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大气和润滑剂对轴承还有一定的腐蚀作用；
某些情况情况下钢针还会受到冲击负荷的作用。
钢针的破坏形式是多种多样的，如疲劳剥落、磨损、锈蚀等。
1.2性能要求
1.高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；
2.高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，其硬度为（HRC）61～66；
3.一定的冲击韧性；
4.良好的尺寸稳定性（或组织稳定性），这对精密轴承特别重要；
5.在和大或润滑油接触时要能抵抗化学腐蚀；
6．好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。
2.钢针材料的选择
制作钢针的材料很多，有GCr15SiMn（A）钢、20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等。
GCr15SiMn（A）钢是在GCr15基础上，提高Si、Mn含量的改型钢，以改善其淬透性和弹性极限，耐磨性也有所提高。
但其热处理工艺麻烦，成本高。
渗碳钢如20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，经渗碳-淬火低温回火处理后，表面有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而心部具有很高的冲击韧性。
用渗碳钢做钢针，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳淬火处理后，在表层形成有利的残余应力，提高钢针的使用寿命。
综合其特点，选用GCr15钢来制作钢针。
2.1Cr15钢的C曲线
通过查找《热处理手册》获得Cr15钢的C曲线如图1所示
时间/s
图1.GCr15钢C曲线图
2.2Cr15钢化学成分及合金元素的作用
GCr15为常用的高碳铬钢的一种，是应用最广泛的的一种钢，用于制造中小型钢针零件，也可以制造部分大型钢针零件。
表1.GCr15钢的化学成分（％）
钢号
C
Si
Mn
Cr
GCr15
0.95-1.05
0.15-0.35
0.25-0.45
1.40-1.65
Mo
P
S
≤0.10
≤0.025
硬度/HV
抗拉强度/MPa
纵向弹性模数/MPa
平均线膨胀系数/a/℃﹣1
密度g.cm-3
材料热处理
772
1569-1861
210000
0.000001
7.85
淬火
表2.GCr15钢常温下物理性能
GCr15所含元素的作用：
碳保证钢针在淬火和低温回火后得到高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳性能。
铬可以增加淬透性，还能部分溶于渗碳体形成较稳定的合金渗碳体，热处理后得到的细小的均匀的碳化物，对提高钢的耐磨性，尤其是对提高解除疲劳强度十分有利。
铬还能提高马氏体的低温回火稳定性，热处理后得到均匀的高硬度，从而有效地提高钢的耐磨性。
硅、锰以进一步提高淬透性，适合制造大钢针。
但是锰会增加钢的过热倾向，含量过高会引起残留奥氏体量增加。
硅还会增加钢中氧化夹杂，故需要加以限制。
钼主要作用是提高钢的淬透性，改善力学性能，特别是具有提高韧性的效果。
此外还可以提高钢的耐磨性和渗碳性能，钼含量在此类钢中一般在1.00%以下。
磷、硫严格控制有害元素磷和硫量，磷在加热时会促使晶粒长大，并增加钢的脆性，降低硬度、增加淬火开裂倾向。
硫会增加钢中硫化夹杂。
2.3相变点的确定
GCr15钢针是一种高碳铬钢，当向高碳铬钢加入硅和锰合金元素后，它的多元状态图变得更加复杂了。
硅的作用主要是引起相变点A1、A3、Acm升高，从而使状态图的A区趋于封闭；
锰的作用则是引起S点左移，并使A1、A3下降，Acm升高，造成A区扩大。
钢中硅几乎全部溶入固溶体中，而锰除一部分溶入固溶体之外，其余则形成渗碳体型碳化物（Fe，Cr，Mn）3C。
通过查找资料，可知Fe-C-Cr状态图上含1.6%Cr的垂直截面
3钢针热处理工艺
3.1钢针零件图
3.2工艺路线图
3.3热处理工序
1．预备热处理工序—球化退火
球化退火目的是使组织变为均匀分布的细粒状珠光体，获得最佳的机加工性能并未淬火提供良好的原始组织，淬火、回火后获得最佳的力学性能。
