摘要
随着国民经济快速发展，我国轴承行业正从制造大国向强国发展。GCr15(第一代轴承钢)作为最经典的轴承钢之一，具有较高的硬度和耐磨性。随着高端轴承装备的发展，对轴承的要求不仅局限于高承载和高接触疲劳性能，还需要其在某些更恶劣的服役环境下具有高耐蚀性、耐热性和轻质性等特点。第二、三代轴承钢已基本满足轴承耐蚀性和耐温性等要求，而轴承钢的轻量化目前对于航空航天领域的发展非常迫切。近年来大多研究人员将研究重点放在了轴承钢的耐磨性和纯净度研究上，对轴承钢在轻质材料方面的开发及研究较少。针对此问题，本论文在GCr15轴承钢成分基础上进行新的合金化设计，适当提高钢中碳含量，添加6 wt.%Al元素，得到一种新型轻质轴承钢GCr15Al，采用多种组织表征方法和性能测试手段，确定了其最佳球化和淬火工艺。在此基础上，对 GCr15Al 进行双淬回火处理，系统研究了回火过程中微观组织的演变规律，探讨了试验钢在不同回火温度下的力学性能。主要研究内容与结果如下: ① 计算了试验钢的密度与平衡相图。添加6 wt.%Al元素后，较传统GCr15钢，试验钢密度降低9%，奥氏体相变温度(Acm、A1)均提高了83℃。此外，Al元素提高了共析点含碳量，抑制钢中先共析网状碳化物析出，使得大多碳化物以共析形式存在，经正火处理后便可得到完全珠光体组织和少量颗粒碳化物。 ② 研究了球化温度对钢中碳化物尺寸及形貌的影响。随着球化温度的升高，碳化物平均粒径增加，长轴/短轴平均值先降低后增加，860℃球化后碳化物平均粒径为1.19μm，长轴/短轴平均值(1.73μm)最小，因此选择860℃作为试验钢的最佳球化退火工艺。 ③ 在所选的球化退火态基础上，研究了淬火温度对钢组织与硬度的影响。随着淬火温度逐渐升高，钢的硬度先下降后迅速上升，最后趋于平稳，在900℃淬火时硬度最高，获得的马氏体组织较为细小均匀，未溶碳化物均匀弥散分布在基体上。 ④ 根据不同温度淬火后钢组织与硬度的变化规律，确定900℃作为双淬火温度，研究了 GCr15Al 经双淬及 160℃~600℃回火后析出相的演变规律及力学性能的变化。160℃回火后，大量细针状ε-碳化物弥散分布在马氏体基体中，随回火温度逐渐升高，细针状ε-碳化物逐渐粗化成小片状，最终转变成粒状θ-碳化物(Fe3C)，马氏体基体也逐渐分解最终形成等轴铁素体。钢的强硬度随回火温度升高呈现先增加后降低的趋势，350℃回火后，GCr15Al获得了硬度为63.4 HRC、抗拉强度高达2734 MPa、延伸率为3%的优异力学性能。 ⑤ 定量分析了 GCr15Al 经双淬-回火处理后，组织中残余奥氏体与残余奥氏体含碳量的变化。随回火温度从160℃升高至600℃，残余奥氏体含量由34.7%降低至13.2%，残余奥氏体含碳量由0.19 wt.%升高至0.6 wt.%，含碳量增加使得残余奥氏体稳定性提高。回火过程中Al元素促进贝氏体相变发生，部分残余奥氏体发生贝氏体转变，形成由薄膜状残余奥氏体和铁素体条组成的无碳化物贝氏体，残余奥氏体与铁素体之间存在特定的取向关系，有利于钢的强韧性提升。
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