CN102758073A - 一种轴承的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴承的热处理方法，包括加热、保温、淬火、清洗、冷处理和回火六个步骤，其特征在于加热步骤前设置有碳化物细化处理步骤，碳化物细化处理步骤包括锻造和球化退火两个步骤，锻造步骤的始锻的温度为1050～1150℃，保温时间在70至90分钟，终锻成型的温度在800～900℃之间，然后在沸水中搅拌冷却至300～600℃，出水空冷至室温；球化退火步骤包括加热至790～810℃，该温度下保温150至210分钟，风冷至680～710℃并保温4～6小时，随炉冷却至650℃，出炉空冷。本发明淬火后的清洗步骤结束后2个小时内进行冷处理步骤，采用液氮作为冷却介质，冷却至-70℃～-80℃，在该温度下保温1.5～2个小时，自然回温至室温。本发明通过细化碳化物颗粒、提高硬度和控制金相组织中残余奥氏体含量来提高轴承的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴承的热处理方法，主要用于轴承套圈的热处理淬火、回火工艺。
背景技术
轴承失效的主要模式是疲劳和磨损，而原材料质量、碳化物网状组织、碳化物带状组织、脱碳等是轴承疲劳寿命的重要影响因素。
热处理质量对轴承的使用寿命有着重要甚至决定性的影响。高碳铬轴承钢GCr15淬火后得到马氏体组织，马氏体具有高硬度、高耐磨性、高强度、一定的韧性等特点。但是热处理后组织中除了马氏体，还有残留碳化物、残余奥氏体，有效壁厚比较大的还允许存在一定级别的屈氏体组织。机械行业标准JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢热处理技术条件》和国家标准GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》对成品轴承的硬度、金相组织、碳化物带状组织、碳化物网状组织、脱碳等都有规定。但是对碳化物（颗粒大小、形状）、残余奥氏体含量没有明确规定。
实践经验和大量资料显示，随着热处理温度的升高，马氏体针粗大，残余奥氏体含量升高，硬度升高。但是残余奥氏体达到一定含量后，硬度又逐渐的下降。也就是说，残余奥氏体含量和硬度之间的关系曲线基本呈抛物线形状。奥氏体在室温下是不稳定组织，在外界载荷、温度变化、自然存放等条件下都能发生奥氏体的分解和转变，这是轴承尺寸稳定性得不到保证的根源，为了提高轴承的使用精度和尺寸稳定性，国内大部分轴承制造企业多以尽可能的降低残余奥氏体含量为目标。奥氏体的特点是：硬度低、耐磨性差、塑性好、韧性佳，对轴承的抗疲劳性能有利有弊。另外，残余奥氏体可以降低轴承缺陷部位的应力集中以及吸收部分裂纹扩展功进而阻止裂纹的快速扩展，延长了轴承寿命。因此，热处理过程产生的残余奥氏体的作用不容小觑。硬度是轴承热处理质量的重要质量指标之一。对于刀具、冷成型磨具和粘着磨损或磨粒磨损失效的零件，其磨损抗力和硬度呈正比关系，硬度是决定耐磨性的主要性能指标。承受接触疲劳载荷的轴承，在一定范围内，提高硬度对减轻麻点剥落是有效的。有研究称，随着硬度的提高，轴承的脆性随之增大，疲劳性能下降，在轴承加工过程中不宜选择很高的硬度值。
如何通过对锻造和球化退火质量的控制达到碳化物（形状和大小）细化；如何通过热处理工艺的改进，来提高硬度和控制残余奥氏体的含量，对于提高轴承的使用寿命具有重要意义。
