現(xiàn)階段45#鋼材質(zhì)的機(jī)加工支撐底座使用壽命僅為兩個月,，H13鋼作為高頻淬火支撐底座，瞬時溫度可提升至300 ℃以上,。筆者以GCr15鋼為研究方向,，探究GCr15經(jīng)熱處理后是否能代替現(xiàn)在45鋼做普通機(jī)床底座，以及代替H13鋼做高頻淬火機(jī)床底座,。采用離心鑄造工藝進(jìn)行鑄態(tài)毛坯生產(chǎn),，經(jīng)球化退火預(yù)處理后，通過使用不同的最終熱處理工藝加工GCr15鋼,，對比觀察硬度和顯微組織,，研究出GCr15作為支撐底座時的最優(yōu)性能熱處理工藝為880 ℃奧氏體化+250 ℃等溫淬火+180 ℃低溫回火，可以代替45#鋼材質(zhì)的機(jī)加支撐底座,，但無法代替H13作為高頻淬火工裝底座,。更換材質(zhì)后經(jīng)過實(shí)踐測試,，處理后的GCr15材質(zhì)普通機(jī)加工支撐底座使用壽命能夠達(dá)到1年以上，極大提高了機(jī)械加工效率,，降低了生產(chǎn)成本,。
支撐底座的性能對氣缸套加工過程中的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)定位起到了十分關(guān)鍵的作用。中原內(nèi)配集團(tuán)股份有限公司之前機(jī)加工支撐底座使用的是45#鋼材質(zhì),，其使用壽命僅為兩個月,，就生產(chǎn)情況來看，經(jīng)常性維護(hù)造成的生產(chǎn)成本增加,、生產(chǎn)效率低下,、資源浪費(fèi)等問題比較嚴(yán)重；高頻淬火底座使用的材質(zhì)為H13鋼,，淬火過程中底座的瞬時溫度可達(dá)到300 ℃以上,。為提升支撐底座的使用壽命，其材質(zhì)應(yīng)具備高硬度,、高耐磨性等特點(diǎn),。為此，筆者選擇對高碳鉻軸承鋼GCr15進(jìn)行分析和研究,。GCr15是一種最常用的高鉻軸承鋼,，淬透性好，經(jīng)熱處理可獲得高而均勻的硬度,。
高碳鉻軸承鋼中的鉻除了增加淬透性外,，部分溶于滲碳體中可形成較穩(wěn)定的合金滲碳體（Fe、Cr）3 C,。此類滲碳體在淬火加熱時溶解較慢,，減少了過熱傾向，經(jīng)熱處理后得到的組織較細(xì),，鋼中碳化物以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)的形式均勻分布,。鉻在一定程度上還可使馬氏體具有較好的回火穩(wěn)定性，在淬火和低溫回火后硬度和強(qiáng)度較高,，有效提高了鋼的耐磨性,。
GCr15是典型的高碳鉻軸承鋼，綜合性能優(yōu)良,，具有合金元素含量低,、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、用途廣泛等眾多優(yōu)點(diǎn),。經(jīng)過球化退火預(yù)處理工藝后,，GCr15的硬度降低，切削加工性能得到提升,，鐵素體基體上的球狀碳化物顆粒細(xì)小,、分布均勻,。經(jīng)過淬火和回火，能具有高的強(qiáng)度和韌性,，硬度得到極大提高,，耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度也能夠得到很好的改善，提高了其使用壽命,。
采用離心鑄造工藝生產(chǎn)高碳鉻軸承鋼GCr15鑄態(tài)試樣,，其工藝優(yōu)點(diǎn)有：（1）鑄件致密度高，氣孔,、夾渣等缺陷少,；（2）幾乎不存在澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)的金屬消耗，提高了工藝出品率,。
以Q235廢鋼為原料,，通過加入增碳劑調(diào)整含碳量，加入鉻鐵,、鉬鐵及電解銅等調(diào)節(jié)合金成分含量,，控制熔煉、澆注溫度在一定范圍,，通過調(diào)整澆注轉(zhuǎn)速及涂料厚度等參數(shù)澆注得到鑄態(tài)毛坯管,。
1.1 熔煉工藝
