CN105671435A - 用于制造轴承的钢材、对其进行热处理的方法和成型件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造轴承的钢材、对其进行热处理的方法和成型件。根据本发明的钢材包括以重量含量计，所述钢材包括1.22-1.6％的C、0.5-2％的Cr、4-8％的Al、0.1-1.5％的Mn以及小于等于0.7％的Si，余量为Fe和杂质。这种钢材含有较多的碳和铝。使用这种钢材并经过本发明的热处理方法之后的成型件或轴承含有较多的马氏体和较多的残余奥氏体，这使得成型件或轴承具有高的硬度，并且在外力冲击下也不会产生裂纹。

Description

用于制造轴承的钢材、对其进行热处理的方法和成型件

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种钢材。本发明还涉及对这种钢材进行热处理的方法。本发明还涉及一种成型件。

背景技术

轴承作为机械设备中的重要零件，其功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。随着科技的发展，在一些特种设备中，往往需要能承受高转速、高负荷、高温、低温并且低噪音的轴承。这要求轴承钢具有高的尺寸稳定性、高硬度、高强度、优异的滚动接触疲劳性能以及耐磨性。

在现有技术中，GCr15轴承钢是常用的高硬度轴承钢，其碳含量在0.95％到1.05％重量之间。在淬火热处理后，GCr15轴承钢的淬火态硬度范围在61HRC到64HRC之间。回火后的硬度值范围在58HRC到62HRC之间。

GCr15轴承钢在制备过程中，在进行淬火发生马氏体相变后，再进行回火以尽量使残余奥氏体分解，这是为了避免残余奥氏体在外力作用下发生马氏体相变而导致轴承尺寸发生变化。由此，通常在室温下，GCr15轴承钢仅含有不到3％体积的残余奥氏体。如此少的残余奥氏体使得轴承在受到较大的外力时，极易产生裂纹，甚至直接导致轴承损坏。这严重限制了由GCr15轴承钢制备的轴承的使用范围。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于制造轴承的钢材。这种钢材含有较多的碳和铝。使用这种钢材并经过本发明的热处理方法之后得到的成型件或轴承含有较多的马氏体和较多的残余奥氏体，这使得成型件或轴承具有高的硬度。此外，绝大部分的这些残余奥氏体在外力作用下不会发生马氏体相变，由此可确保该成型件或轴承的尺寸不变，并且这些残余奥氏体可以有效地抑制构件或轴承由于受到外力作用而产生裂纹或裂纹扩展。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造轴承的钢材。以重量含量计，这种钢材包括1.22-1.6％的C、0.5-2％的Cr、4-8％的Al、0.11-1.5％的Mn以及小于等于0.7重量的Si，余量为Fe和杂质。

与GCr15轴承钢的碳含量(GCr15轴承钢的共析碳含量为约0.5wt.％)或铁碳热平衡二元相图中的共析钢的碳含量相比，本发明的用于制造轴承的钢材含有4-8％的铝，使得碳的含量被提高到1.22-1.6％，但是在钢材内部仍然不存在网状碳化物，钢材的组织也较为均匀。在随后的热处理过程中，钢材的良好的组织分布方式会遗传下去，从而使得热处理后的成型件的组织和性能非常均匀。

在热处理过程中，钢材中的铝提高钢材的马氏体相变温度，这抵消了由钢材的较高的碳含量导致的马氏体相变温度降低。由此，本发明的钢材经热处理后仍具有较多的马氏体，这使得由本发明的钢材制备的轴承具有非常高的硬度。马氏体内含有较多的碳，也会使得所制备的轴承具有非常高的硬度。

更重要的是，由于钢材中存在有铝，在马氏体相变后的低温热处理过程中，在马氏体相变后剩余的奥氏体即使部分发生分解，仍然会有较大量的奥氏体剩余。这些剩余的奥氏体会形成在室温下稳定的残余奥氏体。与现有技术中的GCr15轴承钢以及其他类型的轴承钢相比相比，由本发明的钢材制备的最终成型件含有更多的残余奥氏体。在成型件受到外力作用时，这些残余奥氏体会抑制脆性的马氏体(或成型件)产生裂纹及扩展。

