CN104294031A - 一种高温轴承钢套圈高压气淬工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热处理技术领域,主要涉及一种高温轴承钢套圈的高压气淬工艺方法。所述工艺方法包括:将高温轴承钢制套圈摆放后进入油淬室进行抽真空;待真空度达到9mbar时将套圈从油淬室送至加热室进行两次预热,预热和保温温度分别为:650℃,30min;850℃,30min;预热后升温到淬火温度:1070℃,保温时间:50±10min;随后转移至气淬室进行淬火,淬火气体为99.995%的高压氮气,根据壁厚选择气淬压力大小,气淬压力≈0.8×轴承套圈的有效壁厚;淬火时间为120s~300s,随后出炉;出炉套圈冷至室温后半小时内进行高温回火,回火温度为540℃,回火时间为:2~2.5h,回火次数为:3次。

Description

一种高温轴承钢套圈高压气淬工艺
技术领域
本发明涉及热处理技术领域,主要涉及的是一种高温轴承钢套圈的高压气淬工艺。
背景技术
高温轴承钢套圈牌号为Cr4Mo4V。合金的化学成分见表1。
表1 化学成分(质量分数,%)
元素 C Cr Mo V Ni Cu Mn S P Co W
标准 0.75-0.85 3.75-4.25 4.0~4.5 0.9-1.1 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.35 ≤0.008 ≤0.015 ≤0.25 ≤0.25
Cr4Mo4V钢属于常用的高温轴承钢,该钢具有优良的综合机械性能和冷热加工工艺性能,400℃时的高温硬度能保持在58HRC,广泛用于工作温度在316℃以下,DN值在2.4×10左右的航空发动机主轴轴承。
随着航空工业的迅速发展,对发动机主轴轴承的性能要求越来越高,高温轴承钢的用量随之增大,轴承结构较之前更加复杂,并且出现了壁厚薄、高度高、尺寸大的高温轴承钢制轴承套圈,该类套圈在普通的油淬过程中经常会出现直径变动量、平面度、锥度等变形超标的现象,严重时变形超标量可达150%,主要原因是由于套圈入油的不同时性导致整个套圈的淬火均匀性较差,最终导致套圈的变形超差。该类套圈的变形问题,严重制约了高温轴承钢的热处理及后续的磨加工过程,所以亟待寻求一种解决该类套圈变形的热处理工艺方法。
真空高压气淬开始于20世纪70年代中期。与传统的油冷淬火相比,真空高压气淬可免除淬火后的清洗,淬火均匀性好,无环境污染,从而能保证工件热处理畸变小。真空高压气淬原理:工件放入抽成一定真空度的炉内,在负压气氛条件下加热和保温后,充入高压惰性气体,通过风机进行冷却淬火。具有特点如下:(1)无氧化脱碳。由于被抽成真空,炉内氧化性和脱碳性气体极少,可防止氧化、脱碳,起到保护作用。(2)工件变形小。由于真空加热主要靠辐射来实现,故加热速度慢,升温时表面和心部温差小,所产生的热应力也小。采用高压气淬时,气体是相对缓和的冷却介质,冷却速度可通过充气压力和风机转速来控制,所产生的热应力和组织应力相对较小,防止工件开裂和减少变形。(3)采用石墨制品,升温比常规炉高,可达1300℃。操作方便,无污染,符合现代高质低耗洁净的热处理要求。真空高压气淬充分体现了真空热处理的特点,不但可以达到无氧化、无脱碳、保持表面光亮、无污染,便于自动化控制,可实现与机加工生产柔性联线;而且还可免除淬火后的清洗,减少真空热处理畸变,提高工件热处理表面质量,便于连续性自动化生产。因此,具有广泛的发展前景。
发明的目的
本发明所要解决的技术问题是提供一种热处理工艺方法,解决高温轴承钢制套圈淬回火后变形超差,尤其是高度高的套圈的锥度问题。
一种高温轴承钢制套圈高压气淬工艺方法,具体包括以下步骤:
(1)将高温轴承钢制套圈摆放到加热用的料框中,为了保证淬透性,摆放高度不能超过料框高度的2/3处,摆放好后进入油淬室(油淬室可进行油冷淬火,同时油淬室为进出料待料室)进行抽真空;
(2)待真空度达到9mbar时将套圈从油淬室送至加热室;
(3)在加热室内套圈进行两次预热,第一次预热保温温度为:650℃,保温时间:30min;第二次预热保温温度为850℃,保温时间:30min;预热后升温到淬火温度:1070℃,保温时间:50±10min;
(4)随后转移至气淬室进行淬火,淬火气体为99.995%的高压氮气,根据壁厚选择气淬压力大小,气淬压力≈0.8×轴承套圈的有效壁厚,气淬压力单位bar,轴承套圈的有效壁厚单位为mm;淬火时间为120s~300s,随后出炉;
(5)出炉套圈冷至室温后半小时内进行高温回火,回火温度为540℃,回火时间为:2~2.5h,回火次数为:3次。
对于高温轴承钢套圈,合金含量较高,高合金材料的导热性差,同时为了减少产品在加热过程中产生的变形量,采用两次预热的工艺方法进行加工。淬火后进行3次回火,目的是为了减少残余奥氏体含量,保证产品的尺寸稳定性。
本工艺方法所使用的设备为法国ECM公司生产的低压渗碳生产线,该设备由加热室、高压气淬室、油淬室及真空泵组组成,可用于渗碳、油冷淬火、气冷淬火等热处理生产加工。传统高温轴承钢套圈采用油淬的工艺方法进行加工,高温轴承钢制轴承套圈淬透性较好,油淬冷却速度较快,油冷淬火后变形超差较大;同时由于油淬过程中套圈入油的不同时性,造成高度高的高温轴承钢套圈在油淬过程中锥度较大。本工艺方法将真空高压气淬应用于高温轴承钢套圈,采用高压气淬,替代传统油淬加工,解决了高温轴承钢套圈的锥度问题。同时采用本工艺方法所提供的压力,加工出的产品变形较好,减少了高温轴承钢制套圈淬回火后变形超差。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步的说明。
实施例1:
某型号1的高温轴承钢制套圈,产品的外径、外径留量、高度、高度留量和有效壁厚见表2。该产品壁厚较薄,且高度较低,在油淬过程中直径变动量及平面度不合格率高达80%。
表2  实例1套圈的外形尺寸及有效壁厚         mm
外径 外径留量 高度 高度留量 有效壁厚
140 0.5 19 0.4 3.5
将型号1采用该气淬工艺方法进行加工,过程如下:将该套圈摆放到加热用的料框中送进油淬室进行抽真空;待真空度达到9mbar时,将套圈送至加热室;经过650℃/30min和850℃/30min两次预热,预热后升温到淬火温度:1070℃,保温40min进行气淬;选择淬火压力为2.8bar,淬火时间为140S;出炉后进行540℃/2h高温回火3次。
(1)经过高压气淬后套圈的硬度为63~63.5HRC,高温回火后的硬度为61.5~62HRC;
(2)高压气淬后变形量和平面度见表3。
表3  实例1套圈高压气淬后的变形量           mm
套圈编号 直径变动量(≤0.3) 平面度(≤0.2)
1 0.20 0.19
2 0.20 0.12
3 0.08 0.17
4 0.07 0.12
5 0.03 0.20
6 0.08 0.02
7 0.06 0.05
8 0.32 0.25
9 0.20 0.18
10 0.23 0.40
平均值 0.15 0.17
由表2可得:该型号的套圈高压气淬后直径变动量平均值为0.15mm,不合格率为10%;平面度平均值为0.17mm,不合格率为20%。
(3)将油淬与高压气淬加工产品的变形情况进行对比,见表4。
表4  实例1套圈油淬与高压气淬变形量           mm
  油淬 高压气淬
直径变动量平均值 0.60 0.15
直径变动量不合格率 60% 10%
平面度平均值 0.45 0.17
平面度不合格率 80% 20%
由上表可见,该型号的高温轴承钢制轴承套圈高压气淬工艺比原有的油淬工艺直径变动量不合格率降低50%,平面度不合格率降低60%。
实施例2:
某型号2的高温轴承钢制套圈,产品的外径、外径留量、高度、高度留量和有效壁厚见表5。该产品高度高。
表5  实例2套圈的外形尺寸及有效壁厚            mm
外径 外径留量 高度 高度留量 有效壁厚
240 0.6 48 0.45 10
将型号2采用该气淬工艺方法进行加工,过程如下:将套圈摆放到加热用的料框中送进油淬室进行抽真空;待真空度达到9mbar时,将套圈送至加热室;经过650℃/30min和850℃/40min两次预热,预热后升温到淬火温度:1070℃,保温50min进行气淬;选择淬火压力为8bar,淬火时间为180S;出炉后进行540℃/2h高温回火3次。
(1)经过高压气淬后套圈的硬度为63~63.5HRC,高温回火后的硬度为61.5~62HRC;
(2)高压气淬后变形量及锥度见表6。
表6   实例2套圈高压气淬后的变形量           mm
套圈编号 直径变动量(≤0.35) 锥度(≤0.25)
1 0.18 0.09
2 0.20 0.12
3 0.12 0.07
4 0.25 0.10
5 0.14 0.12
6 0.09 0.02
7 0.10 0.05
8 0.33 0.12
9 0.18 0.13
10 0.38 0.18
平均值 0.20 0.10
(3)将油淬与高压气淬加工产品的变形情况进行对比,见表7。
表7  实例2套圈油淬与高压气淬变形量              mm
  油淬 高压气淬
直径变动量平均值 0.50 0.20
直径变动量不合格率 60% 10%
锥度平均值 0.45 0.10
锥度不合格率 80% 0
由上表可见,该型号的高温轴承钢制轴承套圈高压气淬工艺比原有的油淬工艺锥度不合格率有较大的改善。