原材料為Q235廢鋼、鉬鐵,、鉻鐵以及電解銅。隨Q235鋼同時加入鉬鐵,、鉻鐵,、電解銅，加入量分別為0.83 kg,、14.5 kg,、0.25 kg；加入6.5 kg增碳劑,，在500 kg中頻感應(yīng)爐內(nèi)熔化,，待熔化完成后加入錳鐵、硅鐵進(jìn)行微調(diào),，檢測化學(xué)成分（成分要求見表1）,。
表 1 鋼液成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
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1.2離心鑄造工藝
待成分合格,，鋼液溫度達(dá)到1 600 ℃±10 ℃出爐（出爐前扒渣）,，澆注毛坯前在包里加入0.12%鋁進(jìn)行脫氧。涂料厚度范圍控制在0.8～1.0 mm,，澆注轉(zhuǎn)速控制為1 280 r/min,，澆注過程中遵循先快后穩(wěn)的原則,，以防止產(chǎn)生夾渣等缺陷。
待毛坯管冷卻至室溫后,，測量其內(nèi)孔,、外圓直徑及毛坯管長度（見表2），切斷后進(jìn)行噴砂處理,。經(jīng)過一道粗車外圓,、兩道粗鉸內(nèi)孔粗加工工序后，取尺寸為25 mm×25 mm的樣塊檢測其成分（見表3）,，進(jìn)行后續(xù)處理,。
表2 毛坯管尺寸測量結(jié)果
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表3 樣塊成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
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1.3 預(yù)備熱處理工藝
將鑄態(tài)試樣粗加工后分為三組,，進(jìn)行球化退火預(yù)處理,，球化退火時由室溫加熱至810 ℃保溫3 h后爐冷至720 ℃保溫4 h，隨后爐冷至500 ℃后出爐空冷至室溫,。測得球化退火后試樣硬度如表4所示,。
表4 球化退火后硬度檢測（HBW）
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經(jīng)球化退火處理后，GCr15材料的硬度大幅度降低,，切削性能得到改善,，符合機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1255-2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》規(guī)定的179～207 HBW范圍。
球化退火處理后的金相組織如圖1所示,，在球化退火加熱保溫過程中,，GCr15中的鐵素體基體在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，大量碳化物溶解在奧氏體中,，再經(jīng)過退火保溫,，析出的碳化物顆粒呈球狀，無明顯的棒狀或片層狀碳化物,，且分布十分均勻,，與理論一致。
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圖1 球化退火后的金相組織
1.4 最終熱處理工藝
三組樣塊分別采取三種不同的熱處理試驗(yàn)方案（見表5）,。H13鋼高頻淬火機(jī)床底座瞬時溫度可提升至300 ℃以上,，要想代替H13，處理溫度要高于300 ℃,，因此方案一在370 ℃進(jìn)行回火,。
表5 試驗(yàn)方案
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用布氏硬度計(jì)對球化退火后的樣塊進(jìn)行硬度檢測，根據(jù)不同熱處理方案進(jìn)行處理后,，對三組樣塊分別進(jìn)行三次硬度檢測（去掉第一次測量結(jié)果后）,，記錄計(jì)算平均值。
使用砂輪機(jī)磨去樣塊表面脫碳層后，進(jìn)行拋光處理,，隨后用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕,。通過CX40M正置金相顯微鏡觀察金相組織，使用GeminiSEM電子顯微鏡觀察微觀形貌,。
