CN103540726A - 一种超高碳型轴承钢的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高碳型轴承钢的热处理方法：将轴承钢部分奥氏体化，并保留一定量的残余碳化物，在下贝氏体区进行等温形成一定量的超级贝氏体，油淬或水冷获得部分马氏体，经该方法热处理后超高碳型轴承钢的组织为超级贝氏体+马氏体+剩余碳化物+残余奥氏体，该方法使得超高碳型轴承钢具有更长的接触疲劳寿命和更高的冲击韧性。
Description
技术领域
本发明属于钢的热处理工艺技术领域，特别涉及高碳钢及轴承钢。
背景技术
轴承的内在质量在所有影响疲劳寿命的因素中占主导地位，而轴承的内在质量主要是指轴承钢中的夹杂物（如氧化物、氮化物），因此提高轴承寿命的主要措施就是降低钢中的氧含量。依据目前的炼钢技术，世界上的轴承钢大公司如日本山阳、瑞典SKF等都可以做到将轴承钢中的氧含量降低至10ppm，而我国的兴澄特钢甚至低于5ppm。在现有技术下，已经很难通过降低氧含量来提高轴承寿命，所以发达国家转向了通过控制夹杂物的尺寸和形态来提高轴承的寿命。另一方面，有学者通过采用表面处理工艺来提高轴承钢的性能以及探索新的材料（如陶瓷材料）来替代部分应用场合的轴承钢【R.Nathan Katz,《International Journal of High TechnologyCeramics》,1985,volume1,issue1,P69-79】。高碳铬轴承钢自从1905年问世以来，其经典的基本成分一直未曾改变。日本NTN公司在经典成分基础上提高了Si的含量【Hirokazu NAKASHIMA,《NTNTECHNICAL REVIEW》,2008,No.76,P10-17】，从而提高了轴承钢的抗回火软化的能力，其疲劳寿命也提高了一倍。
超高碳型轴承钢的碳含量为1.01-2.1wt.%，具有比传统高碳铬轴承钢更高的基体强度、硬度和抗回火软化能力。提高轴承钢的基体强度和硬度是延长轴承钢滚动接触疲劳寿命的方法之一。延长轴承使用寿命，提高轴承钢抗高冲击能力是科学工作者的追求的目标，也是现代设备的要求。目前高速列车、大型风力发电设备以及精密加工等领域所使用的轴承材料一直被国外商家垄断，其原因就是国产轴承的寿命与进口轴承相比，还有很多差距。开发新型轴承钢材料是打破垄断的另一种途径。超高碳型轴承钢具有更高的承载能力，是一种有广阔应用前景的新型轴承材料。但根据常规淬回火热处理方法处理后的超高碳钢冲击韧性较低。因此，开发适合超高碳型轴承钢的新型热处理工艺，使其同时具备超长的使用寿命和较高的冲击韧性势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高碳型轴承钢的热处理方法，经该热处理方法处理后的超高碳型轴承钢的滚动接触疲劳寿命更长，并且拥有更高的冲击韧性。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
将球化后的超高碳型轴承钢部分奥氏体化；然后，在下贝氏体区进行等温形成部分超级贝氏体，等温后油淬或水冷获得部分马氏体。
所述奥氏体化温度为860-950℃。
所述奥氏体化的加热时间按所述超高碳型轴承钢的有效厚度以加热系数1.0-2.0min/mm确定。
所述等温温度为150-350℃，等温时间为5-45min。
若超级贝氏体体积分数<30%，则在油淬或水冷后进行150-200℃回火1-3h。
所述超高碳型轴承钢的成分按重量百分比计为：C:1.10-1.50%，Cr:1.00-2.00%，Mn:0.25-1.00%，Si:0.20-1.50%，Al:1.0-2.0%，余量为Fe。
经所述热处理方法处理后的超高碳型轴承钢的组织为：马氏体+超级贝氏体+残余奥氏体+剩余碳化物，其中超级贝氏体的体积分数为5-80%。