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，而提供一种轴承的热处理方法，通过细化碳化物颗粒、提高硬度和控制金相组织中残余奥氏体含量来提高轴承的使用寿命。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种轴承的热处理方法，包括加热、保温、淬火、清洗、冷处理和回火六个步骤，其特征在于加热步骤前设置有碳化物细化处理步骤，碳化物细化处理步骤包括锻造和球化退火两个步骤，锻造步骤的始锻的温度为1050~1150℃，保温时间在70至90分钟，终锻成型的温度在800~900℃之间，然后在沸水中搅拌冷却至300~600℃，出水空冷至室温；球化退火步骤包括加热至790~810℃，该温度下保温150至210分钟，风冷至680~710℃并保温4~6小时，随炉冷却至650℃，出炉空冷。
本发明所述的清洗步骤结束后的2个小时内进行冷处理步骤，冷处理步骤在冷冻箱内进行，采用液氮作为冷却介质，冷却至-70℃～-80℃，在该温度下保温1.5～2个小时，然后自然回温至室温。
本发明所述淬火步骤采用马氏体淬火，热处理设备为辊底式周期淬火生产线，淬火介质为硝盐，硝盐中的硝酸钾：亚硝酸钠=1：1，硝盐介质温度为165℃～175℃，淬火过程在硝盐介质中冷却8～15分钟。
本发明所述清洗步骤包括热清洗和冷清洗，在设备淬火槽后有两个清洗槽，第一个清洗槽为热清洗槽，热清洗水温为70℃～90℃，采用喷淋式结构完成热清洗，第二个清洗槽为冷清洗槽，冷清洗水温为6℃～12℃。
本发明回火步骤采用辊底式周期淬火生产线，加热过程分为预热、升温、保温三个阶段，预热时间8~15分钟，升温区温度为845℃，保温区温度为850℃，总加热时间为98~100分钟。
本发明所述的轴承材料采用GCr16高碳铬轴承钢。
本发明具有以下优点和效果：通过细化碳化物颗粒、提高硬度和控制金相组织中残余奥氏体含量来提高轴承的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例碳化物细化处理中的锻造工艺流程示意图。
图2是本发明实施例碳化物细化处理中的球化退火工艺流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例的目的是要通过热处理工艺的改进，细化碳化物颗粒、提高硬度和控制金相组织中残余奥氏体含量来进一步提高轴承疲劳寿命，使轴承的疲劳寿命能提高到额定寿命的3倍。
本发明实施例热处理方法包括依次进行的加热、保温、淬火、清洗、冷处理和回火六个步骤，其特征在于加热步骤前设置有碳化物细化处理步骤，碳化物细化处理步骤包括锻造和球化退火两个步骤，锻造步骤的始锻的温度为1050~1150℃，保温时间在70至90分钟，终锻成型的温度在800~900℃之间，然后在沸水中搅拌冷却至300~600℃，出水空冷至室温；球化退火步骤包括加热至790~810℃，该温度下保温150至210分钟，风冷（用风扇快速冷却，风冷时间本实施例在40~60分钟）至680~710℃并保温4~6小时，随炉冷却至650℃，出炉空冷自然冷却。参见图1、图2。
本发明实施例的清洗步骤结束后的2个小时时间内（开始）进行冷处理步骤。冷处理步骤在冷冻箱内进行，采用液氮作为冷却介质，冷却至-70℃～-80℃，在该温度下保温1.5～2个小时，然后自然回温至室温。
本发明实施例所述淬火步骤采用马氏体淬火，热处理设备为辊底式周期淬火生产线，淬火介质为硝盐（硝酸钾：亚硝酸钠=1：1），硝盐介质温度为165℃～175℃，淬火过程在硝盐介质中冷却8～15分钟（按设备设定的淬火周期）。
