CN105587773B - 一种高硬度轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高硬度轴承，包括轴承外圈、滚球、轴承内圈，轴承外圈的滚道和轴承内圈的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球的半径为29.6mm，轴承接触角为50°。轴承外圈的组分按重量百分比包括：C：0.7～1％，Si：0.5～0.8％，V：0.5～0.6％，W：0.3～0.4％，Mo：0.15～0.2％，Nb：0.1～0.14％，Al：0.3～0.4％，Cr：6.2～6.5％，B：0.09～0.12％，La：0.07～0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。

Description

一种高硬度轴承
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种高硬度轴承。
背景技术
轴承是机械传动机构中的支撑件，用于确定旋转轴与其它零件相对运动位置，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度，它的质量及承载能力直接影响机械整机的工作性能。
高碳铬轴承钢是轴承钢中的一个大种类，为制造轴承和轴承零件的最常用钢种。现有高碳铬轴承钢热处理工艺为：淬火加热830～850℃，保持适当的时间后进入30～80℃的油中淬火，随后在150～180℃的回火炉中回火一定的时间。该常规热处理工艺获得材料晶粒度只能达到8级，接触疲劳强度低，耐磨性差，寿命可靠性较差。
这种常规热处理工艺越来越满足不了对于高可靠性、高舒适性的机械零部件发展需求，如发动机摇臂轴承比较特殊苛刻的使用工况下，使轴承无法适应其特殊的温度、负荷、润滑条件。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高硬度轴承，硬度高，耐磨性能和韧性优异，接触疲劳性能良好，使用寿命长。
本发明提出的一种高硬度轴承，包括轴承外圈、滚球、轴承内圈，轴承外圈的滚道和轴承内圈的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球的半径为29.6mm，轴承接触角为50°。
优选地，轴承外圈的组分按重量百分比包括：C：0.7～1％，Si：0.5～0.8％，V：0.5～0.6％，W：0.3～0.4％，Mo：0.15～0.2％，Nb：0.1～0.14％，Al：0.3～0.4％，Cr：6.2～6.5％，B：0.09～0.12％，La：0.07～0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
本发明中各元素作用如下：
碳(C)：作为形成石墨球的主要元素，可以有效的控制石墨个数及石墨大小，同时，适当的碳当量可以使铁液易于流动，增加铁液的充型能力，减少缩松缩孔，提高铸件的致密性，但是碳含量过高，容易产生石墨漂浮，影响铸铁的性能，还会降低钢的耐大气腐蚀能力，增加钢的冷脆性和时效敏感性。
硅(Si)：作为强烈促进石墨化的元素，又能起到孕育的效果。较高的含硅量对铸件的浇注及自补缩都有很大的好处，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅含量高些，对形成球状石墨有利，但硅含量超过3.0％时，冲击韧性会急剧降低，还能降低钢的焊接性能。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。
钒(V)：作为钢的优良脱氧剂，可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
钼(Mo)：能细化晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高机械性能；还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。
铬(Cr)：可提高淬透性，能显著提高强度、硬度和耐磨性，还能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，但会降低塑性和韧性，同时也是碳化物形成元素，在球墨铸铁中，它能与碳生成M3C型碳化物可以作为有效的硬质点弥散分布在基体上，提高材料的硬度及耐磨度。经试验发现证实：含Cr0.5％，碳化物约占15～20％，满足实际需求。
钨(W)：可与碳形成碳化钨，具有很高的硬度和耐磨性，能显著提高红硬性和热强性。
铌(Nb)：能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度、抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力，改善焊接性能，防止晶间腐蚀现象，但塑性和韧性有所下降。
铝(Al)：作为钢中常用的脱氧剂，可细化晶粒，提高冲击韧性，还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，与铬、硅合用可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力；但会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
镧(La)：影响钢中非金属夹杂物的类型、数量和形态，净化钢质，减少了Al2O3对疲劳性能的危害，对高周疲劳和低周疲劳都很有利，促进钢中的组织转变，可吸附在正在长大的固态晶核表面，形成薄的富集层，降低表面能，阻碍晶体生长，从而降低了晶体长大速率，细化树枝状晶体，抑制柱状晶生长，进而减少枝晶偏析和区域偏析，细化晶粒，抑制回火脆性，提高钢的热塑性、热强性、疲劳性能、耐磨性、抗氢致脆性、抗氧化性。
轴承外圈的组分中，Al元素、V元素、C元素、Si元素的含量满足如下关系：100×(nV+nC)＝[100×(nSi-nAl)]2+1.2，其中nAl、nv、nC、nSi分别表示Al元素、V元素、C元素、Si元素在轴承外圈的组分中所占重量百分比。