本发明所述热处理方法中，超高碳型轴承钢经部分奥氏体化后，有大量的C溶于奥氏体中，在等温过程中，由于Si和Al的存在抑制了碳化物从奥氏体中析出来，从而使得富碳奥氏体在室温下能稳定存在，形成了细条状贝氏体铁素体+富碳奥氏体薄膜的超级贝氏体组织。然后油淬或水淬，使得未转变奥氏体再转变成马氏体。另外，由于是部分奥氏体化，所以还有大量抵抗摩擦磨损的碳化物存在。这种复相组织不仅满足了轴承钢的硬度使用要求，而且超级贝氏体的存在还提高了冲击韧性。
本发明的优点是：
1）本发明所述热处理方法使得超高碳型轴承钢在不降低硬度的条件下，冲击韧性得到了很大提高。
2）同时，超高碳型轴承钢经热处理后其接触疲劳寿命要明显高于淬回火态GCr15轴承钢和超高碳型轴承钢。
附图说明
图1为超高碳型轴承钢（有效厚度为10mm）在不同奥氏体化温度加热15min、270℃等温温度等温30min后油淬的组织照片；其中，(a)860℃，(b)880℃，(c)900℃，(d)920℃；
图2为超高碳型轴承钢在880℃加热15min、经不同等温温度等温30min后油淬的组织照片；其中，(a)230℃，(b)250℃，(c)270℃，(d)290℃，(e)310℃；
图3为超高碳型轴承钢在880℃加热15min、270℃等温不同时间后油淬的组织照片；其中(a)15min，(b)30min，(c)45min；
图4为超高碳型轴承钢经880℃加热15min、270℃等温30min后油淬的SEM(a)和TEM照片(b)；
图5为超高碳型轴承钢1.26C在本发明所述热处理下与超高碳型轴承钢1.29C和GCr15轴承钢在淬回火工艺下的滚动接触疲劳寿命威布尔分布对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
实施例：一种超高碳型轴承钢，按照重量百分比（wt.%），其化学组成为C:1.10-1.50，Cr:1.00-2.00，Mn:0.25-1.00，Si:0.20-1.50，Al:1.0-2.0%，剩余为Fe；首先对此超高碳型轴承钢按照高碳铬轴承钢标准进行锻造、球化处理，为进一步热处理做组织上的准备。
将球化后的超高碳型轴承钢部分奥氏体化，并保留一定量的残余碳化物；然后，在下贝氏体区（Bs-Ms）进行等温形成一定量的超级贝氏体，等温后油淬或水冷获得部分马氏体。所述奥氏体化温度为860-950℃。所述奥氏体化的加热时间按工件的有效厚度依照加热系数为1.0-2.0min/mm确定。所述等温温度为150-350℃，等温时间为5-45min。当超级贝氏体体积分数<30%时，由于马氏体量较大，增加了脆性，可进行150-200℃回火1-3h。
超高碳型轴承钢的奥氏体化温度范围为860-950℃，表1为超高碳型轴承钢在不同奥氏体化温度、相同等温温度和时间下的硬度及冲击韧性值；图1为相应的金相组织。从表1中可以看出，超高碳型轴承钢的不同奥氏体化温度下等温处理后的硬度能达到62.7HRC以上，在900℃加热时达到最大值；而冲击韧性随奥氏体化温度先增加后减小，在880℃时韧性值最高。从组织照片中可以看出，随着奥氏体化温度增加，碳化物数量不断减少，超级贝氏体不断增加、增大。
表1超高碳型轴承钢在不同奥氏体化温度下的硬度及冲击韧性
表2为超高碳型轴承钢在880℃奥氏体化15分钟后，在不同等温温度下等温30min后的硬度及冲击韧性值；图2为相对应的组织金相照片。从表2中可以看出，随等温温度的升高，硬度不断下降，而冲击韧性不断增加，这与图2中的组织紧密相关。随等温温度的升高，超级贝氏体量增加、马氏体量减少，所以硬度降低、韧性增加。
表2超高碳型轴承钢在不同等温温度下的硬度及冲击韧性
表3为超高碳型轴承钢在880℃奥氏体化后，在270℃等温不同时间后的硬度及冲击韧性值；图3为相对应的组织金相照片。从表3中可以看出随着等温时间的延长，硬度下降、冲击韧性增加。随着等温时间的延长，超级贝氏体量在增加而马氏体量在减少，见图3。
