CN104232875A

CN104232875A - 一种盾构机3m轴承套圈的热处理工艺

Info

Publication number: CN104232875A
Application number: CN201410342269.8A
Authority: CN
Inventors: 刘雅政; 蒋波; 周乐育; 张朝磊; 文新理; 董正强
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN104232875B

Abstract

本发明涉及一种盾构机3m轴承套圈的热处理工艺。对普通中碳合金钢42CrMo进行合金化设计，得到满足盾构机3m轴承套圈的用钢；用该钢生产的轴承套圈毛坯，加热到一定温度保温一定时间，然后油冷到室温，再在一定温度下进行高温回火，保温一定时间，取出空冷至室温；将经机加工后的套圈表面以一定加热速度进行感应加热到一定温度淬火。该实验钢采用该工艺处理后，盾构机轴承套圈表面淬硬层组织为隐晶马氏体，基体组织为回火索氏体；表面具有较高的硬度，均值为57.9HRC；心部具有良好的韧性，-20℃冲击韧性AK_v均值为115J，以及适宜的硬度，均值为293HB。从而能够满足盾构机3m轴承套圈用钢综合力学性能的要求。

Description

一种盾构机3m轴承套圈的热处理工艺

技术领域

本发明属于金属材料领域，是一种盾构机3m轴承套圈的热处理工艺，具体涉及一种盾构机3m轴承套圈用钢综合力学性能的成分设计以及热处理工艺。

背景技术

目前，我国经济处于持续高速发展时期，由于工业化进程及基础设施建设的需要，大量的交通隧洞、城市地下铁道、供排水隧道和电缆隧道等工程已建、在修或正在规划之中。盾构机是盾构施工中的主要施工机械，盾构机轴承套圈作为盾构机轴承的主要部件，服役方式为低速重载，转速不高的情况下，承受较大的轴向、径向负荷以及倾覆力矩。因此，在具备高的疲劳强度、硬度、抗压强度、弹性极限、耐磨性以及耐腐蚀性能等性能基础上，还需要具备高的淬透性、淬硬性以及一定的冲击韧性。根据国内外对于大型低速重载轴承套圈用钢的使用情况，一般选用中碳合金轴承钢。中碳合金钢一般采用42CrMo，可以满足小尺寸盾构机轴承套圈用钢的使用，而对于大尺寸盾构机轴承套圈用钢则需要进行合金化设计。

由于盾构机特殊的工作环境，对于盾构机轴承套圈有着较高的要求。对于3m轴承套圈，其基体整体调质硬度需要在260HB~310HB，调质后的-20℃低温韧性平均值Ak_v≥42J，接触滚道表面淬火硬度为57HRC~62HRC，同时具有一定的淬硬层。合理的热处理工艺是保证盾构机轴承套圈用钢综合性能的重要手段。目前对于满足盾构机3m轴承套圈性能的用钢以及热处理工艺研究未见报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种能够让轴承套圈表面具有较高的硬度，心部具有良好的韧性和适宜的硬度的盾构机3m轴承套圈的热处理工艺。

本发明的技术方案是：一种盾构机3m轴承套圈的热处理工艺，其主要工艺流程为：钢的成分设计→轴承套圈毛坯准备→淬火→回火→表面感应淬火，其中：

（1）成分设计：依据GB/T 3077-1999，将中碳合金钢42CrMo的化学成分质量百分比为：0.38%~0.45%C、0.17%~0.37%Si、0.50%~0.80%Mn、0.90%~1.20%Cr、0.15%~0.25%Mo、Ni≤0.030%、P≤0.035%、S≤0.035%、Cu≤0.030%，余量为Fe及不可避免杂质，将其中的Ni含量增加到1.49%，Cr含量降低至0.76%，原始坯料经过变形后得到轴承套圈毛坯，备用；

上述技术方案中，所述的钢中Ni含量增加至1.149，Cr含量降低至0.76%。可以提高钢的淬透性，提高淬硬层深度，同时还可以提高钢的冲击韧性，并起到一定程度的细化晶粒作用，提高钢的淬火硬度。

（2）淬火工艺：奥氏体化加热温度800℃~850℃，保温时间1.5min/mm~3.0min/mm；油淬到室温，如图1所示。

上述技术方案中，所述的加热温度为800℃~850℃。奥氏体化加热温度主要根据钢的相变临界点确定，亚共析钢通常加热到Ac₃以上30℃~50℃。加热温度过低，奥氏体化不充分，而过高导致奥氏体晶粒粗化，均不利于获得目标组织和性能。

上述技术方案中，所述的保温时间为1.5min/mm~3.0min/mm。保温时间过短，奥氏体化不充分，过长则导致奥氏体晶粒粗化，同样均不利于获得目标组织和性能。

（3）回火工艺：回火加热温度580℃~650℃，保温时间3h，回火后空冷至室温，如图1所示。

上述技术方案中，所述的加热温度为580℃~650℃。盾构机轴承套圈基体主要为调质态，从而保证高的冲击韧性，因此采用高温回火。回火温度过低，钢的韧性不够，而过高导致调质后的硬度下降，均不能满足目标性能。

上述技术方案中，所述的保温时间为3h。

（4）表面感应淬火工艺：将机加工后的套圈进行表面感应加热淬火，加热速度为100℃/s~300℃/s，加热温度到900℃~950℃保温3s，以80℃/s~100℃/s的冷却速度淬火至室温，如图2所示。