此外，在上述的马氏体相变后的低温热处理过程中，铝会使钢材的其他组织的过量的碳进入到残余奥氏体内，这导致残余奥氏体的含碳量会大幅增加。例如，残余奥氏体的碳含量可达到以重量含量计2％到5％。与现有技术中的GCr15轴承钢以及其他类型的轴承钢相比(这些轴承钢的碳含量最高为以重量含量计1.9％)相比，由本发明的钢材制备的最终成型件的残余奥氏体的碳含量会较高，使得其稳定性非常好并且不会发生马氏体相变。对于轴承而言，在使用过程中，稳定的残余奥氏体几乎不发生马氏体转变，因此受力条件下成型件或轴承的尺寸变化非常小。残余奥氏体含有较多的碳也会抑制奥氏体分解，这也使得由本发明的钢材制备的最终成型件内会有较大量的残余奥氏体。

此外，Al的加入还可以降低钢材的密度，这有利于降低所制备的成型件的重量。例如，常规GCr15轴承钢的密度约为7.86g/cm³，而本发明的一种钢材Fe-1.25C-1.5Cr-5Al(即，以重量含量计，C含量为1.25％左右、Cr含量为1.5％左右、Al含量为5％左右，余量为Fe和杂质)的密度约为7.34g/cm³。

应理解的是，本发明的用于制造轴承的钢材可以为铸锭、棒材、线材、管材或其他任何适当的形状。

在一个实施例中，该钢材还包括由以下元素组成的组中的至少一种：以重量含量计，1.0％以下的Mo；1.0％以下的W；0.05％以下的Ti；0.2％以下的Nb；0.2％以下的Zr；0.2％以下的V；2.0％以下的Cu；以及4.0％以下的Ni。

根据本发明的第二方面，提出了对上述用于制造轴承的钢材进行热处理的方法。该方法包括：步骤一：将钢材进行马氏体相变；步骤二：将进行马氏体相变后的钢材进行贝氏体相变；以及步骤三：冷却到室温。

正如本领域的技术人员熟知：钢材中发生马氏体相变的过程中，并不是所有的奥氏体都会转变成马氏体，而是有部分奥氏体残留下来形成残余奥氏体。在现有技术中，通常需要将这些残余奥氏体分解，以避免在外力下残余奥氏体发生马氏体相变，而造成成型件的体积发生变化。

然而，根据本发明的热处理方法，并不需要完全除去这些残余奥氏体，相反要保留一部分残余奥氏体。在本发明的热处理方法的步骤二中，进行贝氏体相变(即，马氏体相变后的再次加热的低温热处理)。在整个过程中，仅部分残余奥氏体转变成贝氏体，很多的残余奥氏体得以保留下来。由此，在根据本发明的热处理方法处理后的钢材或成型件中，会有较多的残余奥氏体。

此外，在步骤二中，Al还会抑制碳转变成碳化物，而是使贝氏体相变期间所产生的过量的碳进入到残余奥氏体内。Al同样会使马氏体内的过量的碳进入到残余奥氏体内。由此提高了残余奥氏体的碳含量，这会抑制奥氏体发生贝氏体相变，从而使得由本发明的钢材制备的最终成型件内会有较大量的残余奥氏体。

贝氏体是在残余奥氏体上形核长大的，这会将残余奥氏体切割非常细小的残余奥氏体组织，这也有助于提高残余奥氏体的稳定性。如上文所述，这种高碳且细小的残余奥氏体的稳定性非常好，即使在外力作用下，高碳的残余奥氏体也几乎不会发生马氏体转变。钢材内高韧性的奥氏体抑制了成型件在受到外力作用时裂纹的扩展。

在一个实施例中，在步骤一中，马氏体相变的加热温度为800℃到950℃，保温时间为10分钟到300分钟。在一个优选的实施例中，在步骤一中，马氏体相变的冷却步骤为冷却到室温到零下196℃之间的温度，冷却时间为0.5分钟到300分钟。在本申请中，室温可理解为18℃到27℃之间的温度，优选为20℃到25℃之间的温度。

