效形式 1．2．1轴承钢的质量要求

轴承钢主要用于制造轴承套圈(内套、外套)和滚动体(滚珠、滚柱、滚针)。在合金钢领域中，轴承钢是检验项目最多、质量要求最高、生产难度及用量最大的钢种之一。纯净度，即钢中夹杂物的比重；碳化物的分布弥散；以及钢材的表面质量，比如尺寸精度，表面裂纹这三个指标是衡量轴承钢质量高低的重要标准[3]。

轴承钢的纯净度是指轴承钢中夹杂物的含量与类型、气体含量及有害元素的种类和含量。应尽可能降低轴承钢中的夹杂物含量[4]。因为夹杂物破坏了钢的连续性；在压力加工过程中或热处理时由于金属(基体)与夹杂物的热膨胀系数不同，在夹杂物和金属界面会形成初始裂纹，他们是金属疲劳源，会进一步造成疲劳破坏，产生的原因由于是夹杂物和金属界面处产生了方向相反的微观应力：单独的硫化物夹杂同样破坏了钢的连续性。

轴承钢的均匀性是指材料的化学成分、内部组织包括基体组织、析出相碳化物颗粒度及其间距、夹杂物颗粒和分布等均匀程度[5]。轴承钢大多数是过共析钢，它有很大比重的碳化物，轴承的耐磨性和疲劳寿命取决于这些碳化物的颗粒大小和分布状态。碳化物液析、碳化物带状和轧后冷却过程中沿晶界析出网状碳化物这些问题正是由于钢锭结晶偏析造成了轴承钢中的碳化物分布不均匀。轴承钢中碳化物的不均匀分布是由于钢锭结晶偏析所造成的，表现为，外国的研究机构从两方面着手来改善轴承钢的碳化物分布不均匀的问题，第一是试图减小钢锭或钢坯的偏析，严格把控浇铸温度，让过热度控制在10℃上下浮动；第二是通过加强钢锭或铸坯的高温均热扩散，来消除碳化物液析，改善碳化物带状偏析；除此以外采用低终轧温度或者通过对钢材进行正火处理来改善网状碳化物，消除大块碳化物。轴承钢的疲劳寿命因为高碳铬轴承钢组织中的碳化物分布不均匀一直很难得到提高。

1．2．2滚动轴承的主要失效形式[6]

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一般来说下，滚动轴承的主要破坏形式是在交变应力作用下的疲劳剥落，以及由于摩擦磨损而使轴承精度丧失。除此以外，还有就是裂纹、压痕、锈蚀等原因造成轴承的非正常破坏。[7]

1）接触疲劳失效

接触疲劳时效指的是由于轴承在工作时外表面遭受到交变应力的作用而发生的失效。接触疲劳剥落发生在轴承的工作表面，随之而来的疲劳裂纹最开始在接触的表面轴承工作表面最大交变切应力的地方，随后扩展到外表，造成不同类型的剥落，最常见的有点蚀（或麻点剥落），片状的称为浅层剥落。接触疲劳时效的疲劳源是由于剥落由表及里向深层次扩展形成深层剥落。[8]。

2）磨损失效

磨损失效指的是两个外表面之间相对滑动摩擦导致表面金属不断磨损而产生的失效[9]。持续的磨损将会引起轴承零件的逐步破坏，最后会造成轴承尺寸精度丧失以及其他相关的一系列问题。磨损可能造成外形变化、配合间隙增大以及工作外表面形貌变化，更有甚者可能会影响到光滑剂或使其污染到达一定水平而形成光滑功用完整丧失，导致轴承丧失旋转精度而不能正常旋转。磨损失效作为轴承常见的失效形式，常见的形式可以分为磨粒磨损和粘着磨损。

a.仪器检测

应用仪器，比如说铁谱仪、SPM、新型VIB05检测仪来判断轴承的运转状态，来判别是否应当停止维护或改换，是简单又有效的办法[11]。例如当运用VIBO5检测仪，这是一款基于微处置器最新设计的机器状态检测仪器，具备有振动检测，IKO进口轴承状态剖析和红外线温度丈量功用。它的操作简单，自动指示状态报警，十分合适现场设备运转和维护人员检测设备状态，及时发现问题，保证设备正常牢靠运转。应用这样的仪器，能够充沛应用轴承工作潜力，及时将轴承保修，并可防止毛病发作，比拟合适年轻工作人员，以补偿其经历方面的缺乏。

b.人工检测

在不具备上述仪器的场所，能够运用相似医用听诊器的设备改装的监听工具检测，经历丰厚的操作人员也能够经过圆棒或扳手等工具抵触最接近轴承的机器外壳部位，用耳朵经过工具监听轴承的运转声。在没有上述仪器的情况下，也可以使用类似医用听诊器的设备改装的工具检测 ，甚至工作年代久远的工人可以用圆棒或

