CN105673706A - 一种耐磨耐腐蚀轴承 - Google Patents

一种耐磨耐腐蚀轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐磨耐腐蚀轴承，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°。轴承内圈组分按重量百分比包括：C：0.55～0.65％，Si：0.20～0.40％，N：0.15～0.25％，B：0.10～0.20％，V：0.30～0.45％，W：0.10～0.20％，Mo：0.20～0.23％，Nb：0.08～0.12％，Al：0.25～0.35％，Cr：3.00～3.50％，Y：0.12～0.15％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。

Description

一种耐磨耐腐蚀轴承
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种耐磨耐腐蚀轴承。
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，本发明提出了一种耐磨耐腐蚀轴承，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。
本发明提出的一种耐磨耐腐蚀轴承，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，轴承内圈的组分按重量百分比包括：C：0.55～0.65％，Si：0.20～0.40％，N：0.15～0.25％，B：0.10～0.20％，V：0.30～0.45％，W：0.10～0.20％，Mo：0.20～0.23％，Nb：0.08～0.12％，Al：0.25～0.35％，Cr：3.00～3.50％，Y：0.12～0.15％，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。
氮(N)：作为奥氏体形成元素，储量丰富，价格便宜，还因为氮是一种固溶强化元素，其强化能力与碳相当，能提高奥氏体不绣钢的耐蚀性，随氮含量的增加，钢的强度提高了，但韧性并没有降低，不锈钢中碳含量的增加，晶界处会析出粗大的Cr23C6从而使钢的韧性恶化，但是氮的加入能避免这种情况而只是在晶界周围形成细小弥散的氮化物，因而不会影响韧性。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
钇(Y)：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。
优选地，轴承内圈的组分中，C元素、N元素、Cr元素的含量满足如下关系：100×nCr＝[100×(nC+nN)]2+2.55，其中nC、nN、nCr分别表示C元素、N元素、Cr元素在轴承内圈的组分中所占重量百分比。
优选地，轴承内圈的组分中，V元素、Mo元素、Nb元素、Y元素的含量满足如下关系：100×nV＝[100×(nMo+nNb+nY)]2+0.15，其中nV、nMo、nNb、nY分别表示V元素、Mo元素、Nb元素、Y元素在轴承内圈的组分中所占重量百分比。
优选地，轴承内圈的制备工艺包括：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。
优选地，奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的内圈坯体升温至600～630℃，保温2～3h，接着以1～1.5℃/min的升温速度升温至820～850℃，保温1～2h，然后冷却至780～820℃，再以0.5～1℃/min的升温速度升温至920～935℃，保温3～4h。
优选地，等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的内圈坯体以3～5℃/min的降温速度冷却至480～500℃，然后置于硝盐盐浴中保温60～80min，硝酸盐盐浴的温度为280～300℃，然后空冷。
优选地，回火的具体操作如下：将等温淬火后的内圈坯体升温至160～180℃，保温2～3h。
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；本发明提高氮含量，提高了自由电子数量，从而使本发明金属键越强，有利于合金元素更均匀分布，从而增强本发明强度和稳定性。
氮元素和碳元素作为间隙原子，在bcc点阵中，二者进入四面体间隙，在fcc点阵中，它们存在于八面体间隙，虽然氮原子的原子半径比碳小，但氮在奥氏体中产生的晶格膨胀更大，氮原子对位错的钉扎作用比碳原子更强，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；而且氮元素可使M23C6碳化物的形成速度减慢，抑制析出相的粗化，可以形成细小弥散的氮化物或碳氮化物从而提高钢的强度和耐磨性；由于钢中大块状的碳化物，破坏基体的连续性，成为疲劳的裂纹源，大大降低接触疲劳寿命，碳和铬形成的大块状共晶富铬碳化物Cr23C6导致晶间贫络，从而产生晶间腐蚀和降低接触疲劳寿命，本发明通过在高温下析出稳定的氮化物，从而抑制了低温下Cr23C6的析出形核或者生长。
钒元素、钼元素、铌元素、钇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；
而内圈的制备工艺中，在奥氏体化处理中，采用冷却后再升温的方式和控制升温速度，使内圈的表面和中心温度维持一致，使内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耐磨耐腐蚀轴承的截面图。
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耐磨耐腐蚀轴承的截面图。
参照图1，本发明提出的一种耐磨耐腐蚀轴承，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°。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.55％，Si：0.40％，N：0.15％，B：0.20％，V：0.3349％，W：0.10％，Mo：0.23％，Nb：0.08％，Al：0.35％，Cr：3.04％，Y：0.12％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承内圈3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：将浇注得到的内圈坯体升温至630℃，保温2h，接着以1.5℃/min的升温速度升温至820℃，保温2h，然后冷却至780℃，再以1℃/min的升温速度升温至920℃，保温4h；
等温淬火：将奥氏体化处理后的内圈坯体以3℃/min的降温速度冷却至500℃，然后置于硝盐盐浴中保温60min，硝酸盐盐浴的温度为300℃，然后空冷；
回火：将等温淬火后的内圈坯体升温至160℃，保温3h。
实施例2
本发明提出的一种耐磨耐腐蚀轴承，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°。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.65％，Si：0.20％，N：0.25％，B：0.10％，V：0.3709％，W：0.20％，Mo：0.20％，Nb：0.12％，Al：0.25％，Cr：3.36％，Y：0.15％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承内圈3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：将浇注得到的内圈坯体升温至600℃，保温3h，接着以1℃/min的升温速度升温至850℃，保温1h，然后冷却至820℃，再以0.5℃/min的升温速度升温至935℃，保温3h；
等温淬火：将奥氏体化处理后的内圈坯体以5℃/min的降温速度冷却至480℃，然后置于硝盐盐浴中保温80min，硝酸盐盐浴的温度为280℃，然后空冷；
回火：将等温淬火后的内圈坯体升温至180℃，保温2h。
实施例3
本发明提出的一种耐磨耐腐蚀轴承，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°。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.58％，Si：0.35％，N：0.18％，B：0.18％，V：0.3436％，W：0.13％，Mo：0.22％，Nb：0.09％，Al：0.32％，Cr：3.1276％，Y：0.13％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承内圈3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：将浇注得到的内圈坯体升温至620℃，保温2.2h，接着以1.3℃/min的升温速度升温至830℃，保温1.8h，然后冷却至790℃，再以0.8℃/min的升温速度升温至925℃，保温3.5h；
等温淬火：将奥氏体化处理后的内圈坯体以3.5℃/min的降温速度冷却至495℃，然后置于硝盐盐浴中保温65min，硝酸盐盐浴的温度为295℃，然后空冷；
回火：将等温淬火后的内圈坯体升温至165℃，保温2.8h。
实施例4
本发明提出的一种耐磨耐腐蚀轴承，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°。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.62％，Si：0.25％，N：0.22％，B：0.12％，V：0.3525％，W：0.17％，Mo：0.21％，Nb：0.10％，Al：0.28％，Cr：3.2556％，Y：0.14％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
轴承内圈3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：将浇注得到的内圈坯体升温至610℃，保温2.8h，接着以1.2℃/min的升温速度升温至840℃，保温1.5h，然后冷却至800℃，再以0.6℃/min的升温速度升温至930℃，保温3.3h；
等温淬火：将奥氏体化处理后的内圈坯体以4.5℃/min的降温速度冷却至485℃，然后置于硝盐盐浴中保温75min，硝酸盐盐浴的温度为285℃，然后空冷；
回火：将等温淬火后的内圈坯体升温至175℃，保温2.5h。
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 (8)

