CN103192237A - 一种高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，包括步骤：（1）将9Cr18不锈钢或9Cr18Mo不锈钢原材料熔融至液态，浇铸时钢液流经倾斜冷板至收集坩埚内冷却生成半固态坯料；（2）将半固态坯料经触变锻造成形，得到所需高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件，所述触变锻造成形是在半固态温度区间进行模锻成形。根据本生产工艺得到的零件表面由高硬耐磨的细小枝晶组成，心部由韧性好的球状晶粒组成，零件整体从表面到心部组织性能呈功能梯度变化。本发明只包含了浇铸、模锻成形，无需增加其他工序即可使零件具有“功能梯度材料”特性，降低了生产成本。

Description

一种高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺
技术领域
本发明属于金属材料领域，是一种制备高强韧高耐磨不锈轴承零件的方法，具体涉及到半固态坯料的制备和触变锻造两种工艺。
背景技术
随着机械制造业，特别是汽车、航空、原子能等工业的迅速发展，对轴承性能的要求不断提高。根据轴类零件的使用条件，要求零件表面应具有高的耐磨性，而心部则应表现出良好的强韧性，体现出“功能梯度材料”的特性，传统的轴类零件成形工艺往往使二者不能兼顾，材料的潜力也得不到充分发挥。9Cr18/9Cr18Mo不锈钢是典型的高碳铬型不锈轴承钢，具有高硬高强耐腐蚀等诸多优点，但由于其碳铬含量较高，常会有大块共晶碳化物出现，组织均匀性差。
目前人们普遍采用热处理、激光、电子束、离子束等表面强化方法来强化轴类零件工作表面，能使其工作表面的耐磨性、耐蚀性抗接触疲劳性能都得到显著提高，从而使轴承的使用寿命得到增长。文献1（热处理技术与装备,2012,33(3):19）报道，将9Cr18不锈钢依次进行850℃升温处理、1000℃淬火工艺、160℃低温回火、-196℃冷处理以及传统热处理工艺改进后的300℃亚温回火处理，所得零件在确保了淬后回火硬度和一定的耐腐蚀性的前提下，使冲击韧性有了略微提高。但整个工艺流程耗时长，旨在提高材料整体综合力学性能，未能体现功能梯度材料的特性，且仍存在大量块状碳化物。文献2（材料科学与工艺,1999,7(3):26）报道，将热处理后的9Cr18不锈钢零件运用氮等离子体浸没离子注入表面改性工艺使零件表面形成超硬的氮化物强化相，从而提高了零件表面的显微硬度与耐磨性，同时使生产成本大大提高。文献3（Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2010,20(3):1033）报道，以市场上常见的100Cr6轴承钢棒材为原料进行1400℃~1425℃高温触变锻造得到了由细小球状晶粒组成的组织均匀且综合性能良好的齿轮，但由于原料选择为锻后回火态，产品未能体现出功能梯度的特性。
这些方法不是侧重于提高整体性能，就是耗时长、成本高，均无法得到组织均匀的、具有功能梯度材料特性的零件。半固态加工技术是一种新型的材料制备及加工技术，半固态触变成形技术是将控制凝固过程获得的非枝晶的半固态坯料冷却凝固后，按照所需要的尺寸下料，再重新加热到半固态温度，进而进行压铸、轧制或锻造等加工的成形方法。波浪形倾斜冷板法制备半固态坯料可有效地改善影响轴承使用寿命的碳化物不均匀分布状况；而在液-固两相区锻造变形，利用两相的不同塑性流变行为，可达到成形件表面和心部在状态、结构和性能的差异，以得到“功能梯度材料”的特性。
发明内容
本发明的目的是制造一种从表面到心部组织性能均有变化，具有功能梯度的高强韧高耐磨不锈轴承零件，并提出了该种零件的生产工艺。
本发明是一种高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于得到的零件表面由高硬耐磨的细小枝晶组成，心部由韧性好的球状晶粒组成，零件整体从表面到心部组织性能呈功能梯度变化。
为了得到上述功能梯度材料，本发明是通过以下技术方案实现的：
（1）将9Cr18不锈钢或9Cr18Mo不锈钢原材料熔融至液态，浇铸时钢液流经倾斜冷板至收集坩埚内冷却生成半固态坯料；
（2）将半固态坯料经触变锻造成形，得到所需高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件，所述触变锻造成形是在半固态温度区间进行模锻成形。
进一步的，所述步骤（1）中倾斜冷板为波浪形倾斜冷板，可拆分为主板、前支架、后支架三部分。主板由490mm×150mm×30mm的45号钢钢板制成，正面由7组完整的正弦波组成连续的波浪形，表面涂有高温自洁不粘覆涂料，支架前后各一个，其中后支架高度可调。
进一步的，所述步骤（1）中浇铸温度1600℃~1700℃。
进一步的，所述步骤（1）中倾斜板浇铸长度（浇铸时钢液流经主板的长度）300mm~400mm；倾斜板角度35°~60°；倾斜板预热温度25℃~200℃。
进一步的，所述步骤（1）中所得半固态坯料组织非枝晶，为大小分布均匀的球状晶粒或类球状晶粒。
进一步的，所述步骤（2）中模锻温度为1300℃~1400℃，该温度区间内9Cr18或9Cr18Mo不锈钢为固液共存态。
本发明的优点在于： 本发明轴承零件表面高硬耐磨、心部韧性好，可适用于轴类零件苛刻的使用条件，大大增加其使用寿命。另外，本发明只包含了浇铸、模锻成形，无需增加其他工序即可使零件具有“功能梯度材料”特性，降低了生产成本。
附图说明
附图1 是本发明半固态坯料制备以及触变锻造装置示意图；
附图2 是本发明半固态坯料典型金相组织；
附图3 是本发明触变锻造工艺示意图；
附图4 是本发明触变锻造后的金相组织；
其中；
1.保温炉；2.波浪型倾斜冷板主板；3.收集坩埚；4.可调支架；5.模具；6.固相；7.液相。
具体实施方式
    下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
本发明使用原材料选用符合国家标准的9Cr18或9Cr18Mo不锈轴承钢，实施例实测化学成分要求如表1所示。
半固态坯料制备装置由熔化设备、波浪形倾斜冷板以及收集坩埚组成，如图1所示（1.保温炉；2.波浪型倾斜板；3.收集坩埚；4.可调支架；5.模具；6.固相；7.液相）。坯料制备具体工艺如下：将表1所示成分的不锈轴承钢置于中频感应炉中加热至熔化，温度升高到1700℃时，通过调节手柄倾侧炉体使钢液匀速流经波浪形倾斜冷板，最终聚集于收集坩埚，冷却凝固。本发明的实施例坯料制备的相关参数如表2所示。本发明中半固态坯料的典型金相组织如图2所示。
冷却后的坯料拥有球状晶的半固态组织，将半固态坯料重新加热至固液共存温度（1300℃~1400℃）进行模锻，即可得到表面组织与心部组织呈梯度变化的高强韧高耐磨不锈轴承零件。具体锻造工艺如图3所示。
表1实施例实测化学成分（质量分数%）
成分 Fe Cr Si Ni Co Al P C
含量 80.7544 17.3385 0.5209 0.1617 0.1246 0.1038 0.0217 0.9688
表2实施例实坯料制备相关参数
Figure 718441DEST_PATH_IMAGE002
浇铸过程中，熔融金属流经波浪形倾斜冷板时一方面加快了冷却速度，增大了形核数量；另一方面金属液内部剪切应力的存在不利于枝晶的形成，二者综合作用下，生成拥有细小的球状晶的半固态组织。
对半固态坯料进行触变锻造成形，当半固态坯料重熔至固液共存温度区间时，浇铸时最后凝固的部分最先熔化成液相，此时坯料由近球形的固相和其间的液相构成。此时对半固态坯料进行模锻，固液两相将表现出不同的塑性流变行为：细小球状晶粒被挤压至心部，在高温下不断长大；液相则穿过固相间的空隙被挤压至边部，由于触碰到锻模表面温度急剧降低，生成细小枝晶包裹在零件表面。以上几组实施方式经触变锻造后均得到了从表面到心部呈阶梯状变化的金相组织如图4所示（左侧：边部少量球状晶粒+细小枝晶；右侧：心部球状晶粒）。
触变锻造所得不锈轴承零件心部组织为粗大的球状晶粒，韧性好、不易断裂；边部有细小枝晶组成，高硬高强、耐磨性好；心部到表面组织性能呈阶梯状变化且连续性好，即可达到高强韧。

