摘要
GCr15轴承钢在热轧状态下呈现片状珠光体组织，硬度较高且加工性能不佳。通常采用长时间的球化退火工艺进行改善，但这种方法不仅耗时较长，而且球化效率低下。并且在随后淬火和回火工艺中，会产生高硬度、高脆性的单相马氏体组织，导致钢材的冲击韧性难以达到要求，从而引发轴承开裂和失效。本文选取GCr15轴承钢作为研究对象，探究GCr15轴承钢在退火和淬、回火工艺中的组织演变规律，并通过优化工艺方案以及参数，改善钢材组织与力学性能。本文主要工作如下： （1）通过淬火工艺以及Thermo-calc中Dictra扩散模块研究不同奥氏体化参数对碳化物溶解的影响以及元素扩散情况。结果表明，随着奥氏体化温度由760℃升高至850℃或等温时间由10min延长至180min，片状珠光体先溶断后球化再至溶解，单位面积内未溶碳化物数目以先增多后减少的趋势变化，且奥氏体成分逐渐均匀化。因此，在奥氏体化温度为800℃，等温30min时，未溶碳化物平均圆度为1.33μm，单位面积内未溶碳化物个数达到3.7μm-2，保证较多的球状未溶碳化物数目，促进后续离异共析转变发生。模拟GCr15钢在800℃、850℃奥氏体化温度溶解过程，随着奥氏体化温度升高或奥氏体化时间延长，未溶碳化物体积分数均逐渐减少，溶解速度先快后慢；并且温度升高加快碳（C）、铬（Cr）元素扩散速率，而铬（Cr）元素质量分数在碳化物中明显提高，抑制了后续碳化物溶解，减缓碳化物溶解速度。 （2）通过等温球化退火工艺研究不同工艺参数对碳化物球化的影响。结果表明，奥氏体化温度由760℃升高至850℃或奥氏体化时间由10min延长至180min时，单位面积内碳化物数目均以先增多后减少的趋势变化，棒状碳化物占比先增多后减少再增多。在冷却后的等温过程中，等温温度由660℃升高至720℃，当等温温度过低时，元素的短距离扩散，发生珠光体转变；而等温温度过高时，未溶碳化物继续溶解，片状碳化物转变增多。在等温时间由30min延长至120min的过程中，小尺寸碳化物逐渐消失，大尺寸碳化物持续粗化。因此，在800℃保温30min后炉冷至700℃等温90min进行等温球化退火工艺，促进离异共析转变发生，最终碳化物尺寸细化至0.27μm，单位面积内碳化物数量达到5.5μm-2，棒状碳化物占比13.2%，圆度为1.3μm，球化效果最佳，且分布均匀。 （3）通过贝氏体等温淬火及回火、马氏体预淬火及回火工艺研究不同工艺参数对下贝氏体组织演变的影响。结果表明，随着下贝氏体等温温度提升或等温时间延长，下贝氏体含量均有所增加，且增长速率先快后慢。与常规马氏体淬回火工艺相比，下贝氏体-马氏体复相组织在保证硬度的前提下，展现出更优韧性。此外，与直接贝氏体等温淬火工艺相比，在相同等温时间内，马氏体预淬火比贝氏体等温淬火工艺多产生12.92%的下贝氏体组织。经过优化，得到最佳的马氏体预淬火及回火工艺参数为850℃×30min+160℃×1min+240℃×10min+回火，缩短淬火周期，在保证硬度前提下，提高韧性。
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