表3超高碳型轴承钢在不同等温时间下的硬度及冲击韧性
图4为超高碳型轴承钢在880℃奥氏体化后，于270℃等温30min后油淬的扫描电子图片和透射电子图片。从图中可以看出，超高碳型轴承钢的组织为马氏体+超级贝氏体+剩余碳化物+残余奥氏体；其中，超级贝氏体为细条状贝氏体铁素体和薄膜状富碳奥氏体相互交替组成的超级贝氏体（super bainite，参见F.Hu,K.M.Wu.Nanostructuredhigh-carbon dual-phase steel.Scripta Materialia65(2011)351–354），此种贝氏体具有很好的韧性。从表1、表2、表3中可以看出，马氏体+超级贝氏体组织的冲击韧性Aku在5.0-12.1J之间，远高于淬回火态超高碳钢的冲击韧性2.5J。
滚动接触疲劳实验
对超高碳型轴承钢采用本发明所述热处理工艺后进行滚动接触疲劳试验。接触疲劳试验采用止推式滚动接触疲劳试验机，最大的赫兹应力为4400MPa，采用N42润滑油进行润滑。同时对淬火+低温回火后的超高碳型轴承钢1.29C和GCr15进行滚动接触疲劳试验，实验条件相同。结果如表4和图5所示。表4是由威布尔统计方法得出的威布尔参数L10、L50和β。其中，L10为额定寿命，即累积失效概率为10%时的滚动接触疲劳寿命，L50为中值寿命，β为威布尔斜率，代表了数据的分散性。从表4中数据可以看出，超高碳型轴承钢经本发明热处理工艺处理后，其额定寿命L10、中值寿命L50都要明显高于淬回火超高碳型轴承钢和GCr15轴承钢。图5是利用威布尔统计方法处理的两参数威布尔分布图，从图5中也可以直观地看出来，经本发明热处理工艺处理后的超高碳型轴承钢的寿命明显高于淬回火态超高碳型轴承钢和GCr15轴承钢。
表4威布尔参数总结
Claims (7)
1.一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：将球化后的超高碳型轴承钢部分奥氏体化；然后，在下贝氏体区进行等温形成部分超级贝氏体，等温后油淬或水冷获得部分马氏体。
2.如权利要求1所述一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：所述奥氏体化温度为860-950℃。
3.如权利要求1所述一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：所述奥氏体化的加热时间按所述超高碳型轴承钢的有效厚度以加热系数1.0-2.0min/mm确定。
4.如权利要求1所述一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：所述等温温度为150-350℃，等温时间为5-45min。
5.如权利要求1所述一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：若超级贝氏体体积分数<30%，则在油淬或水冷后进行150-200℃回火1-3h。
6.如权利要求1所述一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：所述超高碳型轴承钢的成分按重量百分比计为：C:1.10-1.50%，Cr:1.00-2.00%，Mn:0.25-1.00%，Si:0.20-1.50%，Al:1.0-2.0%，余量为Fe。
7.如权利要求1所述一种超高碳型轴承钢的热处理方法，其特征在于：经所述热处理方法处理后的超高碳型轴承钢的组织为：马氏体+超级贝氏体+残余奥氏体+剩余碳化物，其中超级贝氏体的体积分数为5-80%。
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