G C r轴承钢热处理工艺
设计
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工艺课程设计（论文）
题目：GCr15轴承钢热处理工艺设计
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课程设计（论文）任务及评语
院（系）：教研室：材料科学与工程教研室
目录
1 GCr15轴承钢热处理概述
对轴承钢的冶炼质量要求很高，需要严格控制硫、磷和非金属夹杂物的含量和分布，因为非金属夹杂物的含量和分布对轴承钢的寿命影响很大。对轴承钢的基本质量要求就是纯净和组织均匀。纯净就是杂质元素及非金属杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细小，分布要均匀。夹杂物量愈高，寿命就越短。为了满足这些性能的要求，常常采用高碳铬轴承钢(GCr15 )经退火、淬火加低温回火的热处理工艺，为了改善冶炼质量，近来已采用电炉冶炼并经电渣重熔，亦可采用真空冶炼，真空自耗精炼等新工艺来提高轴承钢的质量。
高碳铬轴承钢的含碳质量分数比较高，一次预备热处理是球化退火，主要目的是为
了降低硬度，改善切削加工性，同时获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理做好
组织上的准备。
通过对经典GCr15轴承钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中
所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是
通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。
根据轴承的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的轴承材料为GCr15轴
承钢；在设计球化退火-淬火加低温回火热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理工程师
手册》，《钢的热处理》，《热处理工程基础》，《金属热处理原理与工艺》等。根据
工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的GCr15轴承钢具有高
硬度，高耐磨性，高的耐点蚀性能，高的疲劳强度，从而满足轴承的质量要求。
2 GCr15轴承钢热处理工艺设计
GCr15轴承钢的服役条件、失效形式及性能要求
2.1.1服役条件、失效形式
滚动轴承运转时，内外套圈与滚动体之间呈点接触或线接触，受到周期性的载荷作用，由于接触面积极小，在接触面上承受极大的压应力和交变载荷，接触应力可达2000～5000MPa，应应力交变次数可达每分钟数万次甚至更高，从而容易造成轴承钢的接触疲劳破换。轴承在工作中，滚动体和套圈及保持器之间还会有相对滑动，产生相互摩擦；大气和润滑剂对轴承还有一定的腐蚀作用；某些情况情况下轴承还会受到冲击负荷的作用。轴承的破坏形式是多种多样的，如疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等。
2.1.2 性能要求
1.高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；
2.高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，其硬度为（HRC）61～65；
3.一定的冲击韧性；
4.良好的尺寸稳定性（或组织稳定性），这对精密轴承特别重要；
5.在和大或润滑油接触时要能抵抗化学腐蚀；
6．好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。
轴承钢材料的选择
轴承钢一般要经球化退火处理和淬火加低温回火处理，球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，同时获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理做好组织上的准备。
GCr15SiMn(A)钢是在GCr15基础上，提高Si、Mn含量的改型钢，以改善其淬透性和弹性极限，耐磨性也有所提高。但其热处理工艺麻烦，成本高。