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者扳手接近轴承机器的外壳，用耳朵就可以监听轴承的运转声。正常的轴承运转声应当是平均、平稳不刺耳，而不正常的轴承运转声则是断断续续，有冲击性或刺耳的声音。

1．2．3滚动轴承的性能要求

滚动轴承对材料的基本要求在很大程度上取决于轴承的工作性能。选择制造滚动轴承的材料是否合适，对其使用性能和寿命将有很大影响[12]。其中很多性能是由材料和热处理工艺所共同决定的。由于滚动轴承对材料的基本要求是由轴承的失效形式决定的，所以要求制造滚动轴承的材料经过后工序的一定热处理后应具备下列性能：

(1)高的接触疲劳强度 (2)高的耐磨性 (3)高的弹性极限 (4)适宜的硬度 (5)一定的冲击韧性 (6)良好的尺寸稳定性

除此以外，考虑到某些轴承工作的特殊条件，除了具备上述基本要求外，对它所用的材料还需要提出相应的特殊性能要求，比如说耐高温、高速、抗腐蚀及防磁性能...

1.3 国内轴承钢的发展及现状 1.3.1国内轴承钢的发展及存在的问题

国内轴承钢的发展史可以分为以下四个阶段

第一阶段( 1950—1960 年) 是学习和起步阶段, 该阶段仅生产高碳铬轴承钢。

第二阶段( 1961—1975 年) 是自行研究和开发阶段。在钢种方面, 开发出高温轴承钢、不锈轴承钢、渗碳轴承钢及原子能等尖端科技装备和仪表用的特种轴承钢材料。在冶炼方面, 开发了电渣重熔、炉外合成渣熔炼及平炉- 电炉混炼+RH 真空脱气等新技术、新工艺。在热处理方面, 开始探索连续式热处理炉在轴承钢球化退火中的应用, 为以后的发展奠定了基础[13]。

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第三阶段( 1976—1985 年) 是发展和提高阶段[14]。为适应计算机、机器人、宇航仪表等领域急需高精度、长寿命的轴承产品, 冶金企业围绕提高钢的纯洁度、改善碳化物不均匀性, 对钢的生产工艺、技术装备和检测仪器等进行了全面的改造, 相继建立了与18t、30t 电弧炉相配合的VAD（VHD) 、LFV 等精炼设施。GCr15 类钢的氧含量从大气下熔炼的30—40LgPg 降到了10LgPg 左右,生产的轴承钢材, 氧含量和接触疲劳寿命已达到80 年代瑞典SKF 和原西德进口材的实物水平。但从整体上看, 我国轴承钢生产仍存在炉容量小、全部模铸、轧制及热处理工艺落后等问题,钢材表面质量、尺寸精度没有得到同步提高, 与国际水平尚有较大差距。 第四阶段( 1985—2005 年) 是对标国际先进水平阶段。‘钢厂炉外精炼技术逐渐成熟, 电炉容量越来越大, 广泛应用连铸技术, 已经实现连铸坯热送; 钢材纯洁度显著提高: 钢中氧和钛含量分别达到5—7LgPg ( 特殊轴承钢的氧含量达到2—5LgPg ) 和10 — 12LgPg, 钢中硫含量可控制在0.1003%以下, 钢材的碳化物不均匀性得到明显改善, 采用辊底式连续退火炉, 使珠光体组织得到改善, 钢材的外观尺寸也显著改善。’轴承钢生产已趋于专业化生产, 并开始向世界顶级的NMB、SKF、TIMKEN、NSK 等跨国轴承公司提供钢材[15]。

表面上我们国家已经成为轴承钢制造大国，但是实际上我们离轴承钢制造强国还有相当长的一段路要走，主要表现在以下几个方面：

(1) 轴承钢品种、规格不全, 低档次较多,高档次较少。高质量、高性能轴承钢品种少。从品种方面, 尚未形成高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、中碳轴承钢、高淬透性轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等专用轴承材料系列。高纯洁度的精品轴承钢的比例较低。

(2) 轴承钢钢材的质量、性能稳定性较差,外观质量欠佳。轴承钢的专业化生产程度较低。中国轴承钢生产分散度大, 几十家生产厂家中有百分之八十厂家的生产工艺装备不配套, 尤其是成品工序的装备以及相关在线检测手段落后, 严重制约了我国轴承钢总体质量和性能的提高。轿车轴承用钢、高速铁路轴承用钢、进口装备专用轴承用钢、部分高精度、高附加值和在特殊工况条件下使用的专用轴承(钢材) 仍需进口。

1.3.2 国内轴承钢的生产现状

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