2．最终热处理工序—淬火、低温回火
该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。
所以选择淬火加回火，使其具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。
3钢针零件的产生工艺路线一般如下:
轧制→正火→球化退火→机械加工→淬火→冷处理→低温回火→磨加工→附加回火→成品
4锻造工艺设计
锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出GCr15钢针的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表1所示
表3：
钢针热锻工艺规范
4.钢针热处理理论基础
4.1正火
正火的目的:
改善或消除网状碳化物，提高冲击韧度。
退火时过热组织的返修。
细化原始组织，为提高抗回火稳定性做准备。
如果毛坯锻造工艺不当，出现沿奥氏体晶界析出的二次网状碳化物和条状珠光体组织，因为它们在随后的球化退火过程中不能完全消除，从而影响零件的使用寿命，所以先采用正火工艺来消除这些组织。
有粗大的网状碳化物的GCr15钢，采用900～950℃的加热温度，工件透热后保温40～60min，正火。
若正火的加热温度过高，在冷却过程中也易析出网状碳化物，故需要采用较快的冷却速度。
在油或水中冷却时，冷至500℃时应取出，以免产生裂纹。
4.2球化退火
球化退火的目的:
使片状珠光体转变为细粒珠光体，为淬火准备良好的原始组织。
降低硬度使其易于切削加工。
提高塑性使其易于冷拉、冲压、冷辗。
经过锻造后的工件，如果其显微组织为细片状珠光体，则可直接进行球化退火。
其目的是：
降低硬度，便于切削加工，获得均匀的分布的细颗粒珠光体、为淬火做好准备，改善热处理的综合力学性能，消除加工硬化，增加塑性。
GCr15钢通常采用等温退火。
其工艺是将刚才加热到780～810℃，保温3～6个小时，然后再690～750℃，保温4个小时以上，以便组织全部球化。
790℃被认为最佳的球化加热温度。
因为加热温度过高，大量碳化物溶解，球化结晶核心少，球化后为粗大的球状珠光体或部分片状组织；
加热温度偏低，球化退火后组织中仍保留尚没转变的片状珠光体。
最佳的等温球化退火工艺如图
图2：
高碳铬钢针球化退火等温曲线图
4.3淬火
淬火的目的:
充分发挥材料的各种综合性能潜力，提高硬度、强度、耐磨性、接触疲劳性能等，并为回火提供优良的马氏体组织，以便最终获得最佳综合强韧化的性能。
一般采用淬火和低温回火，其目的是提高钢的强度、硬度、耐磨性与抗疲劳性能。
GCr15钢的淬火温度为820～860℃，温度太高，就会出现过热组织，使钢针的韧性和疲劳强度下降；
温度过低，奥氏体中溶解Cr、C数量减少，影响淬火后的硬度。
钢针工件的淬火组织中马氏体和残余奥氏体是不稳定相，室温下停留时间过久，将会导致工件尺寸发生变化，使钢针的精度降低，所以，钢针淬火后，应及时采用160℃±
10℃的低温回火，回火时间一般为2～4个小时。
4.4冷处理
冷处理的目的:
使淬火过程中未能充分转变的残留奥氏体继续向马氏体转变，除能提高零件的尺寸稳定性，还能略微提高零件的硬度和防锈性能。
有时也能利用马氏体比体积大这一原理用冷处理来挽救因尺寸缩小而报废的产品。
对于精密零件，冷处理是淬火的继续，目的是让淬火后的残留奥氏体转变为马氏体，从而减少残留奥氏体量，以提高零件的尺寸稳定性。
冷处理工艺的温度一般为-60～-80℃，保温时间为2～4小时，冷处理后恢复到室温在4小时内进行回火，以防止零件开裂。
4.5回火
回火的目的:
零件淬火后必须及时进行回火。
回火可以减少并稳定残余应力，稳定组织，避免裂纹和变形，适当降低硬度而大幅度提高韧性，使零件最终获得最佳配合的综合强韧性的力学性能和尺寸稳定性。
4.6附加回火
附加回火的目的:
回火的作用是消除磨削应力，进一步稳定组织，以便于提高零件的尺寸稳定性。
附加回火：
淬火未经冷处理的钢针零件，在磨削加工时，会产生磨削应力，低温回火时未能完全消除的残留应力在磨削加工后会重新分布。
这俩种应力会导致尺寸发生变化，甚至会产生龟裂。
为此，应在进行一次附加回火，回火温度为120～160℃，保温时间为5～10h，或更长。
5.钢针热处理操作过程中的注意事项
6.钢针热处理工艺参数的制定
根据时间计算公式：
τ=a×
K×