渗碳钢如20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，经渗碳-淬火低温回火处理后，表面有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而心部具有很高的冲击韧性。用渗碳钢做轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳淬火处理后，在表层形成有利的残余应力，提高轴承的使用寿命。但适用于轧钢机械、矿山挖掘机和其他一些受冲击负载荷较大的机械使用的轴承。
高速钢如Cr4Mo4V(M50)、W6Mo5Cr4V2、W9Cr4V2。这类钢的特点是含有大量的M、Mo、Cr、V等碳化物形成元素，经淬火后可获得高合金化的高碳马氏体，具有良好的回火稳定性，并在高温回火后产生二次硬化现象，因此能在高温下保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。但其加工复杂，成本高，适用于在高温、高速和高载荷下工作的航空发电机、宇航飞行器、燃气轮机和涡轮增压器等装置中的轴承。
综上所述，GCr15钢含有较少的合金元素，综合性能良好，淬火回火后具有高而均匀的硬度，耐磨性能好，接触疲劳强度高。钢的热加工性好，球化退火后有良好的可切削性。适宜制造各种轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针；还可用于制造量具、冲压模具、机床丝杠以及柴油机油泵油嘴上的精密零件等。
Cr15钢的C曲线
通过查找《热处理手册》获得Cr15钢的C曲线如图1所示。
图1 GCr15钢的C曲线
GCr15轴承钢的热处理工艺设计
2.4.1 GCr15轴承钢的工艺流程
1.加工路线
材料→冲压或锻制毛坯（材料加热）→热处理（退火）→车削加工→热处理（淬火、回火）→研磨加工。
2. 锻造工艺设计
锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出GCr15轴承钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表1所示。
表1 GCr15轴承钢的热加锻造工艺规范
项目Ac1（Ar1）Ac3（Ar3）加热温度始锻温度终锻温度
钢坯760℃（695℃）900℃
（707℃）
1200～1240℃1080℃800℃
图2是滚动轴承的零件图。
图2GCr15轴承零件图
2.4.2 GCr15轴承钢的热处理工艺设计
1．预备热处理工序—球化退火
球化退火目的是使组织变为均匀分布的细粒状珠光体，获得最佳的机加工性能并未淬火提供良好的原始组织，淬火、回火后获得最佳的力学性能。Cr15钢退火组织为细粒状珠光体（碳化物平均直径为～,最小,最大）和不均匀粗粒状珠光体（碳化物平均直径为～，最小,最大6um）的206内套，经不同温度淬火并回火，加工后在轴承寿命试验机上实验，结果下表2。
表2 退火组织中碳化物颗粒大小和均匀性对轴承接触疲劳寿命的影响原始组织淬火温度/℃平均寿命/h 寿命波动范围/h 稳定系数均匀细小粒状珠820 396 198～561 2．8
光体840 811 354～1941
860 581 401～818
不均匀粗粒状珠
光体820 340 89～489 840 505 186～1408 860 558 413～870
轴承钢球化退火温度：GCr15钢为780～810℃，锻件经特殊热处理后，其退火温度应降低10～20℃。其球化退火工艺曲线如图2所示。
图2 GCr15钢球化退火工艺曲线
2．最终热处理工序—淬火、低温回火
该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。所以选择淬火加回火，使其具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。其工艺曲线如图3所示。
图3 GCr15钢的最终热处理工艺曲线
GCr15轴承钢的热处理工艺理论基础、原则
2.5.1 GCr15轴承钢的球化退火工艺理论基础、原则
1．球化退火加热温度
球化退火加热温度为Ac1+(20～40)℃或Accm-(20～30)℃，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火
相比，等温球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后
的硬度。
图4 Fe-C合金相图
2．球化退火的目的
球化退火的目的是降低钢的硬度，改善切削性能，并为以后淬火作好准备，以减少淬火后变形和开裂。
