【摘要】：研究了提高轴承稳定性的组织因素及工艺方法.发现：采用深冷处理可减少淬火钢中残余奥氏体含量，同时降低钢中点缺陷的密度，从而减少了影响工件尺寸变化的组织结构因素.
【关键词】：轴承钢；深冷处理；残余奥氏体
【中图分类号】：：TG156.91
【文献标识码】：A
Investigationoftheinfluenceofcryogenictreatment
onthestabilityofbearings
LIShi-yan，LIUXiu-zhi，HELi-li
（CollegeofMaterialsScienceandEngineering，GansuUniv.ofTech.，Lanzhou730050，China）
【Abstract】：Themetallographicalstructureandtheprocessingmethodofthebearingsthatimprovetheirstabilityareinvestigated.
Itisfoundthatadoptionofcryogenictreatmentisabletoreducethecontentofausteniteresiduumaftersteel
quenchingaswellasthedensityofspotdefectinthesteel，sothattheinfluencingfactorofmetallographicstructureon
thedimensionoftheworkpieceisreduced.
【Keywords】：bearingsteel；cryogenictreatment；austeniteresiduum
热处理是提高机械产品质量，延长零件使用寿命，提高工件尺寸稳定性的重要手段.正确选择材料、合理地设计热处理工艺是提高轴承产品质量的重要因素.GCr15轴承钢在热处理的淬火过程中产生较多残余奥氏体，在工作或在放置的过程中将转变为马氏体组织以后又将进一步分解，因此残余奥氏体是引起时效变形的主要原因.
1试验准备
1.1试验用钢的化学成分GCr15
钢的化学成分见表1
.
1.2钢的临界点及“C”曲线
GCr15钢的临界点为Ac1=750℃，Ar1=735℃，Acm=900℃，Ms=240℃.GCr15钢的等温动力学“C”曲线如图3所示［1］.
1.3深冷处理用试样及深冷设备
深冷试样取淬、回火后的棒料，直径φ=15mm，长30mm.深冷设备采用自制100立升的真空绝热保温杜瓦罐.
1.4深冷前的热处理及金相组织
淬火工艺：盐浴加热860℃，加热时间为40min/mm，淬火介质用3号机油（油温40℃）.回火工艺：硝盐浴170℃，2h.淬回火后的硬度.58/60HRC.金相组织：混合马氏体+碳化物+残余奥氏体，见图2所示.其中奥氏体晶粒8～9级，碳化物4级占7%～8%，残余奥氏体占7%～9%.
2实验观察与分析
2.1轴承钢深冷处理工艺
深冷处理与普通冷处理除处理温度不同外，普通冷处理仅提高工件的硬度，深冷处理后工件的硬度提高不明显，但存在以下特点：
1）可提高金属（有色与黑色）工件的强度、韧性和耐磨性；
2）可提高精密机械零件的尺寸稳定性；
3）可提高工模具的使用寿命.本研究采用的深冷处理工艺为直浸式，液氮作为低温冷却介质，深冷处理温度为-196℃［2］.深冷处理保温时间取120min和180min.深冷处理180min后的透射电镜照片如图3所示.由于深冷过程中残余奥氏体转变成马氏体使得数量减少，同时残余奥氏体被马氏体分割，已由大块状变成小块状或膜状沿马氏体边缘分布.
2.2低温容器中温度分布与测定
测量低温介质在深冷设备中的温度分布是很必要的，这对深冷罐（杜瓦罐）的设计与工件的安放位置均有很大的帮助.图4是测温高度与温度分布曲线.从图中可见，距离底部约200mm处，温度分布。基本相同，上端由于瓶口热辐射而温度分布不同.横向温度分布在瓶口附近边上与中心的温差为-100℃.
3影响轴承钢稳定性的研究
随着高新技术的不断涌现，越来越要求机械零件具有严格的尺寸精度及稳定性.本研究侧重研究影响稳定性的内在原因.
3.1晶体缺陷的影响
金属中存在的位错和原子空位密度的多少直接关系到工件宏观尺寸的变化.如位错密度N和材料密度间存在着下列关系［3］：
其中，Δρ是因存在位错而产生的密度变化量；b是柏氏矢量..
日本德岛大学工学部教授藤原睛天夫给出位错密度N宏观应变Δl之间的关系.
其中，柏氏矢量对于钢铁材料b=2.5×10-8cm.所以Δl=4.2N×10-16cm.
其次，原子空位（点缺陷）在热力学上有稳定的平衡浓度，但工件在受外力或热处理产生塑性变形时，可能由于位错的交互运动也将萌生数量较多的空位［4］，本研究采用正电子淹没技术测量发现深冷后的点缺陷浓度变小.藤原晴夫得出关于空位浓度与宏观体积收缩的关系式［3］：
其中：ΔV/V是因空位浓度减少而引起的体积变化率；α是空位原子的容积比，常取0.42.本课题采用正电子淹没技术测出了深冷后的空位表浓度变化.深冷前的正电子寿命为298s，深冷3h后为163.4s，可见，深冷处理减少了空位浓度，因此提高了工件的强度和稳定性，从而避免形成空位群而造成微裂纹.
3.2残余奥氏体的影响
众所周知，残余奥氏体是一种介稳定组织，在室温工作的机械零件残余奥氏体向马氏体转变时由于这两相的比容不同导致几何尺寸改变，经研究证明试验用钢淬火比容后，残余奥氏体的含量为10%，低温回火后降为8%，文［3］提出的公式描写了奥氏体数量的变化：
由实验可知，奥氏体全部转变为马氏体体积增加约2.1%，若变形在三个方向均匀分布，则每个方向上将产生1/3的尺寸变化，也就是一个方向上有0.7%的尺寸增加.当淬火后有10%的残奥存在时，全部转变为马氏体则有0.07%的膨胀.
深冷处理后的残奥仅有3%以下，因此尺寸变化不会引起“卡轴”事故.表2是通过X射线结构分析测得不同深冷处理工艺后的残奥数量.
图5是GCr15钢不同淬火加热温度下淬火与深冷处理后的残奥数量对比曲线.本研究通过测量试样的长度变化来比较常规热处理与深冷处理的尺寸稳定性.表3是GCr15钢不同处后经长时间放置的尺寸变化统计情况.从表中可见深冷处理可以减少残奥的含量.
以上仅从残奥的转变角度证明了精密工作中残奥数量越少越好，以避免因马氏体增多而造成的膨胀变形，但还应考虑工件在工作中的温度升高而引起马氏体分解所造成的宏观体积减少.研究发现淬火轴承钢经深冷处理后在高碳马氏体的孪晶带上已有发生分解的微细碳化物（FeCr）3C沉淀（如图6）.因此轴承钢中的淬火马氏体不会因温度升高再进一步分解，有利与提高工件的稳定性.