D【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，将工艺参数制表如下：
6.1装炉修正系数
装炉修正系数K取1.8。
图3.工件在炉内不同排布方式的加热时间修正值
6.2加热系数
由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定
表4.钢的加热系数
奥氏体化温度为：
860℃。
6.3工件厚度
工件有效厚度的确定：
下表为不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数表，有此可计算出工件的有效厚度为：
D=直径×
形状系数=50×
1.0=50mm。
图4：
GCr15钢针零件图
表5.形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数
7.设备的选择
①球化退火、淬火的设备：
为了减少钢针在热处理过程中的氧化、脱碳，采用中温箱式保护气氛电阻炉。
图5.中温箱式保护气氛电阻炉
中温箱式保护气氛电阻炉：
额定功率75kW,最高工作温度950℃,炉膛尺寸（mm）:
800×
900×
550,重量5350kg
②.回火设备：
中温井式电阻炉
图6:
中温井式回火炉
表8.中温井式回火炉数据
③清洗设备：
废水池。
④烘干设备：
烘箱。
仪表
1．温度检测表热电偶：
N镍铬硅镍硅温度范围-200-1200℃
特点：
装配简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好，测量范围大（－200℃～1300℃,特殊情况下－270℃～2800℃），机械强度高，耐压性能好，耐高温可达2800度
2.温度显示与调节仪表TA—091电子调节器，规格参数：
位式+报警，该系列仪表所配用执行器：
接触器、电磁阀、ZAP（ZAJ）直行程电机+ZM薄膜阀，可控硅电压调整器、DF-1伺服放大器+直行程电机+ZM薄膜阀，电气转换器+ZM气动薄膜阀。
3．数字式温度显示仪表：
面板是数字温度仪表：
RY2312，测量范围：
0-1300℃。
4．压力测量仪表热处理设备工测量压力表主要测量煤气压力燃烧油压力。
8.夹具的选用及零件的摆布
零件在热处理过程中，根据零件的外形、尺寸及批量和所选用的加热炉型号，需要多种吊具和工夹具以保证零件的加热均匀，不致于变形，保证操作安全。
1．夹具
机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。
又称卡具。
圆锥台的大端有用于螺栓连接的法兰盘，在圆锥台锥面中间圆周上均布若干轴线垂直于锥面的通孔，通孔内有一台阶孔。
2．定位销
包括冲压模具，注塑模具等等。
他们的精密度都要求的特别高，而如果是仅仅靠螺栓来固定模板的话肯定是不行，所以只有借助定位销来达到定位的目的，或是防止安装位置、方向的错误等等。
定位销的头部是球体，中间是轴，尾部加工一个台阶，台阶的顶部是球面。
3因为GCr15钢针在热处理时，种类较多，以及零件小，所以夹具选用料盘高度不超过5cm,盘底孔距不得超过零件直径，又因零件小，一般直接均匀排布在料盘之上，不能过多，否则在热处理时会导致最底部零件变形。
图7：
热处理备料料盘
9.钢针热处理后质量检验
1．硬度检查
GCr15钢制套圈、滚子和滚针淬火后的硬度不小于63HRC，回火后的硬度为61～65HRC。
2.金相组织检查
钢针零件淬、回火后显微组织应有隐晶、细小结晶马氏体和均匀分布的细小残留碳化物以及少量残余奥氏体组成。
淬、回火后的显微组织应根据马氏体粗细程度，残留碳化物颗粒大小和数量以及托氏体的形状、大小和数量来评定。
3.断口检查
钢针零件淬、回火后，其断口应为浅灰色细瓷状，按本标准第四级别图评定，2级为合格断口，不允许有1级欠热断口，或3级过热断口存在。
4.裂纹检查
钢针淬、回火后不允许有裂纹，一般用磁粉探伤法查裂纹。
5．脱碳层和表面软点
钢针零件淬、回火后脱碳层深度（或表面软点）应不小于该标准有关规定，脱碳和表面软点可采用冷酸洗法检查。
6.回火稳定性
钢针零件淬、回火后必须进行回火稳定性检查，回火稳定性是指被测定零件第二次回火前后相应点的最大落差，硬度落差不大于1HRC为合格。
GCr15的火稳定性试验温度范围为155℃±
5℃。
10.钢针组织特点与性能分析
1细粒状碳化物