在一个实施例中，在步骤二中，贝氏体相变的加热温度为150℃到250℃，保温时间为6小时到240小时，优选为6小时到140小时。申请人对贝氏体相变进行如下解释。在室温下，钢材中的残余奥氏体具有发生贝氏体相变的很大的热力学驱动力。但是，由于温度较低，原子扩散速度非常慢，导致贝氏体转变实际上难以发生。在步骤二中，150℃到250℃的加热温度使得原子扩散速度得到大幅提高，使得残余奥氏体能够顺利地发生贝氏体转变。

贝氏体相变的保温时间为6小时到240小时，这有助于充分进行贝氏体相变，以提高残余奥氏体中的碳含量。保温时间小于6小时，则不能保证充分进行贝氏体相变，并且残余奥氏体中的碳含量达不到要求。

应理解的是，在贝氏体相变期间，也释放了因马氏体相变产生的内应力。

在一个实施例中，在步骤一中，马氏体相变的冷却步骤可采用冰水混合物冷却、液态氮气冷却或其他任何适当的冷却方式。

在一个实施例中，在对钢材加热和保温期间，使用保护气体来防止钢材被氧化。在一个优选的实施例中，保护气体为惰性气体或氮气。

根据本发明的第三方面，提出了一种成型件，其由上述的用于制造轴承的钢材，经上述的对钢材进行热处理的方法进行热处理而得到。以体积含量计，成型件的微观组织包括：4％至10％的残余奥氏体，80％至90％的马氏体，以及5％以下的碳化物，余量为贝氏体和杂质。如上文所述，一定含量的残余奥氏体有助于抑制成型件裂纹的扩展。

在一个实施例中，以重量含量计，残余奥氏体包含2％到5.5％的碳。如上文所述，残余奥氏体的含碳量如此高，有助于提高残余奥氏体的稳定性，防止其发生马氏体相变。优选地，残余奥氏体的尺寸10纳米到500纳米，更优选为10纳米到50纳米。此外，残余奥氏体的形貌大体为膜状。这也有助于提高成型件的力学性质。

在一个实施例中，成型件的硬度在64HRC到69HRC之间，平面断裂韧性在16MPa.m^1/2到28MPa.m^1/2之间。平面断裂韧性用于表征成型件在受到外力作用下，成型件抵抗裂纹扩展、断裂的能力，吸收变形能量的能力。平面断裂韧性越高，则成型件的阻碍裂纹扩展的能力越好。

在一个实施例中，成型件为轴承的套圈、外圈、内圈、滚动体和保持架组成的组中的任意一个或多个。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的钢材中含有较多的碳和铝。在使用本发明的钢材制备的成型件中含有较多的马氏体和较多的残余奥氏体，残余奥氏体也非常稳定，因此成型件具有非常高的硬度，并且在外力冲击下也不会产生裂纹。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的试样1-1的微观组织照片；

图2是根据本发明的试样2-1的微观组织照片；

图3是根据本发明的试样3-1的微观组织照片；

图4是根据本发明的试样4-1的微观组织照片；以及

图5是根据本发明的试样5-1的微观组织的照片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

首先来说明钢材的钢材成分，以下各个钢材元素的含量均是以重量计。

C：1.22-1.6％

碳是最便宜的强化元素，其可以通过间隙固溶以及弥散强化的方式来提高钢的硬度。当碳含量低于1.22％时，在奥氏体化过程中，渗碳体完全溶解就去奥氏体之后会有部分铁素体剩余，这会降低钢材的硬度及恶化钢材韧性；且较低的碳含量不利于提高马氏体的硬度。碳含量高于1.6％时，碳会增大形成网状碳化物的倾向而使钢材以及由钢材制备的轴承因组织遗传造成的组织不均匀性而恶化轴承使用性能。所以，碳含量的范围是1.22-1.6％。在这种范围中，在奥氏体化过程中，不会有铁素体剩余，并且碳化物只能弥散分布，而不是形成网状碳化物。这种弥散分布的碳化物可以有效地提高钢材的硬度和强度。

