摘 要：对GCr15钢球阀经不同液氮保温时间和不同升温速度的深冷处理后的组织和力学性能进行了研究。结果表明：深冷处理可促使残留奥氏体转变为马氏体，细化组织并析出微细碳化物，提高GCr15钢球阀的综合力学性能。

关键字：GCr15钢 深冷处理 球阀 残留奥氏体 残余应力

阀是机械采油井下的主要部件，工作时受含砂粒、具有腐蚀性原油的冲刷，GCr15阀球与20CrMo阀座以15次/min的频率相互撞击，其抗蚀和耐磨性较差，阀门密封性很容易被破坏。GCr15阀球一般的加工流程为棒料经冷镦（或热模锻）→退火→软磨→淬火→低温回火→精磨→抛光，其强度和韧性等力学性能由回火温度确定。GCr15钢经淬火+回火处理后，由于冷却至室温后并未达到GCr15马氏体的转变终止温度Mf（约－120℃），需经深冷处理促使残留奥氏体向马氏体进一步转变，从而提高其耐磨性。此方法对外购GCr15阀球改性处理既简便同时又容易实现。

本文主要研究深冷处理在液氮中的保温时间和深冷升温速度对GCr15阀球组织转变的影响，以期得到最佳的深冷处理工艺。

1 试验材料及方法

按照GB/T20066—2006《钢和铁化学成分测定用试样的取样和制样方法》对试验用GCr15钢阀球取样，用化学分析法测定其具体化学成分及含量，见表1。

表1 GCr15钢化学成分（质量分数，%）

试验工艺为870℃油淬+深冷处理+200℃×1h回火，空冷。深冷处理在DW2可编程深冷设备中进行，采用液氮罐蒸发空间温度梯度致冷，最终将试件完全浸泡在液氮中。为防止工件降温急冷和回复温度急热产生微裂纹，冷却时采用0.6℃/min缓冷的方式，升温时在油、水中或以0.5℃/min的速率缓慢回复至室温，具体工艺参见表2。

表2 GCr15钢深冷处理工艺及性能

按照GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》规定加工冲击试样，经处理后，在JB30B冲击试验机上进行冲击试验，取6个试样的平均值为测得的冲击吸收能量。采用HR-150洛氏硬度计测量试样洛氏硬度，每个试样测量3点，取6个试样的平均值为试验测得的硬度值。磨损试验在MM-200试验机上进行，试样尺寸为20mm×12mm×12mm，对磨材料为Φ50mm×13mm的20Ni3Mo渗碳钢环，环试样转速为250r/min，加载载荷砝码为200kg，对磨时间为3h，磨损量为6个试样的平均值，具体试验数据见表2。

用线切割机切取、金相砂纸磨制、抛光机抛光、4%硼酸酒精溶液侵蚀试样后，在MM6大视场显微镜下观察显微组织。采用Dmxa-rn转靶X射线衍射仪测量试样的残留奥氏体含量Ar和试样表层的残余应力σr，残留奥氏体试验用参数为：Cu靶Kα射线，电压50kV，靶转速400r/s，试验温度15℃；残余应力试验用参数为：Cr靶，电压30kV，电流8mA，结果如表2所示。

2 试验结果与分析

2.1 深冷处理对显微组织的影响

GCr15钢经870℃油淬+200℃回火后其组织为回火马氏体、残留奥氏体以及未溶碳化物，如图1（a）所示。经淬火+深冷处理+回火处理后，残留奥氏体量明显减少，其中工艺C3、C7和C8均有体现，如图1（b）、（c）、（d）所示。经测试GCr15钢深冷处理后残留奥氏体含量在0.40%～9.75%之间（见表2）。深冷处理使马氏体组织明显细化，并且有微细碳化物析出，特别是用水升温处理工艺C7，碳化物析出较为明显，如图1（b）所示。深冷处理后不同的升温速率对组织中马氏体、残留奥氏体和碳化物含量均有影响，金相组织观察得知深冷处理有利于残留奥氏体向马氏体转变从而减少残留奥氏体量，细化马氏体组织并析出微细碳化物。