1.一种耐磨耐腐蚀轴承，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°。
2.根据权利要求1所述耐磨耐腐蚀轴承，其特征在于，轴承内圈(3)的组分按重量百分比包括：C：0.55～0.65％，Si：0.20～0.40％，N：0.15～0.25％，B：0.10～0.20％，V：0.30～0.45％，W：0.10～0.20％，Mo：0.20～0.23％，Nb：0.08～0.12％，Al：0.25～0.35％，Cr：3.00～3.50％，Y：0.12～0.15％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述耐磨耐腐蚀轴承，其特征在于，轴承内圈(3)的组分中，C元素、N元素、Cr元素的含量满足如下关系：100×nCr＝[100×(nC+nN)]2+2.55，其中nC、nN、nCr分别表示C元素、N元素、Cr元素在轴承内圈(3)的组分中所占重量百分比。
4.根据权利要求2或3所述耐磨耐腐蚀轴承，其特征在于，轴承内圈(3)的组分中，V元素、Mo元素、Nb元素、Y元素的含量满足如下关系：100×nV＝[100×(nMo+nNb+nY)]2+0.15，其中nV、nMo、nNb、nY分别表示V元素、Mo元素、Nb元素、Y元素在轴承内圈(3)的组分中所占重量百分比。
5.根据权利要求1-4任一项所述耐磨耐腐蚀轴承，其特征在于，轴承内圈(3)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。
6.根据权利要求5所述耐磨耐腐蚀轴承，其特征在于，奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的内圈坯体升温至600～630℃，保温2～3h，接着以1～1.5℃/min的升温速度升温至820～850℃，保温1～2h，然后冷却至780～820℃，再以0.5～1℃/min的升温速度升温至920～935℃，保温3～4h。
7.根据权利要求5或6所述耐磨耐腐蚀轴承，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内圈坯体以3～5℃/min的降温速度冷却至480～500℃，然后置于硝盐盐浴中保温60～80min，硝酸盐盐浴的温度为280～300℃，然后空冷。
8.根据权利要求5-7任一项所述耐磨耐腐蚀轴承，其特征在于，回火的具体操作如下：将等温淬火后的内圈坯体升温至160～180℃，保温2～3h。
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