第2章 高碳铬轴承钢热处理原理

【章前导读】

热处理可使钢在加热、保温及冷却过程中内部组织发生变化，那么钢在加热和冷却过程中组织到底是如何变化的？轴承钢（GCr15）在加热和冷却过程中与普通铁碳合金组织变化有何不同呢？

本章在铁碳相图基础上，分析GCr15轴承钢Fe-C-Cr特点，并进一步分析GCr15轴承钢在加热和冷却过程中组织转变情况以及回火过程中组织转变及应力变化情况。

钢的热处理是通过钢在固态下加热、保温、冷却过程中改变钢的内部组织结构，从而获得预期组织结构和性能的一种热加工工艺。热处理的特点是质量控制难度大；零件内部材料组织结构的变化无法直接观测；出厂时的质量检验无法全面反映质量状况；过程影响因素众多，交互作用复杂。热处理过程是在多物理场交互作用下进行的，常规热处理至少包含温度、相变、应力/应变三种物理场相互作用，如图2-1所示。

图2-1 热处理过程中温度、相变和应力/应变作用关系

具体来说，物理场相互作用包括：①温度对相变的作用，即加热或冷却速度导致相变，尤其是冷却速度决定了获得何种组织；②相变对温度的作用，相变潜热释放会改变温度场，在大型锻件中尤其明显；③温度对应力的作用，较大温度梯度的存在往往造成不同部位的热胀冷缩不同步而产生热应力；④相变对应力的作用，由于相变产生不同组织的比体积不同会引起组织应力；⑤应力对相变的作用，热处理过程不可避免的应力对相变动力学有一定影响；⑥应力对温度的作用，应变产生塑性功发热影响温度场，相对来说，这部分的影响比较小。

金属热处理是机械制造中重要的工艺之一，也是热加工过程中最后一道工序。与铸造、锻压、焊接和切削工艺相比，热处理改变的不是零件的形状和尺寸，而是零件的内部组织结构，而一定的内部组织结构对应着一定的使用性能，使用性能直接决定着零件的使用寿命和可靠性，因此，内部组织转变——相变，是热处理基础。据统计，在机床制造中有60%～70%的零件需要热处理，在汽车、拖拉机行业有70%～80%的零件需要热处理。而滚动轴承100%需要热处理，轴承零件微观组织中的马氏体、碳化物、残留奥氏体的含量、形态等相互关联，使得性能出现强度提高伴随着韧性的降低，韧性提高则伴随尺寸稳定性下降，提高耐磨性却使脆性增大等现象。因此要掌握和制定热处理工艺，必须掌握钢的相变规律及其和工艺条件间的关系。