GCr15淬火组织与理论相符，经深冷处理后也有部分残留奥氏体转变为马氏体。深冷处理过程中马氏体转变相当复杂，既有等温马氏体的形成，也有变温马氏体的形成，但深冷处理是以奥氏体向马氏体转变为基础的。由于马氏体立方晶格的比容比奥氏体面心立方晶格的比容大，所以伴随着残留奥氏体向马氏体转变，体积会发生膨胀。含碳量为0.97%的GCr15钢，马氏体转变时的体积膨胀率为1.557%，因此形成马氏体时由于体积膨胀将受阻力。同时由晶体缺陷之间的交互作用或间隙原子之间和淬火空位和位错的交互作用又将产生相变阻力。当相变驱动力不足以提供继续相变所需要的驱动力或不足以克服阻力时，相变就停止。GCr15钢深冷处理时，降温继续增加相变驱动力将消除或部分消除阻力，相变又重新开始。因此深冷处理降温时，过冷度大，相变驱动力大，残留奥氏体将向马氏体转变。

残留奥氏体向马氏体转变同样应遵守热力学定律，即相变驱动力与（T0-Ms）成正比。也就是由于过冷提供相变所需的足够的相变驱动力才能发生相变。可见Ms点处马氏体相变驱动力的大小对马氏体相变的特点有很大影响。当相变驱动力很大时，马氏体相变出现快速长大，呈现等温、爆发式形成的特点；当相变驱动力很小时，往往会形成热弹性马氏体。深冷处理时，当MS点相对于T0点越低，相变驱动力越大，越有利于马氏体转变。这就是说马氏体相变需很大的过冷度，即马氏体相变驱动力是由热力学条件决定的。用水升温时速度较快，得到马氏体反而多，其残留奥氏体量仅为0.40%，说明在升温过程中马氏体形成不需要太多时间，具有爆发式形成的特点。

图1 GCr15钢深冷处理2h后经不同方式升温后的显微组织

（a）未深冷处理（C1）；（b）水（C7）；（c）油（C3）；（d）0.5℃/min（C8）

当残留奥氏体向马氏体转变时，由于体积效应的作用，又导致奥氏体产生塑性变形的滑移应力增大，引起新的马氏体晶核形成，当温度继续下降时，新的马氏体又将以此晶核而形成。因此经深冷处理后有一部分残留奥氏体是在降温过程中形成的。

应力对马氏体相变有很大影响。弹性极限范围内各向压应力阻碍马氏体转变，各向拉应力促使马氏体转变，在Ms～Mf温度范围内，使奥氏体发生塑变的应力会不同程度的促使变形奥氏体向马氏体转变。特别是混合型马氏体转变的合金。轻微的塑性变形会促使马氏体的转变。深冷处理缓慢冷却时，因内外温差压应力与拉应力交替变换。即当外表面先达到低温，心部后达到低温时，外表面收缩将会受到心部牵制而产生拉应力，心部将会受到压应力。而当心部达到外表面温度时，心部将收缩又会受到外表面的牵制而产生拉应力，而外表面又受压应力。当其产生压应力时，使奥氏体产生局部变形，这将为相变提供机械驱动力，为奥氏体形成诱发马氏体相变创造条件。而当其产生拉应力时，这将使受压应力处于过渡应力状态的残留奥氏体发生应力松驰，可促使残留奥氏体向马氏体转变。GCr15钢的应力是热应力和组织应力相互作用的结果。GCr15钢淬火回火表层有－98MPa的压应力；而以0.5℃/min回升至室温的深冷处理后，由于相变应力和热应力的综合作用，表层应力变为252MPa的拉应力。很显然交替变换的热应力对残余应力取决定作用。

深冷处理过程中，当内外温度一致时，产生相变的可能性小。GCr15钢在液氮中保温1、2、4、24、36h的深冷处理工艺（C2～C6）也证实保温时间对相变影响不大，这与其他学者试验所得的结果相同。

从图1（b）、（c）、（d）还可以看出，从－196℃的液氮温度回升至室温时，也将促使残留奥氏体转变。表2残留奥氏体定量分析证实用水升温的深冷处理工艺C7残留奥氏体含量为0.40%，而以0.5℃/min升温的深冷处理C8最终的残留奥氏体量为9.75%。

深冷处理促使残留奥氏体向马氏体转变的另一因素是析出微细碳化物。在回升至室温的过程中，由于微细碳化物向位错、孪晶及微观缺陷处偏聚而析出，将消除以前和新形成马氏体而引起的内应力，压应力降低使处于过渡应力状态的残留奥氏体发生应力松驰而转变为马氏体。由于在低温下，间隙原子（碳）的扩散激活能较低，在马氏体形成时难以扩散，因此马氏体相变属无扩散相变。