Claims (7)

1.一种高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将9Cr18不锈钢或9Cr18Mo不锈钢原材料熔融至液态，浇铸时钢液流经倾斜冷板至收集坩埚内冷却生成半固态坯料；
（2）将半固态坯料经触变锻造成形，得到所需高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件，所述触变锻造成形是在半固态温度区间进行模锻成形。
2.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）中倾斜冷板为波浪形，所述波浪形倾斜冷板，可拆分为主板、前支架、后支架三部分；主板由490mm×150mm×30mm的45号钢钢板制成，正面由7组完整的正弦波组成连续的波浪形，表面涂有高温自洁不粘覆涂料，支架前后各一个，其中后支架高度可调。
3.根据权利要求1或2中所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，倾斜冷板浇铸长度300mm~400mm；倾斜板角度35°~60°，倾斜冷板的主板预热温度25℃~200℃。
4.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，浇铸温度1600℃~1700℃。
5.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，所得半固态坯料组织非枝晶，为大小分布均匀的球状晶粒或类球状晶粒。
6.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，模锻温度为1300℃~1400℃，该温度区间内9Cr18或9Cr18Mo不锈钢为固液共存态。
7.根据权利要求1所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺，其特征在于：所述的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件的生产工艺制备出的高强韧高耐磨不锈轴承钢轴承零件表面由高硬耐磨的细小枝晶组成，心部由韧性好的球状晶粒组成，零件整体从表面到心部组织性能呈功能梯度变化。
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