GCr15量块冷处理工艺研究

GCr15量块冷处理工艺研究

邓国军 刘巧娣

贵州航天风华精密设备有限公司

摘要：本文通过正交试验，验证了不同冷处理参数对GCr15量块硬度和组织的影响，其中淬火与冷处理时间间隔对零件硬度和组织影响最大，其次是冷处理温度，冷处理时间的影响最弱。试验结果表明冷处理可以促使GCr15量块残余奥氏体充分转变为马氏体，提高零件硬度，保证零件硬度均匀性和尺寸稳定性。冷处理温度越低，淬火与冷处理时间间隔越短，零件硬度值越高，硬度均匀性越好，组织内残余奥氏体含量越低，冷处理时间对硬度和组织的影响不大。

关键词：GCr15量块；冷处理；硬度；组织

1 引言

GCr15材料是一种量具钢，淬透性好，耐磨性高，热处理后硬度均匀，经过适当热处理后尺寸稳定性好，用于制作各种量规、块规及其它高精度量具零件，如千分尺螺纹量杆，正弦规工作台及滚柱等。

GCr15除用于制作量具以外，还经常被用于制作各类轴承和工模具，一般采用淬火+低温回火的热处理工艺就可以满足零件技术要求。GCr15淬火后得到组织为马氏体+残余奥氏体+少量未溶碳化物颗粒，经过回火后，金相组织为回火马氏体+残余奥氏体+细粒状碳化物^[1]。但GCr15材料制作的量具，要求高硬度和高尺寸稳定性，经前期大量试验验证，GCr15经常规的淬火回火处理后，硬度均匀性差，组织内部残余奥氏体含量高，在长期的存放和使用中，碳从马氏体中脱溶析出ε碳化物，马氏体正方度减小导致尺寸缩小，残余奥氏体继续转变为马氏体而引起尺寸膨胀，同时零件内部残余应力的松弛会造成弹性变形部分转变为塑性变形，引起尺寸变化，从而降低了量具的精度^[2]。

冷处理是提高量具钢零件尺寸稳定性的一种热处理方法，冷处理是在零件淬火冷至室温后，将其冷至-60℃以下，使残余奥氏体尽量转变为马氏体的一种热处理方法^[3]。为了寻求最佳的冷处理工艺参数和提高批量生产效率，本文对GCr15量块的冷处理工艺进行了研究。

2 试验方案

试验选用的是GCr15材料制作的淬火量块，零件尺寸为100×50×10，零件要求热处理后硬度均匀，硬度要求为HRC63.5～HRC64.5，淬火马氏体级别1级。

GCr15材料淬火温度一般为830℃～860℃，淬火温度过低会使奥氏体合金化不够，淬火后硬度、强度和疲劳性能降低，淬火温度过高又会使奥氏体晶粒粗大，得到粗马氏体和过多的残余奥氏体。GCr15回火温度一般为160℃～180℃，回火时间一般为4h～8h，这样既可以充分消除应力，又能保持零件的高硬度、高强度和高耐磨性。

本试验中GCr15量块的热处理工艺为：盐浴加热淬火855℃保温17min，油冷→冷处理→回火170℃保温4h，其中淬火和回火工艺参数为GCr15材料制作的轴承和工模具零件的常用热处理参数。为了验证不同冷处理参数对零件热处理后硬度和组织的影响，采取了正交试验的方式进行了研究，冷处理因素水平表如表1所示，试验方案如表2所示。

表1 GCr15量块冷处理因素水平表

表2 GCr15量块冷处理正交试验方案

量块热处理后分别检测了硬度和金相组织。硬度检测采用的HR-150洛氏硬度计，每个量块测量五个位置的硬度，硬度点分布如图1所示。金相组织观察采用的是LEICA+Mias2000金相显微镜，之后对比JB/9211-1999马氏体显微组织等级图谱对零件热处理后的微观组织进行了判定。

图1 GCr15量块硬度检测部位示意图

3 试验结果及分析

3.1 不同冷处理参数对GCr15量块硬度的影响

9组试样的硬度检测结果列入表2中，对每组试样的平均硬度值和硬度均匀性偏差进行了统计，见表3。

表2 GCr15量块硬度检测结果(HRC)

表3 GCr15量块冷处理正交试验统计结果

图2给出的是不同冷处理参数对平均硬度值的影响，图3给出的是不同冷处理参数对硬度均匀性偏差的影响。

图2 不同冷处理参数对GCr15量块平均硬度值的影响

图3 不同冷处理参数对GCr15量块硬度均匀性偏差的影响

从表2可以看出，第1组、第4组、第5组、第9组试样达不到HRC63.5～HRC64.5的硬度要求，第6组硬度略高于技术要求，第2组、第3组、第7组、第8组试样硬度符合要求。

从表3中极差R值可以看出，淬火与冷处理时间间隔对硬度值和硬度均匀性影响最大，其次是冷处理温度，最后是冷处理时间。

从图2和图3可以看出，冷处理温度越低，试样硬度值越高，硬度均匀性越好，冷处理时间的影响无确定规律，淬火与冷处理时间间隔越短，试样硬度值越高，硬度均匀性越好。

3.2 不同冷处理参数对GCr15量块组织的影响

热处理后，对符合硬度要求的4组试样的金相组织进行了观察，试样的金相组织如图4所示。

图4 GCr15量块金相组织图片

1. 第2组试样；b)第3组试样；c)第7组试样；d)第8组试样；

对比JB/9211-1999马氏体显微组织等级图谱，可以看出第2组试样和第7组试样马氏体级别为1级，组织为隐针马氏体和细针马氏体，铁素体不大于5%，符合技术要求，第3组试样和第8组试样马氏体级别为2级，金相组织为细针马氏体和板条马氏体，不符合技术要求。通过金相组织图可以看出冷处理温度越低，淬火与冷处理时间间隔越短，组织内残余奥氏体含量越低，马氏体尺寸越小。

4 生产过程控制

在生产中对GCr15量块进行冷处理时，需对装炉量、清洗、转移时间进行控制。

1. 装炉量：零件在处理时，零件间应留有间隙，以保证零件加热充分，组织完全奥氏体化；

2. 清洗：零件在淬火后清洗时，必须采用冷水快速进行清洗，不能使用热水，否则会影响冷处理效果；

3. 淬火与冷处理时间间隔：零件在淬火后，应该在1h内转至冷处理。

5 结论

冷处理可以促使GCr15量块残余奥氏体充分转变为马氏体，提高零件硬度，保证零件硬度均匀和尺寸稳定性。为达到GCr15量块硬度HRC63.5～HRC64.5，淬火马氏体级别1级的要求，冷处理温度应该控制在-60℃～-80℃，冷处理时间≥30min，淬火与冷处理时间间隔≤1h。

通过对GCr15量块冷处理工艺研究，解决了高硬度、高尺寸稳定性量具热处理的难题，为其它材料的量具热处理做好了工艺储备，为公司拓展量具热处理市场奠定了基础。

参考文献：

[1] 深冷处理对GCrl5组织和力学性能的影响.赵国华,于文平,魏建勋.材料开发与应用,2010(25)

[2] 航空制造工程手册.王广生,王峙南.航空工业出版社

[3] 钢的冷处理和深冷处理.樊东黎.热处理, 2010(25)