前期试验证实残留奥氏体转变为马氏体与其奥氏体含量有关，残留奥氏体量越大，转变量越多，如20CrNiMo、20Ni3Mo渗碳钢，尽管其中含有奥氏体稳定化元素（如Ni、Mn），经深冷处理后，其残留奥氏体由55%左右下降至20%左右。同样GCr15淬火后奥氏体的含量对残留奥氏体的转变也有影响，王秋成研究表明深冷处理使GCr15钢淬火零件残留奥氏体含量大幅降低，减少了零件中48.6%～71.6%的残留奥氏体，而我们试验的GCr15钢淬火处理后的残留奥氏体含量仅为16.74%，残留奥氏体降低幅度也不是特别大，同样说明GCr15钢深冷处理残留奥氏体转变量和淬火处理后的残留奥氏体含量有极大关系。GCr15在相变过程中因等温而形成等温马氏体，甚至在回火过程中也会形成等温马氏体，并且其马氏体的含量与回火温度和保温时间也有关系。

2.2 深冷处理对硬度的影响

试验发现GCr15钢经不同深冷工艺处理后，硬度均有不同程度的提高（见表2）。图2表示深冷处理与前处理工艺相比较硬度值的提高幅度。

图2 GCr15钢经不同深冷工艺处理后的硬度

（a）液氮浸泡时间；（b）升温方式

从图2可以看出经深冷处理后GCr15钢试样的硬度有所提高，由于试样淬火得到马氏体+残留奥氏体+碳化物，本身硬度较硬，高达61.0HRC，经深冷处理后，测定提高值最高为2.7HRC，最低为1.0HRC，提高了1.70%～4.43%。从图2（a）可以看出深冷浸泡时间4h前随时间延长提高较为明显；而4小时后随时间延长硬度几乎没有提高。从图2（b）可以看出深冷处理升温速度越快硬度越高，这主要是深冷处理后的残留奥氏体转变为马氏体并析出微细碳化物引起的。从图1可以看出，深冷处理均有微细碳化物析出，而残留奥氏体测试结果得知未经深冷处理时残留奥氏体量为16.74%，升温速度较慢（C8）时残留奥氏体含量为9.75%，而升温速度较快（C7）时残留奥氏体含量为0.40%。因此在水中快速升温后试样的硬度最高，实测和理论相符合。

2.3 深冷处理对冲击吸收能量和耐磨性的影响

深冷处理在提高GCr15钢硬度的同时也会改善其韧性，主要原因是的深冷过程中不仅有残留奥氏体转变，并且有碳化物弥散析出过程，使马氏体固溶化作用减弱，从而间隙碳原子所造成的不对称畸变作用减弱，而使韧性提高。同时热稳定化的残留奥氏体的存在可吸收大量裂纹形成功和裂纹扩展功，对改善钢的韧性也是有益的。由于碳化物的析出降低了马氏体的固溶度以及组织的进一步细化均有助于改善材料的塑性和裂纹扩展功，改变微观断裂机制，因此宏观性能上表现为冲击吸收能量的不降低，如图3所示。

图3 GCr15钢经不同深冷工艺处理后的冲击吸收能量和磨损量

（a）液氮浸泡时间；（b）升温方式

深冷处理使GCr15钢耐磨性提高105%～146%，深冷处理提高耐磨性是以改善其组织为基础的。不同的组织其耐磨性不同，深冷处理后得到的是较多的马氏体和少量残留奥氏体及一定数量的微细碳化物。有关研究得出了不同组织的碳钢的磨损，定性表示了显微组织对耐磨性的影响，证实马氏体+渗碳体具有较高的耐磨性。显微组织中马氏体+渗碳体含量越高，其耐磨性越好，马氏体组织的耐磨性与含碳量密切相关，穆尔对一些碳钢进行磨粒磨损试验表明，具有马氏体组织的碳钢，其耐磨性与含碳量的平方根有线性关系。由于经不同深冷工艺处理后其组织含量不同，因此其耐磨性有区别。从图3（a）可以看出当浸泡时间小于4h时，随浸泡时间延长，冲击吸收能量增加，磨损量也有明显降低。但超过4h后，随浸泡时间的延长冲击吸收能量反而减小，磨损量变化不大。

由磨损试验可知，GCr15钢主要磨损失效形式为粘着磨损、磨粒磨损、裂纹和腐蚀剥落的失效形式。深冷处理增强了时效强化，细晶强化和相变强化的作用，使表层硬度提高，有利于提高抗粘着磨损与磨粒磨损的能力，深冷处理后组织细化，不具有明显的针片状马氏体形态。无论是位错马氏体还是孪晶马氏体皆发生分解、亚结构细化并析出微细碳化物。碳化物弥散析出有利于提高耐磨性、耐点蚀和擦伤能力，Borron试验证实深冷处理转变而来的马氏体和析出的微细碳化物综合作用有利于提高抗粘着磨损。在相同润滑条件下及无润滑条件下，无论是拉应力还是压应力，都是应力越大，越易生成更苛刻的磨损机构、磨损越大。润滑条件越差，残余应力越高，磨损越大。而球阀在井下，润滑条件极差、温度高、发热严重，深冷处理可调整残余应力，因此有利于耐磨性的提高。