Al：4-8％

铝是本发明的钢材中的重要元素。铝是轻量元素，其密度很低，接近于铁的1/3，因此通过使用铝置换铁可以降低钢材的密度，从而达到降低重量的目的。通常而言，提高马氏体中碳含量是提高钢材硬度的最经济最实用的方法，但碳含量的提高会导致马氏体相变温度降低，从而降低淬火热处理得到的马氏体体积分数，进而降低材料硬度，因此简单提高碳含量不能提高轴承钢硬度。在本发明的钢材中，铝会提高马氏体相变温度点，使得提高碳含量的情况下因铝的添加确保了钢材的马氏体转变温度大体保持不变，由此马氏体的含量不会减少，因此可确保本发明钢材进行热处理后达到高硬度。另一方面，在低温热处理过程(即本发明的贝氏体相变过程)中，因铝可抑制碳转变成渗碳体或碳化物。这样，本发明钢材在贝氏体相变过程中会发生碳向奥氏体中富集，使得残余奥氏体中的碳含量大幅提高。奥氏体的高含碳量又反过来抑制了奥氏体发生贝氏体相变。由此，Al使得本发明的钢材可被制成含有较大量的残余奥氏体，并且残余奥氏体含碳量也较高的制品。此外，通过贝氏体相变可获得超细的残余奥氏体组织，且添加铝可还可提高贝氏体相变速度，有利于缩短贝氏体相变的时间。铝含量过低，不能充分实现上述作用，因此铝的下限为4％。高于8％的铝会在钢材中形成脆性的Fe-Al合金化合物，恶化材料性能。因此，铝的上限定为8％。

Cr：0.5-2％

铬能提高淬透性和耐腐蚀性，是本发明的钢材的重要合金元素。铬可提高钢材淬透性。铬可在轴承钢中形成高硬度的铬碳化物或者形成富铬渗碳体以改善轴承钢中碳化物的性能，提高轴承钢的硬度和抗滚动接触疲劳性能。铬的含量过低不能启动足够的上述作用，所以铬含量的下限是0.5％。铬含量过高会降低钢材的共析碳含量而增加生成网状碳化物的趋势；过高铬含量降低马氏体相变温度而降低马氏体分数，同时降低马氏体含量降低马氏体硬度，因此导致钢材硬度的降低。此外，铬含量过高会显著提高钢的脆性转变温度。因此，铬含量的上限是2％。

Mn：0.1-1.5％

锰能提高钢材淬透性。但锰会降低钢材的共析碳含量而增加生成网状碳化物的趋势；高的锰含量降低马氏体相变温度而降低马氏体分数，同时降低马氏体中含量降低马氏体硬度，因此导致钢材硬度的降低。此外，锰含量过高会显著提高钢的脆性转变温度，且钢材的过热敏感性和生成裂纹的倾向也会增强。而炼钢过程中钢水中均含有一定的锰，因此锰的含量限制为0.1-1.5％。

Si：小于等于0.7％

在钢材中，硅会使钢的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向性增大，炼钢过程中的钢水均含有Si，将Si含量控制在较低水平会导致成本增加。所以，将硅的含量控制在少于等于0.7％。

Mo、W：1.0％以下

Mo、W提高钢材的淬透性可有效提高钢的强度，也是碳化物形成元素，有助于形成高硬度的碳化物，提高钢材硬度。当其含量大于1.0％的情况下，不能进一步提高钢材的硬度，反而会增加成本。

Ti、Nb、Zr、V：0.2％以下

Ti、Nb、Zr和V可以使钢材的晶粒细化并且提高强度。Ti、Nb、Zr和V的含量过低则起不到作用，而大于0.2％则会增加不必要的成本。

Cu：2.0％以下，Ni：4％以下

Cu能提高强度，特别是大气腐蚀性能。但是，如果Cu的含量大于2.0％，则加工性会劣化，例如热轧过程可形成液相而导致开裂，另外还会导致不必要的成本增加。Ni能提高钢的强度，并且保持良好的塑性和韧性。如果Ni的浓度大于4.0％则会带来成本增加。