优选地，轴承外圈的组分中，Mo元素、Cr元素、Nb元素、La元素的含量满足如下关系：100×nCr＝[100×(nMo+nNb+nLa)]2+6.2，其中nMo、nCr、nNb、nLa分别表示Mo元素、Cr元素、Nb元素、La元素在轴承外圈的组分中所占重量百分比。
优选地，轴承外圈的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火；其中奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的外圈坯体升温至600～630℃，保温2～3h，接着升温至670～700℃，保温1～2h，再升温至720～750℃，保温1～2h，接着升温至770～800℃，保温1～2h，再升温至820～850℃，保温1～2h，然后升温至870～900℃，保温2.7～3h。
优选地，等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的外圈坯体风冷至500～520℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温60～80min，硝酸盐盐浴的温度为290～320℃，然后空冷。
优选地，回火的具体操作如下：将等温淬火后的外圈坯体升温至240～250℃，保温1～2h。
本发明耐磨性能和韧性优异，硬度高，接触疲劳性能良好，使用寿命长；钼元素、铬元素、铌元素、镧元素固溶于奥氏体中，降低了碳的扩散速度，从而延缓奥氏体的转变，延长贝氏体转变的孕育期，因此便于增加贝氏体型铁素体的数量，在奥氏体化过程中阻碍了晶界的移动和晶粒的长大，细化了奥氏体的晶粒，从而为贝氏体提供了更多的有利形核位置，使得在等温淬火过程中贝氏体的数量增加，并细化了贝氏体组织，使外圈中残余奥氏体的量逐渐减少，针状铁素体的量逐渐增加且变得细小致密，且碳化物的数量也随之增多，大幅提高本发明的韧性、硬度、耐磨性能和接触疲劳性能；铝元素、钒元素相互配合，脱除本发明中的氧元素，细化晶粒，提高冲击韧性，而且能提高铸铁共析相变点，防止了珠光体的石墨化分解，提高轴承在高温环境中的力学性能和耐腐蚀能力，提高了轴承的使用寿命，满足实际生产过程中对轴承的高要求；而外圈的制备工艺中，在奥氏体化处理中，采用阶梯式升温，使外圈的表面和中心温度维持一致，使外圈能够均匀的奥氏体化；再采用等温淬火，置于硝酸盐盐浴中保温，利用硝酸盐的高比热容进行快速降温，使奥氏体转化成贝氏体，大幅度提高外圈的韧性，从而满足轴承的实际需求，然后通过低温回火，降低外圈的淬火残留应力和脆性，进一步提高外圈的硬度和耐磨性。
附图说明
图1为本发明提出的一种高硬度轴承的截面图。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
如图1所示，图1为本发明提出的一种高硬度轴承的截面图。
参照图1，本发明提出的一种高硬度轴承，包括轴承外圈1、滚球2、轴承内圈3，轴承外圈1的滚道和轴承内圈3的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球2的半径为29.6mm，轴承接触角为50°。
轴承外圈1的组分按重量百分比包括：C：0.74％，Si：0.5％，V：0.5％，W：0.4％，Mo：0.15％，Nb：0.14％，Al：0.3％，Cr：6.3296％，B：0.12％，La：0.07％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承外圈1的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
其中奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的外圈坯体升温至630℃，保温2h，接着升温至700℃，保温1h，再升温至750℃，保温1h，接着升温至800℃，保温1h，再升温至850℃，保温1h，然后升温至900℃，保温2.7h；
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的外圈坯体风冷至520℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温60min，硝酸盐盐浴的温度为320℃，然后空冷；
回火的具体操作如下：将等温淬火后的外圈坯体升温至240℃，保温2h。
实施例2
本发明提出的一种高硬度轴承，包括轴承外圈1、滚球2、轴承内圈3，轴承外圈1的滚道和轴承内圈3的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球2的半径为29.6mm，轴承接触角为50°。
轴承外圈1的组分按重量百分比包括：C：0.76％，Si：0.8％，V：0.6％，W：0.3％，Mo：0.2％，Nb：0.1％，Al：0.4％，Cr：6.36％，B：0.09％，La：0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承外圈1的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
其中奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的外圈坯体升温至600℃，保温3h，接着升温至670℃，保温2h，再升温至720℃，保温2h，接着升温至770℃，保温2h，再升温至820℃，保温2h，然后升温至870℃，保温3h；
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的外圈坯体风冷至500℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温80min，硝酸盐盐浴的温度为290℃，然后空冷；
