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面对科学技术的日新月异,材料将承受越来越多的极限工况,特别是轴承材料将面临极端的载荷作用,其摩擦磨损可能与在传统低载荷下的工况有所区别,导致其耐磨性能表现不佳。因此,研究轴承材料在重载条件下的耐磨性变得十分重要。本次实验对象选择使用最为广泛的GCr15轴承钢,主要研究淬火温度和表面渗氮对其耐磨性能的影响,并选择M2高速钢作为对比材料,从耐磨性角度讨论M2高速钢作为重载轴承用钢的可能性,在研究过程中主要讨论回火次数对其耐磨性能的影响。实验中采用了光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射分析仪(XRD)等测试手段研究了热处理对轴承材料组织和性能的影响,利用旋转摩擦试验机测低载荷条件下材料的摩擦性能,利用高温重载摩擦试验机测重载条件下材料的摩擦性能,并通过力学性能测试和磨损形貌观察,探讨磨损机理,其结果表明:1)GCr15淬火时常常得到"黑白区"形貌。淬火后组织均为马氏体+碳化物+残余奥氏体,随着淬火温度的升高,马氏体形态由隐针状逐步变成粗针状,在860 ℃淬火硬度取最大值为HRC62.1,弹性模量为206.421 GPa。GCr15经渗氮后形成了三个区:氧化膜层、渗氮层和扩散层,渗氮层由γ-Fe4N和ε-Fe2-3N相组成,渗层厚度可达100μm,硬度从内部到表面逐渐升高,渗氮后表面硬度增加。M2高速钢淬火组织为马氏体+合金碳化物+残余奥氏体,碳化物主要为MC、M7C3、M3C2型碳化物,在高温回火过程中会发生二次硬化现象,二次回火后得到更多细小的碳化物,洛氏硬度和弹性模量分别为63.1和244.526 GPa,均比一次回火试样高。M2高速钢压缩屈服强度明显高于GCr15。2)在低载和重载条件下,热处理对GCr15耐磨性的影响相似。随着淬火温度从840 ℃升高到900 ℃,摩擦系数先减少后增加,经860 ℃淬火的试样摩擦系数与磨损率均最小。在同种热处理状态下,GCr15的摩擦系数随着接触应力的增大而减少,且减少幅度变小,磨损率随接触应力的增大而增大。材料的磨损率与硬度、弹性性模量有关,但并不是呈现简单的线性关系。在低载荷条件下,GCr15主要发生磨粒磨损,在重载条件下,GCr15主要发生严重的粘着磨损。3)表面渗氮对GCr15耐磨性的影响是复杂的。载荷较低时,GCr15表面渗氮能减小摩擦系数,降低磨损率,主要发生轻微擦伤,有少部分的剥离现象。在0.75 GPa、0.94 GPa、1.08 GPa的接触应力下,渗氮试样的磨损率较未渗氮试样分别降低46%、31%和28%。在重载条件下,表面渗氮对GCr15减磨效果变弱,在2.88 GPa下磨损60 min左右,化合物层被磨掉,且随着接触应力进一步增大后,在3.17 GPa下,渗氮试样的磨损率比未渗氮试样高8%,渗层失去减磨作用。4)对M2来说,在重载条件下摩擦虽然会产生大量的热,但氧化磨损并不严重。经二次回火后试样的摩擦系数与磨损率均比经一次回火的更小,相比于一次回火试样,二次回火试样的表面擦伤较轻。5)在已有的磨损率计算公式中,引入H/E表征材料的属性,来估算磨损率,并在随后的实验中,使用高速钢磨损率来讨论公式的误差,发现其结果误差较大,说明还有其他因素影响材料的磨损率。