本发明实施例所述清洗步骤包括热清洗和冷清洗，在设备淬火槽后有两个清洗槽，第一个清洗槽为热清洗槽，安装有加热电阻丝和控温装置，热清洗水温为70℃～90℃，采用喷淋式结构完成热清洗。第二个清洗槽为冷清洗槽，冷清洗槽安装有循环管道，经设备外部的冷却装置冷却后循环到冷清洗槽，水温为6℃～12℃。
本发明实施例回火步骤采用辊底式周期淬火生产线，回火温度为165℃～170℃，回火时间为4～6小时。加热过程分为预热、升温、保温三个阶段。设备的加热区分为预热区、升温区和保温区，预热区温度为设备正常运行过程中自然升高的温度，该温度一般较低，远低于材料的相变点温度，因该温度对内部组织没影响没有温度监控，预热时间8~15分钟。升温区为845℃，保温区为850℃，总加热时间为98~100分钟。
本发明实施例的轴承套圈材料采用高碳铬轴承钢GCr16，其化学成分见表一，非金属夹杂物见表二。
表一：GCr16化学成分（单位：重量百分比，其余为铁）
表二：非金属夹杂物
通过热处理工艺的改进，提高了成品轴承的硬度，按照机械行业标准JB/T1255-2001，金相组织评定为4～5级，成品轴承硬度达到64.0HRC左右，和国内有些研究的结果相反。有研究认为高的金相组织会增加轴承内部产生显微裂纹的可能性，会降低冲击性能和疲劳强度从而降低轴承使用寿命。碳化物硬度高且脆，金相组织中大颗粒的碳化物会导致材料出现应力集中。轴承服役条件下，当局部应力超过材料本身强度将会出现疲劳剥落和产生微裂纹等缺陷，致使轴承疲劳寿命降低而出现早期失效。而细小弥散分布的碳化物颗粒，不但能提高材料的耐磨性能，还可以降低材料的应力集中效应和开裂倾向从而提高冲击韧性。另外，奥氏体组织向马氏体组织转变的一个特性就是不完全转变，经淬回火后的轴承零件金相组织中存在一定含量的残余奥氏体。正常淬回火后，一般残余奥氏体含量比较高，达到8%～15%左右，甚至更高。奥氏体硬度低，韧性好，但在室温下是不稳定组织，正常使用条件下残余奥氏体会发生向马氏体转变或其他转变。由于奥氏体的比容最低，转变为其他组织后将发生体积变化，使轴承零件的尺寸发生改变从而影响使用精度降低使用寿命。但是，残余奥氏体的存在可以减缓材料中的应力集中和吸收一部分裂纹扩展功以及提高材料的冲击韧性。马氏体转变结束点低于室温，要想使一部分奥氏体继续转变为马氏体，须进一步降低冷却介质的温度使之达到室温下某一温度。马氏体数量的增多和残余奥氏体的减少，既提高了轴承零件的硬度，也提高了轴承零件的尺寸稳定性，且对冲击韧性等其他性能无明显影响。本发明经过多次的试验验证，通过增加对碳化物的细化和增加冷处理工艺，在提高硬度的同时，增加了韧性和疲劳强度，减小了开裂倾向。对热处理工艺过程加以严格控制，有效的避免了淬火（显微）裂纹出现，不但不会降低轴承的疲劳寿命，反之会提高轴承的疲劳强度进而提高轴承的实际使用寿命。
热处理工序之前增加碳化物细化处理工艺是本发明的一个特点。有研究表明，细小颗粒状（球状或椭球状）均匀分布的碳化物对提高轴承的力学性能有很大好处。碳化物的细化可以提高轴承的耐磨性、冲击韧性、抗疲劳性能和降低开裂倾向等。经过碳化物细化处理，还可以加宽热处理温度的选择范围，减小组织过热倾向。碳化物细化的对比效果见表三：
表三：碳化物细化效果
碳化物细化工艺：
从工艺的角度上主要是在锻造和球化退火过程进行控制。在锻造质量控制上，为了使成分更加均匀化，适当提高了始锻的温度和适当延长了保温时间。终锻成型后温度在800-900℃左右，此时将套圈迅速浸入到沸水中冷却至300~600℃（低于临界温度且一定要高于300℃，防止开裂）出水空冷到室温。这样既避免了碳化物沿晶界析出形成网状碳化物，也使得片状珠光体的片层间距减小而细化了组织，同时也使碳化物颗粒得到细化。通过热处理炉温精度及炉温均匀性的严密监控，成功的保证了退火组织的均匀性和控制了球化组织级别，按照JB/T1255-2001《高碳铬轴承钢热处理技术条件》控制在2-3级，防止了碳化物的聚集和长大。
