二次淬火温度对G20CrNi2Mo轴承钢力学性能的影响

崔皓哲王 培蒋中华张玉妥

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，沈阳 110159；
2.中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心，沈阳 110016)

G20CrNi2Mo 轴承钢是一种低碳、低合金结构钢，其合金元素含量低，可以通过渗碳工艺使零件表面硬化，得到渗碳钢。

渗碳钢常应用于对表面强度有高要求的渗碳轴承和渗碳齿轮上，如高铁轴承、机床齿轮等；
也可用于整体强化型的高强度和超高强度合金结构钢[1]。

高铁用G20CrNi2Mo渗碳轴承钢在工作时会受到摩擦和较高冲击载荷作用，要求其表面具有高强度、高耐磨性，心部具有强韧性。

G20CrNi2Mo 轴承钢属于淬火加低温回火钢，但是常见的一次淬回火工艺无法使轴承钢达到强韧性匹配，这种轴承钢强度较高但是韧性差，无法承受较高的冲击载荷。

因此，通过设置二次淬回火工艺提高G20CrNi2Mo 轴承钢的韧性尤为重要。

文献[2]的研究表明，当淬火温度在900 ～1200℃时， G20CrNi2Mo 钢的屈服强度超过1100MPa，抗拉强度超过1400MPa，均处于较高水平，但其塑性韧性较差；
尽管随着淬火温度升高，G20CrNi2Mo 轴承钢塑性有所增强，但仍无法达到强韧性匹配。

文献[3]的研究表明，当淬火温度在860 ～890℃时，G20CrNi2Mo 钢的冲击韧性升高，可达到24 ～26J，但其值仍处于较低水平，亦无法达到强韧性匹配。

本文将淬火温度设定为780 ～860℃，研究二次淬火温度对G20CrNi2Mo 轴承钢显微组织和力学性能的影响，确定G20CrNi2Mo 轴承钢达到强韧性匹配的热处理工艺条件。

1.1 实验材料

实验用钢为G20CrNi2Mo，通过直读光谱仪测得其化学成分如表1所示。

合金元素为Si、Cr、Mn、Ni、Cu 和Mo，其中Mo 的含量高于GB/T 3203—2016 标准，目的是提高钢的淬透性，Ni 与Cr 同时加入，可显著增强钢的淬透性[4]。

表1 G20CrNi2Mo 轴承钢化学成分(质量分数) %

1.2 热处理工艺

G20CrNi2Mo 轴承钢的相变温度(Ac3)为784℃，实验采用一次淬火温度为860℃，一次回火温度为680℃，采用不同的二次淬火温度和170℃的回火温度，研究二次淬火温度对G20CrNi2Mo轴承钢显微组织和力学性能的影响。

实验钢的热处理工艺条件如表2所示。

表2 热处理工艺条件

淬火加热在SXL-1200C 箱式实验室电炉(上海钜晶公司)中进行，回火在JH-9039A 400℃高温箱(上海简户公司)中进行，淬火介质为机油。

1.3 性能测试

线切割制取冲击试样尺寸为55mm×l0mm×10mm(带U 型缺口的标准试样)，使用ZBC2452-C 摆锤式冲击试验机(美特斯公司)进行冲击韧性测试；
拉伸试样尺寸选用厚度为2mm、宽度为4mm 的标准板条，使用MTS E45.105 万能试验机(美特斯公司)进行拉伸试验；
采用HR-150 洛氏硬度计(莱州莱洛特公司)进行硬度测试。

金相试样在冲断试样上截取，腐蚀剂采用4%硝酸酒精溶液，采用Axio Observer Z1 研究型金相显微镜(蔡司公司)和QUANTA450 钨灯丝扫描电镜(SEM，美国FEI 公司)进行金相表征。

试样置于饱和苦味酸溶液中，在70℃水浴锅中恒温加热1min，洗净，在光学显微镜下观察并拍摄清晰晶粒图片，然后采用Adobe Photoshop 画出晶粒，再通过CAJViewer 软件进行晶粒度统计分析，得到样品晶粒度。

试样使用30%高氯酸酒精溶液进行电解抛光，去除轴承表面磨抛过程产生的残余应力，然后采用SmartLab 型X 射线衍射仪(日本理学)测试得到X 射线衍射图谱，进一步通过MDI Jade 软件计算得到试样的残余奥氏体含量。