回火的具体操作如下：将等温淬火后的外圈坯体升温至250℃，保温1h。
实施例3
本发明提出的一种高硬度轴承，包括轴承外圈1、滚球2、轴承内圈3，轴承外圈1的滚道和轴承内圈3的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球2的半径为29.6mm，轴承接触角为50°。
轴承外圈1的组分按重量百分比包括：C：0.7％，Si：0.6％，V：0.5625％，W：0.35％，Mo：0.16％，Nb：0.13％，Al：0.35％，Cr：6.3369％，B：0.11％，La：0.08％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承外圈1的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
其中奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的外圈坯体升温至620℃，保温2.2h，接着升温至690℃，保温1.3h，再升温至740℃，保温1.4h，接着升温至790℃，保温1.2h，再升温至840℃，保温1.3h，然后升温至890℃，保温2.8h；
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的外圈坯体风冷至515℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温65min，硝酸盐盐浴的温度为310℃，然后空冷；
回火的具体操作如下：将等温淬火后的外圈坯体升温至245℃，保温1.8h。
实施例4
本发明提出的一种高硬度轴承，包括轴承外圈1、滚球2、轴承内圈3，轴承外圈1的滚道和轴承内圈3的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球2的半径为29.6mm，轴承接触角为50°。
轴承外圈1的组分按重量百分比包括：C：0.8％，Si：0.7％，V：0.5156％，W：0.32％，Mo：0.18％，Nb：0.12％，Al：0.36％，Cr：6.3521％，B：0.1％，La：0.09％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承外圈1的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
其中奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的外圈坯体升温至610℃，保温2.8h，接着升温至680℃，保温1.7h，再升温至730℃，保温1.6h，接着升温至780℃，保温1.8h，再升温至830℃，保温1.7h，然后升温至880℃，保温2.9h；
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的外圈坯体风冷至505℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温75min，硝酸盐盐浴的温度为300℃，然后空冷；
回火的具体操作如下：将等温淬火后的外圈坯体升温至248℃，保温1.5h。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高硬度轴承，其特征在于，包括轴承外圈(1)、滚球(2)、轴承内圈(3)，轴承外圈(1)的滚道和轴承内圈(3)的滚道均为双滚道结构；在径向截面中，两个滚道的圆心间距为84mm；任一滚道的曲率半径为30.8mm，滚球(2)的半径为29.6mm，轴承接触角为50°；
其中，轴承外圈(1)的组分按重量百分比包括：C：0.7％，Si：0.5～0.8％，V：0.5156～0.6％，W：0.3～0.4％，Mo：0.15～0.2％，Nb：0.1～0.14％，Al：0.3～0.4％，Cr：6.2～6.5％，B：0.09～0.12％，La：0.07～0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe；
Al元素、V元素、C元素、Si元素的含量满足如下关系：100×(nv+nC)＝[100×(nSi-nAl)]2+1.2，其中nAl、nv、nC、nSi分别表示Al元素、V元素、C元素、Si元素在轴承外圈(1)的组分中所占重量百分比；
Mo元素、Cr元素、Nb元素、La元素的含量满足如下关系：100×nCr＝[100×(nMo+nNb+nLa)]2+6.2，其中nMo、nCr、nNb、nLa分别表示Mo元素、Cr元素、Nb元素、La元素在轴承外圈(1)的组分中所占重量百分比。
2.根据权利要求1所述高硬度轴承，其特征在于，轴承外圈(1)的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火；其中奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的外圈坯体升温至600～630℃，保温2～3h，接着升温至670～700℃，保温1～2h，再升温至720～750℃，保温1～2h，接着升温至770～800℃，保温1～2h，再升温至820～850℃，保温1～2h，然后升温至870～900℃，保温2.7～3h。
3.根据权利要求2所述高硬度轴承，其特征在于，等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的外圈坯体风冷至500～520℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温60～80min，硝酸盐盐浴的温度为290～320℃，然后空冷。
4.根据权利要求2或3所述高硬度轴承，其特征在于，回火的具体操作如下：将等温淬火后的外圈坯体升温至240～250℃，保温1～2h。
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