对金相组织中残余奥氏体的控制——增加了冷处理工艺是本发明的又一个特点。在污染环境中使用的轴承主要是以在工作表面起源的疲劳剥落而最终失效。其失效机理是，在污染的润滑介质中，硬质粒子和各种金属的碎屑由于受到滚动体的挤压，在旋转的轴承滚道上产生一定尺寸的凹坑，凹坑边缘有应力集中效应而使得该处的接触应力非常大，因而加速了疲劳裂纹的扩展和表面剥落。残余奥氏体具有硬度低、塑性好的特点，但残余奥氏体在室温下是不稳定组织，在外界条件和自然时效时都可能发生转变和分解，奥氏体是金相组织中比容最小的组织，它的转变和分解将影响轴承尺寸精度和尺寸稳定性。轴承属于高精度的零件，因此残余奥氏体的含量不能太高。经过大量的实践研究，我们认为残余奥氏体含量在5%左右时，对轴承的疲劳寿命最有利。
本发明通过热处理工艺的改进提高了轴承的硬度，很大程度上提高了轴承的耐磨性。通过对锻造冷却方式和球化退火质量的控制达到了碳化物细化的目的，不但提高了轴承的耐磨性，还提高了轴承的抗冲击性能和抗疲劳性能。通过冷处理的方式控制了金相组织中残余奥氏体的含量，不但保证了轴承的尺寸精度，还有效的延缓了裂纹的扩展速度，提高了轴承的抗疲劳性，从而提高了轴承的疲劳寿命，使轴承的实际使用寿命达到额定寿命的3倍。
Claims (6)
1.一种轴承的热处理方法，包括加热、保温、淬火、清洗、冷处理和回火六个步骤，其特征在于：加热步骤前设置有碳化物细化处理步骤，碳化物细化处理步骤包括锻造和球化退火两个步骤，锻造步骤的始锻的温度为1050~1150℃，保温时间在70至90分钟，终锻成型的温度在800~900℃之间，然后在沸水中搅拌冷却至300~600℃，出水空冷至室温；球化退火步骤包括加热至790~810℃，该温度下保温150至210分钟，风冷至680~710℃并保温4~6小时，随炉冷却至650℃，出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的轴承的热处理方法，其特征在于：所述的清洗步骤结束后的2个小时内进行冷处理步骤，冷处理步骤在冷冻箱内进行，采用液氮作为冷却介质，冷却至-70℃～-80℃，在该温度下保温1.5～2个小时，然后自然回温至室温。
3.根据权利要求1所述的轴承的热处理方法，其特征在于：所述淬火步骤采用马氏体淬火，热处理设备为辊底式周期淬火生产线，淬火介质为硝盐，硝盐中的硝酸钾：亚硝酸钠=1：1，硝盐介质温度为165℃～175℃，淬火过程在硝盐介质中冷却8～15分钟。
4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的轴承的热处理方法，其特征在于：所述清洗步骤包括热清洗和冷清洗，在设备淬火槽后有两个清洗槽，第一个清洗槽为热清洗槽，热清洗水温为70℃～90℃，采用喷淋式结构完成热清洗，第二个清洗槽为冷清洗槽，冷清洗水温为6℃～12℃。
5.根据权利要求1～3任一权利要求所述的轴承的热处理方法，其特征在于：所述回火步骤采用辊底式周期淬火生产线，加热过程分为预热、升温、保温三个阶段，预热时间8~15分钟，升温区温度为845℃，保温区温度为850℃，总加热时间为98~100分钟。
6.根据权利要求1～3任一权利要求所述的轴承的热处理方法，其特征在于：所述的轴承材料采用GCr16高碳铬轴承钢。
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