CN102756070B - 一种轴承套圈锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴承套圈锻造方法，其特征是包括以下步骤：加热，升温，保温，锻造，快速冷却，自然冷却，所述加热步骤将轴承套圈坯料从常温状态加热至900℃，所述升温步骤将轴承套圈坯料从900℃升温至1150℃，所述保温步骤将轴承套圈坯料在1150℃下保温0.5～1小时，所述锻造步骤锻造后的轴承套圈温度在930℃～980℃，所述快速冷却步骤将锻造后的轴承套圈浸入冷却介质中快速冷却至700℃。本发明所述保温时间是45分钟。本发明所述冷却介质为水，快速冷却时间在7～18秒之间。本发明所述加热时间为4～7秒，升温时间2～3分钟，锻造时间为4～7秒。本发明能获得碳化物球状、细小而均匀分布的淬火组织，使碳化物颗粒尺寸最大值≤5μm，达到非晶夹杂物引发裂纹的临界值以下，提高轴承接触疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承套圈锻造方法，主要用于高碳铬轴承套圈的锻造工艺。
背景技术
轴承的主要零件有内外套圈、滚动体和保持架组成，内外套圈的质量在很大程度上决定着使用寿命。现在国内使用的大部分轴承的内外套圈，都用高碳铬轴承钢材料经锻造等加工而成，其使用寿命与国外同类产品相比差距甚大。根据国内外同行的生产经验和研究结果表明：影响轴承钢质量的主要因素有夹杂物、碳化物和球化组织等，这些因素最终都会影响轴承的疲劳寿命。而轴承钢夹杂物含量及特征主要取决于钢材的冶炼工艺，在轴承制造的锻造及后序工艺过程中很难加以改变。因此，本发明着重研究碳化物和球化组织等对轴承疲劳寿命的影响。很多研究资料表明：碳化物液析、碳化物带状、碳化物网状对轴承疲劳寿命的影响很大。
碳化物液析：钢液在结晶过程中，由于冷却速度过慢，造成碳成分的严重偏析。在枝晶间形成粗大的一次碳化物，这种一次碳化物很难消除。在钢材中沿轧制方向呈条状或块状分布其危害性与非金属夹杂物一样，因此，在钢材的技术标准中有严格的限制。
碳化物带状：其形成原因与碳化物液析一样。在锻造、轧制过程中被破碎的粗大一次碳化物呈小块而集聚，并沿轧制方向形成条带状分布。碳化物带状严重会影响零件的热处理质量，造成零件硬度不均匀，组织不均匀。以致造成零件热处理质量不合格。碳化物带状和碳化物液析严重时，会使轴承零件早期疲劳损坏。有资料介绍当碳化物带状达到3～4级时轴承的接触疲劳寿命降低30%左右。
碳化物网状：钢材在锻造、轧制冷却过程中，奥氏体对碳的溶解度随温度下降而下降。如在800~900℃之间冷却速度过慢，则碳从奥氏体中析出并扩散至晶界，在晶界间形成二次碳化物，呈网络状存在，故称碳化物网状。碳化物是硬而脆的相，细小、均匀、球状的碳化物有弥散强化作用，提高钢的性能。但碳化物网状分布使晶粒之间的连续性遭到破坏，严重地降低了钢的冲击韧性。因此，使轴承零件寿命降低。
现有技术对轴承零件锻造加工的首要目的描述是将棒料或料段通过锻压加工获得零件毛坯。同时消除内在缺陷，改善组织，以提高轴承的使用寿命。而在《实用轴承技术手册》的锻造工艺技术条件中对锻件的内部缺陷要求只提到：脱碳、过热、过烧和网状碳化物，没有提及碳化物颗粒大小及分布的问题。《滚动轴承材料及热处理标准应用手册》中，高碳铬轴承钢滚动轴承热处理技术条件（JB／T 1255-2001）也没有对碳化物颗粒大小及分布作出要求。而随着钢材冶炼质量的提高，钢中夹杂物的数量及尺寸大大减少，对轴承接触疲劳失效的影响从主要矛盾变为次要矛盾，而碳化物尺寸却成了延长轴承使用寿命的限制性环节。轴承制造行业虽然对轴承主要组件的碳化物和球化组织提出了要求，但现有要求不严，按现在通用的套圈锻造工艺制作的轴承能满足高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件（JB／T 1255-2001）的要求，但碳化物颗粒（没有作出量化要求）相对比较粗大，分布（没有作出量化要求）不均匀，这严重阻碍了轴承使用寿命的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种轴承套圈锻造方法，有效地抑制了液析碳化物、带状碳化物、网状碳化物对轴承疲劳损坏的危害，提高轴承套圈的使用寿命。