图3（b）所示为升温速度对GCr15钢的冲击吸收能量和耐磨性的影响。升温速度越快，冲击吸收能量越小，但磨损量反而增加。深冷处理后用水升温（C7）的方式虽然残留奥氏体量相当少，仅为0.40%，但其耐磨性并不高。而深冷后以0.5℃/min回复至室温的处理（C8）虽含有一定数量（9.75%）的残留奥氏体，反而有利于耐磨性，其主要原因是：①在磨粒磨损时，载荷通过磨粒在工件表面产生压缩、拉伸、剪切应力。在此应力作用下，将使磨沟附近薄层内发生残留奥氏体向马氏体转变，在钢中有一定数量形变马氏体时，会呈现相变塑性，并且使硬化指数提高，即提高加工硬化率，这些可以阻止或减少疲劳裂纹的形核和扩展，有利于提高耐磨性和接触疲劳性能。②应变诱发马氏体和深冷处理时形成的马氏体有较高的塑性。它们和韧性的残留奥氏体有抑制裂纹扩展的作用。在磨损过程中如果磨损面形成显微裂纹，在它向下扩展时，遇到应变诱发马氏体和深冷马氏体及残留奥氏体时将会使裂纹尖端产生钝化和交叉，因而对裂纹的扩展有延缓作用。③显微组织中残留奥氏体和碳化物结合比马氏体与碳化物结合更牢固，能更好地防止磨粒磨损过程中碳化物的剥落，从而减少磨损。④残留奥氏体应变硬化和相变硬化可提高切变抗力，同时残留奥氏体塑性变形和相变将导致残余压应力增加，有利于抗疲劳磨损性能的提高。⑤从能量角度来看，应力诱发相变必将吸收或消耗一部分能量，总的磨损能量中有一部分消耗于组织转变，结果消耗在材料磨损上的能量减少，即提高耐磨性。当然残留奥氏体对接触疲劳性能和耐磨性能的影响是一个复杂的问题，它除与残留奥氏体数量有关外，还与形态、分布、稳定性等有关，但可以肯定对于GCr15钢球阀等受磨粒磨损和疲劳磨损的工件，适量的稳定的残留奥氏体有利于耐磨性的提高。GCr15钢中含有一定量的（9.00%～10.00%）的残留奥氏体，可使其耐磨性及接触疲劳强度达到最高值，但残留奥氏体的存在使钢件尺寸稳定性降低，经深冷处理后由于残留奥氏体相对稳定，因此也可稳定球阀尺寸，由于GCr15钢中有一部分（1.0%～2.0%）等温马氏体，也可提高在深冷处理时的稳定性。因此深冷处理后的一定量的残留奥氏体有利于提高耐磨性。

在相同磨损条件及无润滑条件下，无论是残余压应力还是残余拉应力，都是应力越大，越易生成更苛刻的磨损机构，GCr15钢淬火后残余应力为－98MPa，表2表明以0.5℃/min升温的深冷处理（C8）后残余应力为252MPa。从图3（a）还可以看出，深冷处理时间越短耐磨性越低，但当深冷处理时间超过4h后，其对耐磨性影响不大。深冷处理改善了GCr15钢的综合力学性能，随深冷处理时间的延长，硬度和耐磨性提高，冲击吸收能量有所降低，但下降幅度并不大。此研究结果与其他学者的研究基本相符。

3 结论

1）GCr15钢阀球淬火后进行深冷处理后，耐磨性提高了105%～146%，硬度提高了1.70%～4.43%。

2）深冷处理中，液氮浸泡时间和深冷后的升温速度对GCr15钢性能有不同程度的影响。当浸泡时间少于4h时，随液氮浸泡时间延长，磨损量减小、冲击吸收能量和硬度有所提高；超过4h后，随浸泡时间延长磨损量和硬度变化不大，冲击吸收能量将减小。升温速度越快，硬度和磨损量均有提高，冲击吸收能量降低。

3）深冷处理后残留奥氏体量将影响GCr15钢球阀的耐磨性。深冷处理保温时间大约为4h、降温和升温速度控制在0.5℃/min左右，其残留奥氏体量为9.75%，此时获得的综合力学性能最佳。