2.5.2 GCr15轴承钢淬火工艺原理
钢的淬火是热处理工艺中最重要的工序，淬火后得到的组织主要是马氏体，此外还有少量残余奥氏体，对高碳钢还有未融的碳化物。钢件淬火的主要目的是提高强度、硬度和耐磨性。结构钢通过淬火和高温回火后，可以获得较好的强度和塑性、韧性的配合；轴承通过淬火和低温回火后，可以获得很高的硬度和耐磨性，对某些特殊合金淬火还会显着提高其物理性能。
1．淬火的目的
淬火可使零件获得高的硬度和耐磨性，高的接触疲劳寿命和可靠性，高的尺寸稳定性。
2．淬火冷却介质和冷却方式的选择
淬火冷却介质应保证轴承零件在冷却过程中、在奥氏体最不稳定区有足够的冷却速度，而不发生非马氏体转变；在马氏体转变范围Ms～Mf内缓慢冷却，以达到减少组织转变和开裂的效果。
轴承钢具有足够的淬透性，按零件大小（指壁厚），GCr15钢的直径小于 12mm的滚动体，壁厚小于12mm的套圈，根据图5、图6可选用油淬火达到要求。
图5GC15轴承钢淬透性曲线
图6半马氏体硬度与钢的含碳量关系曲线
3.淬火加热温度和保温时间
轴承零件的淬火加热温度和保温时间与其零件的有效厚度有关，(《热处理手册第四版第2卷》中国机械工程学会热处理学会机械工业出版社。)详细见表3。
表3 轴承钢淬火加热温度和保温时间
钢号名称零件有效厚
度/mm 加热温度/℃加热时间
/min
GCr15 套圈＜3 835～845 23～35
＞3～≤6840～850 35～45
＞6～≤9 845～855 45～55
＞9～≤12850～860 55～60 GCr15 钢球＜3 840～845 35～35
＞3～15 845～850 35～45
＞15～50 850～860 50～65 GCr15 滚子＜3 835～845 35～45
＞3～10 840～850 35～45
＞10～22 845～855 45～55
2.5.3 GCr15轴承钢回火工艺理论基础、原则
1．回火温度确定原则
GCr15轴承钢要有较高的综合力学性能,回火温度对GCr15钢残留奥氏体含量有很大的影响。不同钢含碳量的硬度与回火温度关系曲线图7（《钢的热处
理》胡光立、谢希文西北工业大学出版社。）可知其在150～160℃回火可满足使用要求。
图7不同含碳量钢硬度与回火温度关系曲线
2．回火温度时间确定原则
回火时间从工件入炉后炉温升至回火温度时间开始计算回火时间一般为1～3h，可参考经验公式加以确定：tn=Kn+AnD
式中tn-回火时间（min）；
Kn-回火时间基数；
An-回火系数；
D-工件有效厚度（mm），当回火温度低于300℃时，Kn为120min和An为1由此工件回火时间为～。
3．回火的目的
GCr15轴承钢回火目的是在保持高硬度的条件下，消除残余内应力，防止开裂，并能使亚稳组织转变为相对稳定的组织，从而稳定尺寸，提高韧性，获得良好的综合力学性能。
选择设备、仪表和工夹具
2.6.1设备
1．球化退火设备
该炉适用于低合金钢、GCr15轴承钢中小型零件的球化退火处理等。实现温度PID 自动控制、定时间隔送料、故障报警记录、自动安全逻辑操作、进出料自动检测及计数
功能，可提供生产日报表等功能。它的工艺流程是进料→ 预热→ 保温→ 强风冷却(等温转变)→ 保温(等温分解)→ 出料。
图8箱式电炉
2．淬火设备
轴承淬火，可选用淬火炉进行。如图9所示。
图9淬火炉
3．回火设备
RJ-25-6低温井式电阻炉：额定功率25KW,额定电压380V，额定温度650℃。
2.6.2仪表
1．温度检测表
热电偶：N 镍铬硅镍硅温度范围-200-1200℃
特点：装配简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好，测量范围大（－200℃～1300℃,特殊情况下－270℃～2800℃），机械强度高，耐压性能好，耐高温可达2800度
2．温度显示与调节仪表
TA—091电子调节器，规格参数：位式+报警，该系列仪表所配用执行器：接触器、电磁阀、ZAP（ZAJ）直行程电机+ZM薄膜阀，可控硅电压调整器、DF-1伺服放大器+直行程电机+ZM薄膜阀，电气转换器+ZM气动薄膜阀。
3．数字式温度显示仪表：
面板是数字温度仪表：RY2312，测量范围：0-1300℃。
4．压力测量仪表
热处理设备工测量压力表主要测量煤气压力燃烧油压力。
2.6.3设计工夹具
零件在热处理过程中，根据零件的外形、尺寸及批量和所选用的加热炉型号，需要多种吊具和工夹具以保证零件的加热均匀，不致于变形，保证操作安全。
1．夹具