应理解的是，对于本申请的钢材而言，上述的Mo、W、Ti、Nb、Zr、V、Cu以及Ni并不是必须的合金元素。

表1显示了根据本发明的一些钢材的成分，余量为铁和杂质。在表1中还列出了钢材的共析碳含量。此外，在表1中的试样6是现有技术中的GCr15的成分和共析碳含量。

表1

试样	C	Al	Cr	Mn	Si	共析碳含量
							1	1.25	4.98	1.48	0.38	0.25	1.25
2	1.26	5.1	1.51	0.32	0.24	1.25
							3	1.38	6	1.45	0.36	0.22	1.32
4	1.45	7	1.45	0.36	0.22	1.41
							5	1.5	7	1.55	0.34	0.23	1.41
6	1.07	0.02	1.3	0.41	0.21	0.5

对表1中的试样1、2、3、4和5分别制备了多个小试样，并分别进行了热处理，表征了热处理后的小试样的力学性能，如表2所示。

表2

现有技术中的GCr15轴承钢的硬度在62HRC左右，平面断裂韧性在16.9MPa.m^1/2左右。由表2可知，与现有技术中的GCr15轴承钢相比，本发明的成型件具有更好的综合力学性能。此外，经测试，这些试样的压缩强度在3200MPa到3500MPa之间。由此可见，根据本发明的成型件的抗压能力也非常好。

表3显示了多个小试样的微观组织的体积含量。为了进一步地说明，图1到5分别显示了经热处理后的小试样1-1、2-1、3-1、4-1和5-1的微观组织。在图中，附图标记α’为马氏体、α_b为贝氏体、γ为残余奥氏体、θ为渗碳体。

表3

试样	马氏体(％)	残余奥氏体(％)	贝氏体(％)	渗碳体(％)
					1-1	88	8	3.2	0
1-2	87.5	7.9	4.2	0
					1-3	90	7	2.8	0
1-4	90	6.5	3.2	0
					1-5	86	9.3	4	0
1-6	87	8.5	3.8	0
					2-1	85.5	9.1	5	0
2-2	86	9.6	4.5	0
					3-1	80	10	3.2	3.9
3-2	81.7	10	3	2.5
					4-1	80	9	2.8	4.8
4-2	82	10	3.5	4.2
					5-1	83	9.6	2.3	4.5
5-2	80	9.5	2.5	5

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于制造轴承的钢材，其特征在于，以重量含量计，所述钢材包括1.22-1.6％的C、0.5-2％的Cr、4-8％的Al、0.1-1.5％的Mn以及小于等于0.7％的Si，余量为Fe和杂质。

2.如权利要求1所述的钢材，其特征在于，以重量含量计，还包括由以下元素组成的组中的至少一种：

1.0％以下的Mo；

1.0％以下的W；

0.05％以下的Ti；

0.2％以下的Nb；

0.2％以下的Zr；

0.2％以下的V；

2.0％以下的Cu；以及

4.0％以下的Ni。

3.一种对根据权利要求1或2所述的用于制造轴承的钢材进行热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将所述钢材进行马氏体相变；

步骤二：将进行马氏体相变后的钢材进行贝氏体相变；以及

步骤三：冷却到室温。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述马氏体相变的加热温度为800℃到950℃，保温时间为10分钟到300分钟。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述马氏体相变的冷却步骤为冷却到室温到零下196℃之间的温度，冷却时间为0.5分钟到300分钟。

6.如权利要求3到5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述贝氏体相变的加热温度为150℃到250℃，保温时间为2小时到240小时，优选为6小时到140小时。

7.一种成型件，其由权利要求1或2所述的用于制造轴承的钢材，经权利要求3到6中任一项所述的对钢材进行热处理的方法进行热处理而得到，

其中，以体积含量计，所述成型件的微观组织包括：4％至10％的残余奥氏体，80％至90％的马氏体，以及5％以下的碳化物，余量为贝氏体和杂质。

8.如权利要求7所述成型件，其特征在于，以重量含量计，所述残余奥氏体包含2％到5.5％的碳。

9.如权利要求7或8所述成型件，其特征在于，所述成型件的硬度在64HRC到69HRC之间，平面断裂韧性在16MPa.m^1/2到28MPa.m^1/2之间。

10.如权利要求7至9中任一项所述成型件，其特征在于，所述成型件为轴承的套圈、外圈、内圈、滚动体和保持架组成的组中的任意一个或多个。