2.1 显微组织

G20CrNi2Mo 轴承钢在一次淬回火后的显微组织如图1所示。

图1 一次淬回火下G20CrNi2Mo 轴承钢的显微组织

由图1可见，基体组织为马氏体组织，未发现大量位错，检测其晶粒度为10.5，属于细晶粒，残余奥氏体含量≤1%。

不同二次淬火温度(170℃× 5h 回火) 下G20CrNi2Mo 轴承钢的金相组织和SEM 照片如图2所示。

图2 不同二次淬火温度下G20CrNi2Mo轴承钢的显微组织

由图2可见，实验钢在780 ～860℃区间淬火时，G20CrNi2Mo 轴承钢均呈现低碳马氏体组织形貌；
马氏体硬度高、耐磨性好，可以保证轴承表面具有高耐磨性，避免出现摩擦磨碎，降低轴承精度；
随着二次淬火温度的升高，马氏体组织板条变细。

G20CrNi2Mo 轴承钢在780、820 和860℃奥氏体化温度下，原奥氏体晶粒度分别为8.7、9.6和10.3；
随着温度升高，G20CrNi2Mo 轴承钢的晶粒度逐渐升高，晶粒逐渐细化，原奥氏体晶粒的细化直接导致相变后马氏体板条变细[5]。G20CrNi2Mo 轴承钢在三种淬火温度下的SEM图像均未发现碳化物。

通过金相中组织形貌观察可以看出，在780℃淬火时，G20CrNi2Mo 轴承钢组织为错杂的板条马氏体，与一次热处理工艺相比(图1)，二次淬火后的轴承钢组织中含有大量位错，并存在孪晶亚结构；
当淬火温度从780℃升高到860℃，G20CrNi2Mo 轴承钢马氏体组织进一步细化，位错数量增加，孪晶亚结构减少[6-7]。

板条马氏体中存在着高密度位错时，其抗冲击、抗磨损性能和抵抗裂纹扩展能力得到提高，同时还具有优异的耐腐蚀性能。

由XRD 检测结果计算得到三种温度下G20CrNi2Mo 轴承钢的残余奥氏体含量均≤1%。

2.2 力学性能

在不同二次淬火温度780、820 和860℃(170℃×5h 回火)下，测得G20CrNi2Mo 轴承钢的洛氏硬度值分别为40.5、41.0 和40.6HRC。

由于长时间的回火热处理降低了淬火温度对G20CrNi2Mo 轴承钢硬度的影响，使不同淬火温度下钢的硬度无明显差别。

不同二次淬火温度(170℃× 5h 回火) 下G20CrNi2Mo 轴承钢的强度性能测试结果如图3所示。

图3 不同二次淬火温度下G20CrNi2Mo轴承钢的强度性能

由图3可见，随着温度的升高，G20CrNi2Mo轴承钢的屈服强度和抗拉强度均呈现上升趋势。温度在780 ～820℃之间时，G20CrNi2Mo 轴承钢屈服强度和抗拉强度上升明显；
二次淬火温度升高，奥氏体化晶粒尺寸变细，马氏体板条变细，导致G20CrNi2Mo 轴承钢强度上升。

当温度超过820℃时，因其组织形貌受温度影响减小(图2)，故屈服强度和抗拉强度增长变缓[8-9]。

对比一次热处理结果(屈服强度达到930MPa，抗拉强度超过1150MPa)，G20CrNi2Mo 轴承钢的屈服强度和抗拉强度变化不大，均处于较高水平。

不同二次淬火温度(170℃× 5h 回火) 下G20CrNi2Mo 轴承钢的断后伸长率和冲击功测试结果如图4所示。

图4 不同二次淬火温度下G20CrNi2Mo轴承钢伸长率和冲击功

由图4可见，随着温度的升高，G20CrNi2Mo轴承钢的冲击功和断后伸长率均呈现下降趋势，冲击功从121.50J 下降为92.75J，断后伸长率受温度的影响较小，基本维持在13% ～16%；
随着淬火温度升高，马氏体板条变细，组织中位错密度下降，导致G20CrNi2Mo 轴承钢韧性和塑性下降[10-12]。

对比一次热处理结果(冲击功64.5J，断后伸长率13%)，二次热处理轴承钢的断后伸长率没有明显变化，但其冲击功有效提高。

(1)不同二次淬火温度下，G20CrNi2Mo 轴承钢显微组织由马氏体和少量残余奥氏体组成；
随着温度升高，G20CrNi2Mo 轴承钢奥氏体化晶粒尺寸变细，马氏体组织板条变细。

(2)随着淬火温度的升高，G20CrNi2Mo 轴承钢屈服强度和抗拉强度以相同的趋势升高，780 ～820℃升高明显，820 ～860℃时G20CrNi2Mo 轴承钢屈服强度与抗拉强度变化不大。

(3)设置二次热处理可以有效提高G20CrNi2Mo轴承钢的冲击韧性；
随着淬火温度的升高，G20CrNi2Mo 轴承钢冲击功和断面伸长率下降，且下降幅度逐渐变缓。

(4)为保证轴承钢具有较高强度的同时，其韧性也处于较高水平，选择淬火温度为820℃，该条件下G20CrNi2Mo 轴承钢强韧性匹配最好。