CN101915273A - 新型轴承环材料及其生产工艺 - Google Patents

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李赤波
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高杰
唐勇
宋亚峰
黄晓斌
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BEIJING CHANGXING KAIDA COMPOSITE MATERIAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Xinxing Ductile Iron Pipes Co Ltd
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Abstract

本发明新型轴承环材料及其生产工艺涉及一种双金属复合管材及其生产工艺。其目的是为了提供一种高硬度、高耐磨性和高韧性、高冲击韧性值相互配合的新型轴承环材料及其生产工艺。本发明新型轴承环材料由环形的复层和基层构成，所述复层和基层沿环形的径向冶金结合在一起，所述复层采用常规轴承钢材料，所述基层采用普碳钢、低/中合金高强度钢或不锈钢材料。

Description

新型轴承环材料及其生产工艺
技术领域
本发明涉及一种双金属复合管材及其生产工艺，特别是涉及一种轴承环材料的复合管材及其生产工艺。
背景技术
目前应用的轴承材料主要分为以下几种：
1)高碳铬轴承钢材料(GB/T 18254-2002)；
高碳铬轴承钢主要有GCr9、GCr15、GCr9SiMn和GCr15SiMn等材质。GCr9主要用于制造转动轴上尺寸较小的钢球或者滚子，一般条件下工作的轴承环及滚动体；GCr15用于制造大型机械轴承的钢球、滚子和轴承环；GCr9SiMn性能同GCr15相近，主要用于制造尺寸较大的轴承环；GCr15SiMn的耐磨性和淬透性比GCr15高，主要用于制造大型轴承的轴承环、钢球和滚子。
2)渗碳轴承钢材料(GB/T3203-1982)；
渗碳轴承材料主要有G20CrMo、G20Cr2Ni4、G20Cr2Mn2Mo和G20CrNi2Mo等材质，此类型轴承钢主要用于承受冲击荷载的轴承环和滚动体。这是因为，此类钢经表面渗碳后，具有良好的硬度和韧性值，可以承受较大的冲击荷载，如G20Cr2Ni4渗碳轴承钢经渗碳+热处理后，表面硬度HRC62，心部硬度HRC43，渗碳深度2.3mm，冲击韧性值达到68.7J/cm2。
3)不锈轴承钢材料(GB/T3086-1982)；
不锈轴承钢材料目前应用较多的是9Cr18和9Cr18MoV，该类钢种主要用于制造耐蚀的轴承环及滚动体，如海水、河水、硝酸、化工石油、原子反应堆用轴承等。
4)无油润滑双金属轴承材料
无油润滑双金属轴承材料是以优质低碳钢背为基体，表面烧结铅锡青铜合金，经数次高温烧结和致密轧制而成铜-钢一体的双金属带材卷制而成，适合于制造承受中速、高冲击载荷的衬套、止推垫圈等。
滚动轴承通常都在较高的转速或较大的荷载下运行，因此，要求滚动轴承材料须具备下述特点：
1)必须可以充分淬硬，具有较高的硬度和耐磨性；
2)必须具有较高的疲劳强度、特别是工作面的抗剪切疲劳强度；
3)在工作温度下，保证轴承零件具有结构和尺寸的稳定性；
4)对于承受冲击荷载情况下的轴承具备较大的抗冲击能力；
但是，对于同一种材料而言，硬度、耐磨性和韧性、抗冲击能力是相互矛盾的，要求足够高的硬度、强度和耐磨性必然会以降低材料的韧性和抗冲击性能为代价。虽然渗碳轴承钢材料可在一定程度上满足工作面硬度和整体韧性的配合，但渗碳层的碳含量不均匀性又大大降低了工作面的抗剪切疲劳性能。如何保证在足够的硬度、耐磨性下不降低材料的冲击韧性，同时又保证工作面具有较高的抗剪切疲劳性能，正是本专利所解决的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高硬度、高耐磨性和高韧性、高冲击韧性值相互配合的新型轴承环材料及其生产工艺。
本发明新型轴承环材料，由环形的复层和基层构成，所述复层和基层沿环形的径向冶金结合在一起，所述复层采用常规轴承钢材料，所述基层采用普碳钢、低/中合金高强度钢或不锈钢材料。
本发明新型轴承环材料，其中所述复层为工作层，所述基层为支撑层。
本发明新型轴承环材料，其中所述复层沿基层的径向设置在基层的外侧。
本发明新型轴承环材料，其中所述复层沿基层的径向设置在基层的内侧。
本发明新型轴承环材料，其中所述复层采用高碳铬轴承钢或不锈轴承钢材料。
本发明新型轴承环材料的生产工艺，按照如下步骤进行：
(1)选材
根据使用条件选择复层材料，即常规轴承钢材料；根据强度要求和复层的热膨胀系数选择相应的基层材料，即普碳钢、低/中合金高强度钢或不锈钢材料；
(2)离心浇注
A、将金属管模烘烤至200-300℃后喷涂涂料，喷涂厚度为1.0-3.0mm；
B、将喷涂涂料后的金属管模烘烤至200-350℃；
C、向步骤B所述的金属管模中离心浇注第一层复层或基层材料金属液，并冷却；
D、对浇注并凝固后的第一层金属进行传热数值模拟分析，根据温度分析结果浇注第二层基层或复层材料金属液；
E、将浇注完成后的复合管胚冷却至＜700℃时脱模并进行球化退火；
(3)纵轧
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至纵轧所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行纵轧，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
本发明新型轴承环材料的生产工艺，其中所述步骤(3)用热挤压方式替换，即