机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称卡具。
圆锥台的大端有用于螺栓连接的法兰盘，在圆锥台锥面中间圆周上均布若干轴线垂直于锥面的通孔，通孔内有一台阶孔。
2．定位销
包括冲压模具，注塑模具等等。他们的精密度都要求的特别高，而如果是仅仅靠螺栓来固定模板的话肯定是不行，所以只有借助定位销来达到定位的目的，或是防止安装位置、方向的错误等等。定位销的头部是球体，中间是轴，尾部加工一个台阶，台阶的顶部是球面。
GCr15轴承钢热处理质量检验项目、内容及要求
1．硬度检查
GCr15钢制套圈、滚子和滚针淬火后的硬度不小于63HRC，回火后的硬度为61～65HRC。
2.金相组织检查
轴承零件淬、回火后显微组织应有隐晶、细小结晶马氏体和均匀分布的细小残留碳化物以及少量残余奥氏体组成。淬、回火后的显微组织应根据马氏体粗细程度，残留碳化物颗粒大小和数量以及托氏体的形状、大小和数量来评定。
3.断口检查
滚动轴承零件淬、回火后，其断口应为浅灰色细瓷状，按本标准第四级别图评定，2级为合格断口，不允许有1级欠热断口，或3级过热断口存在。
4.裂纹检查
滚动轴承淬、回火后不允许有裂纹，一般用磁粉探伤法查裂纹。
5．脱碳层和表面软点
滚动轴承零件淬、回火后脱碳层深度（或表面软点）应不小于该标准有关规定，脱碳和表面软点可采用冷酸洗法检查。
6.回火稳定性
滚动轴承零件淬、回火后必须进行回火稳定性检查，回火稳定性是指被测定零件第二次回火前后相应点的最大落差，硬度落差不大于1HRC为合格。GCr15的回火稳定性试验温度范围为155℃±5℃。
GCr15轴承钢热处理常见缺陷的预防及补救方法
2.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法
1．欠热缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
钢在加热时，由于加热温度过低火，尽管有较长的保温时间，但原始的片状珠光体不能完全溶解，所以不能得到合格的球化组织。防止欠热主要措施是严格控制加热温度。
2）返修方法
可通过重新球化退火来补救。
2．过热缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
钢加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，是局部地区奥氏体成分均匀化，从而决定冷却后珠光体的形态呈片状出现。防止过热主要措施是严格控制加热温度和加热时间。
2）返修方法
可通过完全退火或正火来补救。
3．过烧缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
钢加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的组织缺陷。防止过烧主要措施是严格控制加热温度和加热时间。
2）返修方法
工件过烧无法挽救只能报废。
2.8.2淬火、回火缺陷与预防、补救
1．硬度偏低或显微组织出现块状或网状托氏体缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
主要是由于淬火保温时间太短，表面脱碳严重，淬火温度偏低，油冷慢，出油温度高等原因形成的。可通过适当提高淬火温度5～10℃，在保护气氛中或涂质量分数为3%～5%的硼酸酒精溶液后加热等防止措施。
2..断口缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
由于淬火温度偏低或过高，锻造温度过高，网状碳化物严重所致。可通过控制淬火温度控制。
3.裂纹缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
组织过热，淬火温度过高或在淬火温度上限制保温时间过长，冷却太快，油温低，应力集中，表面脱碳淬火后未及时回火等原因会产生裂纹。降低淬火温度，提高零件出油温度，或提高淬火油的温度，降低车削加工表面粗糙度，增加去应力工序，减少表面脱碳等可防止裂纹产生。
2)返修方法
淬火裂纹一般是不可补救的淬火缺陷。
4.软点缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施
由于锻造时局部脱碳，淬火加热温度低，保温不够，冷却不良或火介质苏打水配制不当，温度较高，苏打水面上有油等原因。可通过提高淬火加热温度，适当延长保温时间及增加冷却能力或采用热热配苏打水溶液等防止。
2) 返修方法
可通过返修重淬加以纠正。