高碳铬钢针的淬火温度为830℃～860℃，经油淬后，可获得细小的均匀的奥氏体晶粒度（5～8级），固溶体中的碳含量一般在0.5%～0.6%（质量），隐晶马氏体基体上分布着细小的均匀分布的粒状碳化物，其含量为7%～8%（体积），并含有少量残留奥氏体。
这样的话，组织在性能上可得到最高硬度，弯曲强度和韧度，根据资料，马氏体基体上碳含量在0.45%时疲劳性能最好，若马氏体基体中碳含量固定在0.45%时，则碳化物在4%～6%（体积）为宜，所以，在有些情况下，可以降低钢中碳含量是有利的。
钢针零件在淬火工艺中应尽量减少氧化脱碳，为了防止氧化脱碳，我们在热处理过程中，可以采用保护气氛加热或者是真空加热。
2退火组织和性能
在等温球化退火过程中，奥氏体转变为粒状珠光体。
当片状过共析原始组织的奥氏体体化温度较低时，其中片状碳化物虽已溶解，但奥氏体的成分极不均匀，且由于大量未溶二次碳化物的存在，将为A1以下等温时共析碳化物的析出提供了非均质晶核，股促进了粒状珠光体的形成。
如图7.GCr15钢锻造后经球化退火，使钢中的碳化物球状化。
球化退火可降低硬度，改善切削性能；
获得均匀组织，改善热处理工艺性能；
可经淬火、回火后得到良好的综合性能。
图8.GCr15钢常规等温球化退火组织
3淬火组织和性能
GCr15钢的淬火组织是由淬火马氏体、残余奥氏体和剩余碳化物组成。
钢针的淬火温度一般为820～860℃，其加热温度从俩个方面来影响淬火组织和性能。
加热温度越高，碳化物溶解越多，奥氏体中碳化物及合金元素含量越高，淬透性（如图8）和淬火硬度上升，在适宜的加热温度和保温时间淬火，可获得良好的金相组织与硬度的最佳配合，如图5.淬火加热温度若果太低，会使奥氏体中合金元素固容量不足，油冷后会出现非马氏体组织，使硬度和强度下降，如图9.当淬火温度过高时，碳化物大量溶解，并均匀化，阻止奥氏体晶粒长大的碳化物逐步减少，甚至消失，晶粒开始粗话，淬火后，会出现细长针状或者粗大针状马氏体组织，形成的过热组织或者严重过热组织，残留奥氏体增多，强度和韧性都达不到要求。
淬火回火马氏体组织大量屈氏体组织
图9淬火回火马氏体、大量屈氏体组织
表9：
GCr15钢不同淬火温度与组织性能关系
由表9可知，淬火组织为以片状马氏体为主。
随着淬火加热温度的升高，奥氏体中含碳量增加，片状马氏体量也随之增多。
当基体中碳含量质量分数超过0.6%时，淬火组织为孪晶马氏体为主。
GCr15钢在820～860℃加热淬火，基体中含碳量在0.5%～0.6%之间，力学性能最好
图10.GCr15钢淬透性曲线
由表5.8可知，淬火组织为以片状马氏体为主。
GCr15钢在820～860℃加热淬火，基体中含碳量在0.5%-0.6%之间，力学性能最好。
图10.GCr15钢淬透性曲线如图所示，是GCr15钢的淬透性曲线，至水冷端的距离越远，其硬度越低。
当冷却到马氏体点Ms之下时，过冷奥氏体即发生马氏体相变。
马氏体相变也分形核及成长两个阶段，但成长速度很快，形核后不到万分之一秒即生长完毕，因此马氏体转变速度几乎完全是由形核速度所控制。
马氏体转变量只与温度有关，随温度下降转变量增加；
与保温时间无关，恒温停留不会使马氏体量增加，反而会带来其他的问题。
马氏体点Ms与奥氏体的化学成分有关。
其中碳的影响最大，碳含量增加，Ms点降低；
合金元素W、Mo、Cr、V均使Ms点降低。
淬火温度高，保温时间长，使奥氏体中的碳和合金元素含量增加，因而使Ms点下降。
钢针在淬火后的基体组织中除了马氏体之外，还有的残余奥氏体。
残余奥氏体的数量与Ms点有关。
钢中的碳含量愈高，淬火温度愈高，则使残余奥氏体量愈多。
在淬火时中断冷却，也会使残余奥氏体量增加，并且中断冷却的温度愈高，则残余奥氏体量也愈多。
淬火温度对残余奥氏体，剩余碳化物的影响，如图
图11.淬火温度对GCr15钢硬度、残余渗碳体和残余奥氏体的影响
4回火组织和性能
钢针在淬火后应及时进行回火，以提高零件的组织及尺寸的稳定性，提高力学性能。
回火一般采用160℃保温3h或者更长。
回火组织为回火马氏体+弥散分布的碳化物+少量残留奥氏体。
回火后硬度在62～66HRC。
钢针零件的尺寸不稳定性的基本原因在于存在有内应力和残留奥氏体，增加组织稳定性和减少应力常用的措施是进行冷处理和附加回火。
特别是对于精密钢针，为了保证零件的稳定性，必须要求消除残留奥氏体。
一般采用淬火后立即进行冷处理。
钢针在磨削加工后腰进行消除磨削应力的回火，一般应根据其精密等级来选取不同的保温时间和回火次数。
回火可以减小并稳定残余应力，稳定组织，避免裂纹和变形。
