高氮不锈轴承钢G30Cr15Mo1SiN淬火及常规回火工艺与性能

王 鑫，叶健熠，刘传铭，薛文方，单琼飞

（1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.高性能轴承数字化设计国家国际科技合作基地，河南 洛阳 471039）

随着科学技术的快速发展，不锈轴承钢材料的应用范围越来越广泛，不仅用于航空、航天、核工业以及高新技术产品中，还广泛用于化工、石油、船舶和食品等行业中。目前，国内外不锈轴承钢材料G95Cr18或G102Cr18Mo中的共晶碳化物颗粒及分布不均匀，热处理时无法消除，对轴承套圈的磨削和超精工序产生不利的影响，不能很好的满足轴承对噪音及精度的要求[1，2]。另外，其防锈性能在特殊环境下也不理想。基于这种情况，国内外开发了高氮不锈轴承钢，主要有：①G30Cr15Mo1SiN（简称G30），国外牌号为X30CrMoN15-1[3]；②G40Cr15Mo2VN，国外牌号X40CrMoVN16-2[4]。这两个钢种均为中碳、高氮含量的不锈钢，该类材料中均匀分布着细小的粒状碳氮化合物，类似于高碳铬轴承钢的球化退火组织，而不出现高碳铬不锈钢中粗大的共晶碳化物和针片状共晶碳化物等脆性相[5]，氮的加入也提高了钢的强度、韧性和耐蚀性[6]。由于此类材料多用于制造高端精密轴承，故其淬回火后的硬度应≥58HRC和残余奥氏体含量要低，以使轴承具有良好耐磨性和良好的尺寸稳定性。为了满足精密级轴承基本的使用特点，本文对G30Cr15Mo1SiN的热处理工艺进行了详细的研究和性能测试分析，优选出了该钢的最佳热处理工艺。

1 试验材料及试验方法

试验材料为G30φ55mm热轧退火棒料，其冶炼方法为真空加压电渣熔炼。氮元素采用氧氮分析仪测定，其余元素采用光谱法测定，经复验其化学成分见表1，退火硬度为215HB，退火组织为细粒状珠光体。

将该材料机械加工成15mm×10mm×10mm的试样若干个，并分别编成1、2、3、4、5、6共六组，每组10个～20个试样。首先在ZC2-65真空炉中进行不同温度的油淬试验，然后再进行不同冷处理和不同回火工艺试验。

对不同温度油淬后的试样进行硬度和残余奥氏体测试。采用HR-150A型洛氏硬度计对试样进行硬度测试；采用X-350A型X射线应力测定仪对试样进行残余奥氏体测试，设定管流为5.0mA，管压为20.0KV，马氏体扫描范围为144.00°～168.00°，奥氏体扫描范围为125.00°～132.00°。

2 试验结果与分析

2.1 淬火温度对试样硬度、残余奥氏体影响

淬火温度是影响热处理组织和性能的重要因素，为了研究淬火温度对试样的影响，选择950℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃六个淬火温度在真空炉中进行工艺试验，每组试样的淬火保温时间相同，具体工艺对硬度及残余奥氏体的影响见表2。

表2 淬火温度对硬度和残余奥氏体的影响

由表2可以看出，随着淬火温度的升高，试样淬火硬度呈现先升高后下降趋势，淬火温度超过1040℃后，试样淬火硬度明显开始降低。这是因为随淬火温度的升高，碳化物、氮化物不断溶解，基体中的碳、氮含量提高，从而使淬火后马氏体的硬度提高。但是，碳和氮都是强奥氏体形成元素，它们的固溶会增强奥氏体的稳定性导致淬火后残留奥氏体的含量增多，从而降低淬火硬度。当淬火温度低时，马氏体的转变量及残余奥氏体的含量都较低，当淬火温度升高时，残留奥氏体对硬度的影响更大，因此才会出现硬度先升后降。当两方面的作用达到最佳平衡时，试样的硬度达到最大。

表1 化学成分/wt%

2.2 冷处理和回火对硬度和残余奥氏体影响

2.2.1 冷处理和回火对硬度的影响

对上述六种淬火试样均采用-78℃一次冷处理相同时间＋150℃回火相同时间外，对第四组淬火试样再用不进行冷处理而直接回火，分步骤详细考察硬度变化情况，结果见表3。

2.2.2 冷处理和回火对残余奥氏体的影响

从4、6组淬火试样中随机抽取试样，按下述工艺进行冷处理和回火后检测试样的残余奥氏体含量，其中A试样、B试样、C试样从第4组淬火试样中随机抽取，D试样从第6组淬火试样中随机抽取，每个试样测量三个残余奥氏体值并求平均值，试验结果见表4。

表4 不同冷处理和回火工艺下的残余奥氏体含量/%

由表3、4可以看出：①淬火温度不同，尽管后续冷处理和回火都一样，最终得到的硬度也是不同的。以1020℃～1040℃淬火＋冷处理＋150℃回火硬度较高，满足硬度≥58HRC的要求，试样不加冷处理过程，淬回火后硬度不能达到≥58HRC的要求。在淬火温度为950℃、980℃、1000℃时由于奥氏体化不充分，在随后的工艺下，其硬度不能完全达到58HRC以上；而淬火温度高于1040℃，比如达到1060℃时奥氏体化淬火，则因其奥氏体化程度太过，致使淬火后的残余奥氏体含量过多，这时残余奥氏体的稳定性增加，在随后的冷处理和回火时，残余奥氏体并不能大幅度地转变为马氏体，因此，最后的硬度仍然不能达到58HRC以上的要求。②相同淬火温度及相同回火温度下，-78℃冷处理、-196℃深冷处理和回火次数对残余奥氏体含量的影响不大，对残余奥氏体含量影响最大的是淬火温度。因此，为了兼顾轴承零件具有良好耐磨性（硬度要高）和尺寸稳定性（残余奥氏体含量要低），最佳淬火温度为1020℃。

1020℃淬火＋冷处理＋150℃回火后的金相组织由细小针状马氏体＋未溶的碳化物颗粒＋残余奥氏体组成；1060℃淬火＋冷处理＋150℃回火后的组织由粗大针状马氏体＋少量未溶的碳化物颗粒＋较多的残余奥氏体组成。

2.3 回火温度对硬度的影响

取16块1020℃淬火＋-78℃一次冷处理后的试样，分别进行不同温度的回火，每组2块试样，考察硬度的变化情况，回火工艺及试验结果见表5。

表5 回火温度对硬度的影响

由表5可见，回火温度在130℃～165℃回火后的硬度可达到58HRC以上；回火温度在180℃回火后的硬度下降，未能达到58HRC。因此，回火温度的选择不能太高，以150℃±20℃，回火1次～2次为宜。

3 结论

（1）通过对该钢常规淬回火工艺试验得出，随着淬火温度的升高，试样淬火硬度呈现先升高后下降趋势，淬火温度超过1040℃后，试样淬火硬度明显开始降低，残余奥氏体含量升高。

（2）冷处理是该钢的关键与必要的处理方式，淬火后不进行冷处理其回火后的硬度达不到58HRC以上要求。

（3）1020℃淬火后在-78℃冷处理和-196℃冷处理＋150℃回火后的残奥含量相差不大，因此，冷处理温度选择没有必要使用液氮冷处理。

（4）该含氮不锈轴承钢的最佳热处理工艺为1020℃淬火+-78℃冷处理+150℃±20℃回火，回火1次～2次，经过该工艺处理后硬度在58HRC以上，淬回火后的金相组织由细小针状马氏体＋未溶的碳化物颗粒＋残余奥氏体组成，残余奥氏体含量在12%左右。