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至热挤压所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行热挤压，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
本发明新型轴承环材料的生产工艺，其中所述步骤(3)用热碾压方式替换，即
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至热碾压所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行热碾压，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
本发明新型轴承环材料的生产工艺，其中所述步骤(3)用锻造方式替换，即
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至锻造所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行锻造，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
本发明新型轴承环材料提供了一种双金属复合管材，由复层和基层构成，复层选用常规轴承钢材料，基层选用韧性、冲击韧性值相对较高、热膨胀系数与复层相近的普碳钢、低/中合金高强度钢或不锈钢，在保证正常轴承钢材料所需的性能要求下，极大的提高轴承材料所需的韧性和高冲击韧性值，以防止在大冲击荷载情况下，造成的轴承的冲击破坏，同时又克服了渗碳轴承钢由于渗碳层不均性带来的工作面表层抗剪切疲劳性低的问题。
下面结合附图对本发明的新型轴承环材料及其生产工艺作进一步说明。
附图说明
图1为本发明新型轴承环材料第一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明新型轴承环材料第二种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
(1)选材；
外层(基层)选用低合金高强度钢16MnV，内层(复层)选用轴承钢GCr15，共两层。
16MnV成分(质量含量)：C 0.14～0.2％，Si 0.3～0.6％，Mn 1.0～1.6％，P≤0.025％，S≤0.025％，V 0.05～0.15％，其他为Fe；熔点约1510℃，1783.15K。
GCr15成分(质量含量)：C 0.95～1.05％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.25～0.45％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr1.4～1.65％，其他为Fe；熔点约1450℃，1723.15K。
(2)离心浇注
A、将金属管模烘烤至250-260℃后喷涂涂料，喷涂厚度为2.0-2.1mm；
B、将喷涂涂料后的金属管模烘烤至260-290℃；
C、向B所述的金属管模中离心浇注16MnV金属液并冷却，浇注温度1587℃，浇注重量360Kg；
D、对浇注并凝固后的外层金属16MnV进行传热数值模拟分析，为了使内外层金属具有较好的结合厚度，待外层内表面温度降低至1400℃时，浇注内层GCr15金属液，浇注温度1504℃，浇注重量90Kg；
E、将上述浇注完成后的复合管材冷却至室温，此时内层与外层之间达到了充分的冶金结合，冶金熔合厚度1.0～1.5mm；
(3)热挤压
F、对步骤E所得铸态复合管材进行机加工，加工至挤压机所需尺寸，加工尺寸
Figure BDA0000024454870000041
G、对步骤F所得复合管材进行热挤压，挤压温度1195℃，挤压力22～25MPa，挤压比12.0，成品管尺寸，
Figure BDA0000024454870000042
由步骤G得到的新型轴承环材料的结构示意图如图1所示，内层复层1为工作层，外层基层2为支撑层。
实施例2
(1)选材；
外层(复层)选用轴承钢GCr15，内层(基层)选用中合金高强度钢30CrMnSi，共两层。
30CrMnSi成分(质量含量)：C 0.27～0.34％，Si 0.9～1.2％，Mn 0.8～1.1％，Cr 0.8～1.1％，P≤0.035％，S≤0.035％，其他为Fe；熔点约1480～1500℃，1753.15～1773.15K。
GCr15成分(质量含量)：C 0.95～1.05％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.25～0.45％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr1.4-1.65％，其他为Fe；熔点约1450℃，1723.15K。
(2)离心浇注
A、将金属管模烘烤至250-260℃后喷涂涂料，喷涂厚度为2.0-2.2mm；
B、将喷涂涂料后的金属管模烘烤至270-300℃；
C、向B所述的管模中离心浇注GCr15金属液并冷却，浇注温度1556℃，浇注重量270Kg；
D、对浇注并凝固后的外层金属GCr15进行传热数值模拟分析，为了使内外层金属具有较好的结合厚度，待外层内表面温度降低至1387℃时，浇注内层金属30CrMnSi，浇注温度1587℃，浇注重量858Kg；
E、将上述浇注完成后的复合管材冷却至室温，此时内层与外层之间达到了充分的冶金结合，冶金熔合厚度1.0～1.5mm；
(3)热挤压
F、对步骤E所得铸态复合管材进行机加工，加工至挤压所需尺寸，加工尺寸
G、对步骤F所得复合管材进行热挤压，挤压温度1200℃，挤压力22～25MPa，挤压比11.3，成品管尺寸，
Figure BDA0000024454870000052
由步骤G得到的新型轴承环材料的结构示意图如图2所示，外层复层1’为工作层，内层基层2’为支撑层。
实施例3
(1)选材；