上述技术方案中，所述的加热速度为100℃/s~300℃/s。加热速度过慢，导致奥氏体晶粒粗化，硬度不足，而过快导致表面的淬硬层太浅，均不能满足目标性能。

上述技术方案中，所述的加热温度为900℃~950℃，保温3s。加热温度过低，奥氏体化不充分，而过高导致奥氏体晶粒粗化，均不利于获得目标性能。

上述技术方案中，所述的冷却速度为80℃/s~100℃/s。冷却速度过慢，淬火后硬度不足，而过快导致淬火开裂，均不能满足目标性能。

本发明有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明通过进行合金化设计，可以满足淬透性的同时，还可以保证钢的冲击韧性；基体的淬火和回火工艺，保证基体具有较高的冲击韧性，同时具有合适的硬度；表面感应淬火工艺，合理的工艺保证轴承套圈表面有较高的硬度，同时不会导致淬火开裂现象。盾构机轴承套圈表面淬硬层组织为隐晶马氏体，基体组织为回火索氏体；表面具有较高的硬度，均值为57.9HRC；心部具有良好的韧性，-20℃冲击韧性AK_v均值为115J；以及适宜的硬度，均值为293HB。从而能够满足盾构机3m轴承套圈用钢综合力学性能的要求。

附图说明

图1是本发明调质热处理工艺示意图。

图2是本发明表面淬火热处理工艺示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例：

一种进行合金化设计后的轴承套圈用钢，具有如下的质量百分比化学成分：0.39%C、0.26%Si、0.64%Mn、0.76%Cr、1.49%Ni、0.06%Cu、0.19%Mo、0.014%P、0.002%S，余量为Fe。

实施例采用的热处理工艺参数如表1所示。热处理调质态的冲击韧性和硬度以及表面感应淬火后硬度如表2所示。可以看出，基体-20℃冲击韧性AK_v均值为115J、基体硬度均值为293HB、表面淬火硬度均值为57.9HRC。可见，通过该成分设计以及热处理工艺后，其基体韧性、硬度以及表面感应淬火硬度均能满足盾构机3m轴承套圈用钢的性能要求。

表1 实施例采用的热处理工艺参数

编号	奥氏体化加热温度，℃	加热时间，min/mm	回火加热温度，℃	表面淬火加热速度，℃/s	表面淬火加热温度，℃	淬火冷却速度，℃/s
							1	800	2.5	650	100	900	100
2	800	2.5	650	100	950	100
							3	850	3.0	580	100	900	80
4	850	3.0	580	300	900	80
							5	850	3.0	580	300	950	80

表2 实施例热处理后的力学性能

编号	基体-20℃冲击韧性Ak_v，J	基体硬度，HB	表面淬火硬度，HRC
				1	137	280	57.5
2	137	280	58.3
				3	101	302	57.8
4	101	302	58.0
				5	101	302	58.1
均值	115	293	57.9

Claims

1.一种盾构机3m轴承套圈的热处理工艺，其特征在于，该工艺对普通中碳合金钢42CrMo进行合金化设计，得到满足盾构机3m轴承套圈的用钢；用该钢生产的轴承套圈毛坯，加热到一定温度保温一定时间，然后油冷到室温，再在一定温度下进行高温回火，保温一定时间，取出空冷至室温；将经机加工后的套圈表面以一定加热速度进行感应加热到一定温度淬火。

2.根据权利要求1所述的盾构机3m轴承套圈用钢的热处理工艺，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）依据GB/T 3077-1999，将中碳合金钢42CrMo的化学成分质量百分比为：0.38%~0.45%C、0.17%~0.37%Si、0.50%~0.80%Mn、0.90%~1.20%Cr、0.15%~0.25%Mo、Ni≤0.030%、P≤0.035%、S≤0.035%、Cu≤0.030%，余量为Fe及不可避免杂质，将其中的Ni含量增加到1.49%，Cr含量降低至0.76%，原始坯料经过变形后得到轴承套圈毛坯，备用；

（2）将步骤1得到的轴承套圈毛坯加热直至充分奥氏体化，奥氏体化加热温度为800℃~850℃，保温时间为1.5min/mm~3.0min/mm；

（3）淬火工艺：将经过步骤2充分奥氏体化后的套圈毛坯先进行油淬，油淬到室温；

（4）回火工艺：步骤（3）处理后的套圈毛坯再进行高温回火处理，加热温度为580℃~650℃，保温时间为3h；

（5）表面淬火工艺：将经过步骤4处理后套圈毛坯机加工后得到套圈进行表面感应加热淬火，加热速度为100℃/s~300℃/s，加热温度到900℃~950℃，保温3s，再以80℃/s~100℃/s的冷却速度淬火至室温，即得到满足性能要求的盾构机3m轴承套圈。

3.根据权利要求2所述的盾构机3m轴承套圈的热处理工艺，其特征在于：得到的盾构机3m轴承套圈的表面具有较高的硬度，均值为57.9HRC；心部具有良好的韧性，-20℃冲击韧性AK_v均值为115J，以及适宜的硬度，均值为293HB,从而能够满足盾构机3m轴承套圈用钢综合力学性能的要求。