钢针中碳化物经过细化处理和采用低温回火，可以获得碳化物和晶粒同时发展的效果。
淬回火后残留碳化物均匀、细小、圆整，组织中黑白区不很明显，带状碳化物和液析碳化物基本消除，淬回火马氏体组织细小、均匀，从而对钢针接触疲劳寿命的提高带来非常有利的影响。
如图是用不同含碳量的钢淬回火后，使其马氏体含碳量和残余奥氏体含量相同而未溶碳化物含量不同，经160℃回火后的力学性能。
从图可知，未溶碳化物少量增高对硬度增高值不大，反映强度和韧性的压碎载荷则有所降低，对应力集中的敏感的解除疲劳寿命则明显降低，所以适当地降低钢针的含碳量是提高制件使用寿命的途径之一
图12.高碳铬钢淬回火后未溶碳化物对硬度、压碎载荷和接触疲劳寿命的影响
5GCr15钢的过冷奥氏体的转变
GCr15钢过冷奥氏体等温转变图
GCr15钢在A1至马氏体开始转变温度Ms点之间，过冷奥氏体的等温转变分为珠光体型高温转变和贝氏体型中温转变；
而过冷至Ms点以下时，则属于马氏体型—非等温转变。
过冷奥氏体最不稳定的温度范围和最短孕育期，随着其中铬、碳、锰等元素的实际含量而改变，并取决于奥氏体化时的加热温度、保温时间以及原始组织的分散度。
如图是GCr15钢经860℃和1050℃奥氏体后所测得的过冷奥氏体等温转变图：
根据GCr15钢在860℃奥氏体化的等温转变曲线，A1至520℃之间过冷奥氏体的等温转变产物为碳化物与铁素体片相间分布的珠光体型组织，并随着转变温度的降低，片间距相应减小。
520～245℃之间则为贝氏体型组织，其中，500～400℃等温时转变产物为羽毛状上贝氏体，而在350℃以下则为针状下贝氏体。
根据GCr15钢在1050℃的等温转变曲线可知，当二次碳化物全部固化时，图上出现了二次碳化物开始析出曲线（其最不稳定温度约为700℃左右），即过冷奥氏体在发生珠光体或者贝氏体转变之前，将首先沿奥氏体晶界析出网状碳化物。
二次碳化物的析出主要取决于冷却速度，其析出的数量不仅与碳在奥氏体中的过饱和度有关，而且碳化物形成元素的扩散条件也具有一定的影响。
由于这些元素沿奥氏体晶界的扩散速度远大于晶内扩散，故二次碳化物多沿晶界析出，从而形成断续或连续的网络状。
通过GCr15钢等温转变曲线可估算，网状碳化物析出的临界冷却速度约为12℃/s，所以过冷奥氏体在实际冷却过程中为了避免网状碳化物的析出，应控制好冷却速度，且不低于50～70℃/min。
11.钢针热处理时常见缺陷
加热时常见的缺陷的预防及补救方法
1．欠热缺陷及其预防、补救1）形成原因及防止措施钢在加热时，由于加热温度过低火，尽管有较长的保温时间，但原始的片状珠光体不能完全溶解，所以不能得到合格的球化组织。
防止欠热主要措施是严格控制加热温度。
2）返修方法可通过重新球化退火来补救。
2．过热缺陷及其预防、补救
1）形成原因及防止措施钢加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，是局部地区奥氏体成分均匀化，从而决定冷却后珠光体的形态呈片状出现。
防止过热主要措施是严格控制加热温度和加热时间。
2）返修方法可通过完全退火或正火来补救。
形成原因及防止措施由于回火前工件内应力不平衡，回火是应力松弛或产生应力重新分布所致。
要避免回火变形，或采用多次校直多次加热，或采用压具回火等。
3）回火不足或回火过度缺陷及其预防、补救形成原因及防止措施回火不足或回火过度是由于回火温度偏低或偏高造成的，会导致材料硬度偏高或偏低。
要避免这种缺陷应严格控制回火温度和保温时间。
参考文献
1《热处理原理及工艺》，石淑琴主编，机械工业出版社；
2《金属学基础》，王学武主编，机械工业出版社；
3《航空材料工程手册》，总编委会主编，航空工业出版社；
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7《金相检验》，张博主编，机械工业出版社；
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10《金属材料学》，凤仪主编，国防工业出版社；
11《热处理工操作技术》，林约利，上海科学技术文献出版社
相变点的确定GCr15钢针是一种高碳铬钢，当向高碳铬钢加入硅和锰合金元素后，它的多元状态图变得更加复杂了。
硅的作用主要是引起相变点A1、A3、Acm升
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