外层(基层)选用低合金高强度钢16MnV，内层(复层)选用轴承钢GCr15，共两层。
16MnV成分(质量含量)：C 0.14～0.2％，Si 0.3～0.6％，Mn 1.0～1.6％，P≤0.025％，S≤0.025％，V 0.05～0.15％，其他为Fe；熔点约1510℃，1783.15K。
GCr15成分(质量含量)：C 0.95～1.05％，Si 0.15～0.35％，Mn 0.25～0.45％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cr1.4-1.65％，其他为Fe；熔点约1450℃，1723.15K。
(2)离心浇注
A、将金属管模烘烤至250-260℃后喷涂涂料，喷涂厚度为2.0-2.2mm；
B、将喷涂涂料后的金属管模烘烤至270-300℃；
C、向B所述的管模中离心浇注16MnV金属液并冷却，浇注温度1576℃，浇注重量372Kg；
D、对浇注并凝固后的外层金属16MnV进行传热数值模拟分析，为了使内外层金属具有较好的结合厚度，待外层内表面温度降低至1395℃时，浇注内层金属GCr15，浇注温度1555℃，浇注重量135Kg；
E、将上述浇注完成后的复合管材冷却至室温，此时内层与外层之间达到了充分的冶金结合，冶金熔合厚度1.0～1.5mm；
(3)连轧
F、对步骤E所得铸态复合管材进行机加工，加工至连轧所需尺寸，加工尺寸
Figure BDA0000024454870000061
G、对步骤F所得复合管材进行连轧，轧制温度1210℃，成品管尺寸
Figure BDA0000024454870000062
对实例1、2、3中步骤G所获得的管材取样按照常规轴承钢的热处理工艺制度进行热处理后的基层和复层性能见附表1。
表1新型轴承材料的性能
对上述3个实施例中步骤G得到的新型轴承环材料进行常规热处理，再通过常规的轴承环生产工艺即可制成轴承环。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型轴承环材料，其特征在于：由环形的复层和基层构成，所述复层和基层沿环形的径向冶金结合在一起，所述复层采用常规轴承钢材料，所述基层采用普碳钢、低/中合金高强度钢或不锈钢材料。
2.根据权利要求1所述的新型轴承环材料，其特征在于：所述复层为工作层，所述基层为支撑层。
3.根据权利要求2所述的新型轴承环材料，其特征在于：所述复层沿基层的径向设置在基层的外侧。
4.根据权利要求2所述的新型轴承环材料，其特征在于：所述复层沿基层的径向设置在基层的内侧。
5.根据权利要求1至4所述之一的新型轴承环材料，其特征在于：所述复层采用高碳铬轴承钢或不锈轴承钢材料。
6.一种如权利要求1所述新型轴承环材料的生产工艺，其特征在于：按照如下步骤进行：
(1)选材
根据使用条件选择复层材料，即常规轴承钢材料；根据强度要求和复层的热膨胀系数选择相应的基层材料，即普碳钢、低/中合金高强度钢或不锈钢材料；
(2)离心浇注
A、将金属管模烘烤至200-300℃后喷涂涂料，喷涂厚度为1.0-3.0mm；
B、将喷涂涂料后的金属管模烘烤至200-350℃；
C、向步骤B所述的金属管模中离心浇注第一层复层或基层材料金属液，并冷却；
D、对浇注并凝固后的第一层金属进行传热数值模拟分析，根据温度分析结果浇注第二层基层或复层材料金属液；
E、将浇注完成后的复合管胚冷却至＜700℃时脱模并进行球化退火；
(3)纵轧
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至纵轧所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行纵轧，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
7.根据权利要求6所述的新型轴承环材料生产工艺，其特征在于：所述步骤(3)用热挤压方式替换，即
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至热挤压所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行热挤压，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
8.根据权利要求6所述的新型轴承环材料生产工艺，其特征在于：所述步骤(3)用热碾压方式替换，即
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至热碾压所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行热碾压，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
9.根据权利要求8所述的新型轴承环材料生产工艺，其特征在于：所述步骤(3)用锻造方式替换，即
F、对步骤E所得铸态复合管坯进行机加工，加工至锻造所需尺寸；
G、对步骤F所得复合管材进行锻造，从而得到用于加工轴承环的复合管材。
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Co-applicant after: Tang Yong

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Applicant before: Xinxing Ductile Iron Pipes Co., Ltd.

Co-applicant before: Beijing Changxing Kaida Composite Material Technology Development Co., Ltd.

C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20101215