2.1 硬度分析
GCr15鋼處理前后及采用不同熱處理工藝處理后,，硬度檢測結(jié)果如表6所示。
表6 硬度檢測結(jié)果（HRC）
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對比樣塊硬度檢測結(jié)果,，可以看出：經(jīng)淬火+回火處理后,，GCr15的硬度出現(xiàn)明顯提升；H13鋼的硬度在55 HRC以上,，但根據(jù)方案一可以發(fā)現(xiàn),，溫度提升至300 ℃以上后，GCr15鋼的硬度并未達(dá)到理想狀態(tài),，故其在高頻淬火工裝底座上不適用,；經(jīng)過方案二、方案三兩種不同工藝處理之后GCr15的硬度提升程度更大,，使用過程中發(fā)現(xiàn)硬度越高,，則材料耐磨性越好。其中,，按照方案二處理的GCr15底座耐磨性要高于方案三處理后的底座,。
2.2 金相分析
各方案的金相對比如圖2所示。其中,，金相圖片為1 000倍,，電鏡圖片為5 000倍。
按方案一處理結(jié)束后樣塊的金相組織為回火屈氏體,，大量細(xì)小的球狀碳化物附著在鐵素體基體上,。由圖2（b）可以看出，小的碳化物質(zhì)點(diǎn)較清晰,，顆粒較大的碳化物則出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，彌散強(qiáng)化作用效果較差,。
按方案二處理結(jié)束后樣塊金相組織由下貝氏體,、回火馬氏體和未溶碳化物組成。觀察圖2（d）,，發(fā)現(xiàn)碳化物在基體上均勻彌散分布,，未出現(xiàn)明顯的集聚現(xiàn)象。
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圖2 各方案金相對比圖
按方案三處理結(jié)束后樣塊金相組織為回火馬氏體及粒狀碳化物,。經(jīng)850 ℃淬火+180 ℃低溫回火處理后,，過飽和固溶碳原子以過飽和碳化物形式析出，碳化物極為細(xì)小，馬氏體板條更為清晰,。
當(dāng)宏觀硬度超過57 HRC時,，耐磨性主要取決于硬度和碳化物的大小及數(shù)量。對比三種方案,，碳化物尺寸及數(shù)量由大到小,、由多到少依次為方案一＞方案二＞方案三。方案三碳化物數(shù)量極少,、尺寸過小,，不足以保護(hù)金屬基體；方案一碳化物尺寸過大,，且顆粒較大的碳化物出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,，產(chǎn)生的彌散強(qiáng)化效果降低，接觸疲勞抗力降低,。方案二碳化物在鐵素體基體上均勻彌散分布,，且其尺寸大小適中，對基體有很好的保護(hù)作用,，能夠提高其耐磨性,。
更換材質(zhì)后進(jìn)行實(shí)踐測試，經(jīng)處理后的GCr15材質(zhì)支撐底座僅能代替普通材質(zhì)的機(jī)床底座,，不能代替H13鋼底座,，且使用壽命能夠達(dá)到1年以上，極大提高了機(jī)械加工效率,，降低了生產(chǎn)成本,，經(jīng)濟(jì)效益比較顯著。
（1）鋼液中Mn含量略微超標(biāo),，但是卻一定程度上提高了淬透性,，成品中殘留Al量較高，但仍符合生產(chǎn)要求,；采用離心鑄造工藝生產(chǎn)鑄態(tài)試樣,，鑄造缺陷少，鑄廢率低,。
（2）相比之下,，碳化物數(shù)量太少、尺寸過小或碳化物尺寸過大且有團(tuán)聚現(xiàn)象均會使得GCr15耐磨性及硬度降低,。
（3）熱處理工藝采用方案二,，即880 ℃奧氏體化+250 ℃等溫淬火+180 ℃低溫回火時，材料耐磨性及硬度等性能最優(yōu),，通過實(shí)踐證明下貝氏體,、回火馬氏體的雙相復(fù)合組織比全下貝氏體或全馬氏體單相組織更加耐磨。
（4）經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，按照方案二處理后的GCr15材質(zhì)支撐底座目前已使用1年,，仍未達(dá)到其使用壽命,，可以滿足生產(chǎn)需求。
