冷处理在轴承钢零件加工中的应用

将淬火工件由常温继续冷却到更低的温度，使残余奥氏体转变为马氏体的热处理操作称为冷处理。冷处理的目的是为了提高钢的硬度和耐磨性，稳定工件尺寸，主要用于轴承、工具以及部分渗碳件等。

一般把钢铁材料经过普通的热处理后进一步冷却到摄氏零度以下某一温度(通常为0～-80℃）的处理方法称为普通冷处理或冰冷（subzero）处理；而把低于-130℃以下(通常为-130～-196℃)的冷处理叫做深冷（cryogenic）处理，深冷处理又常称为超低温处理。

深冷处理是将被处理工件置于特定的、可控的低温环境中，使材料的微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种技术。被处理材料在低温环境下由于微观组织结构发生改变，宏观上表现为材料的耐磨性、尺寸稳定性、屈服强度、抗拉强度等方面的提高。应用行业包括航空航天、精密仪器仪表、摩擦偶件、工模具、量具、纺织机械零件、汽车工业和军事科学等领域。深冷处理可以使得赛车、摩托车、轮船、滑雪撬、小型赛车等上的发动机零部件的使用寿命大大延长。

冷处理的原理

钢奥氏体化加热后淬火到室温，奥氏体会转变为马氏体，使钢的硬度和强度明显提高。钢淬火冷却时奥氏体要过冷到一定温度才开始转变为马氏体，此温度称为马氏体开始转变点(Ms)，降温到更低的一定温度完成马氏体转变，此温度被称为马氏体终止转变点(Mf)（图1）。钢的碳含量、化学成分、奥氏体化加热温度等均影响奥氏体转变为马氏体，特别是对于高碳铬轴承钢，淬火热处理后一定存在部分残余奥氏体和残余应力，对零件的使用性能会产生一定的影响（过多的残余奥氏体和残余应力导致尺寸不稳定、容易产生磨削裂纹等）。冷处理能使钢中奥氏体进一步转变为马氏体，并能改善钢中残余应力的分布，析出更多的细小碳化物，从而起到弥散强化的作用，对无相变材料能使晶界发生畸变，从而增强基体性能。

图1 钢中马氏体开始和终止转变温度和含碳量的关系

轴承钢的冷处理

有关轴承钢冷处理的研究也非常多，包括GCr15钢、航空高温轴承钢、渗碳轴承钢等，除了在韧性方面有所降低之外（冲击韧性降低，降低21%[1]），几乎所有的研究都表明了冷处理的诸多优点：残奥降低；硬度提高；耐磨性提高；抗拉强度提高；细小碳化物析出，疲劳寿命提高等等。

例如：文献[2]对一种以马氏体为基体的航空轴承钢（Cr-Co-Mo系高温轴承钢）开展了真空低压渗碳及渗碳后热处理工艺研究，试验结果表明，试验钢经过“渗碳+淬火+深冷+回火+深冷+回火”后，得到了良好的组织性能，残留奥氏体得到有效的控制、网状碳化物得以消除、硬度梯度平缓且无“低头”现象。通过马氏体相变、碳化物的析出使得试验钢的表面硬度相较于退火态初始硬度提高了20HRC。

渗碳热处理工艺

文献[3]研究了渗碳轴承钢G20Cr2Ni4A经渗碳、二次淬火及不同条件的深冷处理后力学性能：随着深冷处理时间的延长，残余奥氏体含量下降，渗碳层的表面硬度得以提高；同时深冷处理可提高其材料的抗拉强度，减少渗碳钢的冲击功。

几个问题的探讨

1）残余奥氏体含量

轴承钢中残余奥氏体的含量要根据其服役条件（应用工况）来平衡，对尺寸精度、耐磨性要求高，可能需要冷处理等工序严格控制奥氏体的含量。GB/T 34891—2017《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件  热处理技术条件》规定的淬回火后的残余奥氏体含量见下表。

表E.1  轴承零件常规回火后的残余奥氏体含量

表E.2  轴承零件高温回火后的残余奥氏体含量

2）奥氏体稳定化

这里主要是指奥氏体热稳定化，奥氏体在冷却过程中因等温停留而使继续冷却时的马氏体转变温度降低和残余奥氏体量增多的相变迟滞现象。奥氏体热稳定化的确切机理还不是特别清晰，对轴承钢的冷处理来说，主要是冷处理的工序问题，是在回火前还是回火后处理。需要根据机加工性能、力学性能和残余奥氏体含量等综合后确定热处理工艺路线。

3）冷处理温度

轴承钢冷处理的学术研究上基本都是进行深冷处理，文献[4]给出的常用轴承零件的冷处理温度见下表，因此，实际冷处理温度还需要根据具体情况深入探讨。

4）冷处理时间

冷处理保温时间的长短，有学者认为：残留奥氏体转变成马氏体的?只取决于冷却达到的温度，在低温下的保持时间无关紧要，因为残留奥氏体一马氏体转变在低温冷却的瞬间即完成，故不必在低温保持，只需使工件从外到里冷透即可。也有人认为：要根据工件的导热性、体积、冷透所需的时间及残余奥氏体的转变稳定情况等因素确定冷处理时间，冷处理时间长的要比短的效果好，因为长时间冷处理可以使钢中的残余奥氏体充分地转变及更有利于碳化物粒子的形成，转变完成后，零件的硬度不会再有明显地变化。因此，冷处理保温时间也需要根据实际情况进行合理的控制。

参考文献：

[1] 赵国华，于文平，魏建勋. 深冷处理对GCr15组织和力学性能的影响[J].材料开发与应用，2010，25（1）：26-29.

[2]王会,王昊杰,贾涛,等. 航空轴承钢的真空低压渗碳工艺[J].金属热处理，2020，45（1）：1-5.

[3]张玲,陈卉珍, 陈小超,等. 深冷处理对G20Cr2Ni4A渗碳轴承钢力学性能的影响[J].热处理技术与装备[J].2016,37(3):41-46.

[4] 刘秀莲，罗燕，班君. 深冷处理原理及其在轴承零件加工中的应用[J].哈尔滨轴承，2014,35（4）：36-37.

[5] 冷处理和深冷处理，金属热处理，2021.

[6] 樊东黎.钢的冷处理和深冷处理[J].热处理，2010,25（6）：1-6.

[7] 陈九龙,鲁苏皖,龚易恺,等.钢铁材料深冷处理的研究进展[J].四川冶金，2020,42（4）：2-8.

[8] 陈叶青,吴益文，秦子威，等. 深冷处理对GCr15轴承钢组织及力学性能的影响[J].机械工程材料，2018，42（5）：55-58,62.

（来源：轴承杂志社）