Claims (1)

1.一种高温轴承钢套圈的高压气淬工艺方法,所述高温轴承钢套圈牌号为Cr4Mo4V;合金的化学成分为:C 0.75-0.85﹪  Cr 3.75-4.25﹪ Mo 4.0-4.5﹪ V 0.9-1.1﹪ Ni≤0.20﹪ Cu≤0.20﹪ Mn≤0.35﹪ S≤0.008﹪ P≤0.015﹪ Co≤ 0.25﹪ W≤ 0.25﹪;其特征在于:所述工艺方法包括以下具体步骤:
(1)将高温轴承钢制套圈摆放到加热用的料框中,为了保证淬透性,摆放高度不能超过料框高度的2/3处,摆放好后进入油淬室进行抽真空;
(2)待真空度达到9mbar时将套圈从油淬室送至加热室;
(3)在加热室内套圈进行两次预热,第一次预热保温温度为:650℃,保温时间:30min;第二次预热保温温度为850℃,保温时间:30min;预热后升温到淬火温度:1070℃,保温时间:50±10min;
(4)随后转移至气淬室进行淬火,淬火气体为99.995%的高压氮气,根据壁厚选择气淬压力大小,气淬压力≈0.8×轴承套圈的有效壁厚,气淬压力单位bar,轴承套圈的有效壁厚单位为mm;淬火时间为120s~300s,随后出炉;
(5)出炉套圈冷至室温后半小时内进行高温回火,回火温度为540℃,回火时间为:2~2.5h,回火次数为:3次。
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