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种轴承套圈锻造方法，其特征是包括以下步骤：加热，升温，保温，锻造，快速冷却，自然冷却，所述加热步骤将轴承套圈坯料从常温状态加热至900℃，所述升温步骤将轴承套圈坯料从900℃升温至1150℃，所述保温步骤将轴承套圈坯料在1150℃下保温0.5～1小时，所述锻造步骤锻造后的轴承套圈温度在930℃～980℃，所述快速冷却步骤将锻造后的轴承套圈浸入冷却介质中冷却至700℃。
本发明所述的保温时间是45分钟。
本发明所述快速冷却步骤中的冷却介质为水，快速冷却时间在7～18秒之间。
本发明所述加热时间为4～7秒，所述升温时间2～3分钟，所述锻造时间为4～7秒。
本发明所述自然冷却步骤为快速冷却后的轴承套圈在空气中缓慢冷却。
本发明所述的轴承套圈材料采用GCr16高碳铬轴承钢。
本发明具有以下优点和效果：能获得碳化物球状、细小而均匀分布的淬火组织，使碳化物颗粒尺寸最大值≤5μm，达到非晶夹杂物引发裂纹的临界值以下，从而提高轴承的接触疲劳寿命。
具体实施方式
一般认为接触疲劳破坏是影响轴承使用寿命的主要因素之一。金属均匀性和连续性的局部破坏，如非金属夹杂物、大颗粒碳化物、气泡等会引起应力场的局部畸变，应力增大，导致金属表面或表面以下产生微裂纹，最终致使轴承破坏。因此，轴承钢中非金属夹杂物和碳化物的均匀性是影响轴承使用寿命的重要因素。因此，提高轴承使用寿命的关键之一，就是改善碳化物的不均匀程度。
有研究资料表明：对于低中强度钢，试样在107次疲劳测试循环后不会发生失效，当加载的应力幅度低于传统的高强度钢的疲劳强度时，在循环次数大于107时，会发生疲劳失效。对于高强度钢，疲劳裂纹主要是在较大的非晶夹杂物处产生的，这是由基体和夹杂物在冷却和应力集中时不同的热收缩系数所引起的。专家认为当非晶夹杂物的尺寸小于（临界值）5μm的时候，裂纹不会从非晶夹杂物处产生。有人用商业用50CrV4钢和纯净的50CrV4钢，54SiCrV6钢，54SiCr6钢进行实验，实验结果表明，当应力幅度较高时，疲劳断裂主要是在表面基体处产生，随着应力幅度的减少，裂纹源从表面转移到内部。对于商业用50CrV4钢，裂纹源处的夹杂物尺寸为29μm，而对于纯净54SiCrV6和50CrV4钢来说，存在一个过渡应力，当应力大于这个过渡值时，裂纹源产生于表面，而低于这个过渡值时，裂纹源产生于试样的内部。裂纹源的平均尺寸为3.0μm和2.4μm。当夹杂物的尺寸小于1μm时，试样在106－109次循环载荷下不容易发生断裂，而商业用50CrV4钢很容易发生断裂。并且同样成分的纯净钢的应力值要比商业用的钢的应力值大100Mpa。通过观察显微组织发现，对于商业用钢，裂纹主要产生于包含Al，Ca和Si的大的球状氧化型夹杂物，而在纯净钢中，更多的疲劳裂纹产生于小的夹杂物团。通过FESEM观测和EPMA分析成分发现，54SiCrV6钢的裂纹源主要是VC的夹杂物团，50CrV4钢的裂纹源主要是C和V的（V碳化物）富集区，54SiCr6钢的裂纹源主要是C的富集区，但是裂纹源周围的Cr(Cr碳化物)含量也要高于基体。由此可见，纯净钢的疲劳强度的限制性因素由商业用钢中的夹杂物转化为纯净钢中的碳化物上。其中主要原因是纯净钢中的夹杂物尺寸已大大减小。因此对于同样成分的商业用钢和纯净钢，由于夹杂物尺寸的减少，纯净钢的疲劳强度大大增加，如果能对于纯净钢的碳化物的不均匀程度加以改善，就能使其疲劳寿命得到更大的提高。
本发明实施例分析研究了影响轴承使用寿命各种影响因素，其中接触疲劳失效是各类轴承最常见失效模式之一。而影响轴承接触疲劳失效主要因素有夹杂物、碳化物和球化组织等。随着钢材冶炼工艺水平的提高和真空脱气技术广泛应用，钢中夹杂物含量和尺寸大大下降，其对轴承接触疲劳失效的影响也随之减弱，而碳化物和球化组织的影响也随之凸显。本发明就是要通过对现有套圈锻造工艺的改进，来改善碳化物的均匀性（碳化物平均面积含量），细化碳化物颗粒（碳化物颗粒最大值，各尺寸段占比），从而提高轴承的使用寿命，使轴承的使用寿命提高到原来的3倍以上。
本发明实施例包括以下步骤：加热，升温，保温，锻造，快速冷却，自然冷却。所述加热步骤将轴承套圈坯料从常温状态加热至900℃，所述升温步骤将轴承套圈坯料从900℃升温至1150℃，所述保温步骤将轴承套圈坯料在1150℃下保温0.5～1小时，所述锻造步骤采用现有技术方法完成，锻造后的轴承套圈温度在930℃～980℃，所述快速冷却步骤将锻造后的轴承套圈浸入冷却介质中快速冷却至700℃，然后自然冷却至常温。
本发明实施例所述加热步骤将轴承套圈坯料在4～7秒内从常温状态加热至900℃，所述升温步骤将轴承套圈坯料在2～3分钟内从900℃升温至1150℃，锻造时间为4～7秒。
本发明所述快速冷却步骤中的冷却介质为水，快速冷却时间在7～18秒之间。
本发明所述加热时间、升温时间、锻造时间、快速冷却时间均以达到目标温度为准，即只要温度达到设定温度，该步骤即完成。
本发明实施例的重要特点之一就是：在1150℃时保温0.5～1小时。由于铬共晶碳化物的熔点在1150℃左右，在这一温度下碳化物元素扩散速度大大加快，液析碳化物、带状碳化物、网状碳化物能迅速消除。这使钢中原始组织的碳化物在锻造前得以彻底改善。
本发明实施例的又一重要特点就是锻后迅速冷却工艺，在轴承套圈锻造成型后，温度约在950℃左右，迅速将轴承套圈浸入冷却介质中快速冷却至700℃左右，然后在空气中缓慢冷却至常温。这一工艺预防了锻造中晶体二次轴之间富碳富铬沿着锻制方向被迫延伸而形成带状碳化物，并极大地抑制了锻后至珠光体转变前网状碳化物的析出。同时也预防了锻件裂纹的产生。
本发明所述自然冷却步骤为快速冷却后的轴承套圈在空气中缓慢冷却，是为了防止轴承套圈冷却过程中因热应力和组织应力过大而产生裂纹，从而抑制了碳化物的扩散聚集成二次网状碳化物，大大降低了网状碳化物对轴承疲劳损坏的危害。
本发明实施例能获得碳化物球状、细小而均匀分布的淬火组织，使碳化物颗粒尺寸最大值≤5μm（具体尺寸分布见表一），达到非晶夹杂物引发裂纹的临界值以下。由表可知，本发明使碳化物颗粒尺寸及分布接近SKF的水平（优于日本粉末冶金440C钢的水平）。从而使轴承的接触疲劳寿命达到原来的3倍以上。
表一：各企业不同锻造工艺后的材料特性比较
为了获得碳化物球状、细小而均匀分布的淬火组织，本发明采用由本公司专门研发的高碳铬轴承钢GCr16。其化学成分见表二，夹杂物等级见表三。为验证本发明的实际效果，我们用普通GCr15轴承钢（其化学成分见表四，夹杂物等级见表五）进行对比试验，其结果见表六。
表二：GCr16化学成分（单位：重量百分比，其余为铁）
表三：GCr16非金属夹杂物级别
表四：GCr15化学成分（单位：重量百分比，其余为铁）
表五：GCr15非金属夹杂物级别
本发明实施例通过球化退火、淬火、回火后得到碳化物球状、细小而均匀分布的淬火组织，使碳化物颗粒尺寸最大值≤5μm的临界值。从而，大大降低了轴承套圈在使用过程中应力场的局部畸变，应力增大，导致金属表面或表面以下产生微裂纹的几率，使轴承套圈的接触疲劳寿命达到原来的3倍，具体见表六。
表六: 用本实施例生产的轴承套圈（钢种GCr16）与原有技术的轴承套圈（钢种GCr15）的接触疲劳寿命比较
凡是本发明实施例技术方案和技术特征的简单变形或组合，均应认为落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种轴承套圈锻造方法，其特征在于包括以下步骤：加热，升温，保温，锻造，快速冷却，自然冷却，所述加热步骤将轴承套圈坯料从常温状态加热至900℃，所述升温步骤将轴承套圈坯料从900℃升温至1150℃，所述保温步骤将轴承套圈坯料在1150℃下保温0.5～1小时，所述锻造步骤锻造后的轴承套圈温度在930℃～980℃，所述快速冷却步骤将锻造后的轴承套圈浸入冷却介质中冷却至700℃，所述的轴承套圈材料采用GCr16高碳铬轴承钢，所述加热时间为4～7秒，所述升温时间为2～3分钟，所述锻造时间为4～7秒，所述快速冷却步骤中的冷却介质为水，快速冷却时间在7～18秒之间。
2.根据权利要求1所述的轴承套圈锻造方法，其特征在于：所述的保温时间是45分钟。
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