CN105757124A - 一种高韧性高硬度滚动轴承 - Google Patents

一种高韧性高硬度滚动轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高韧性高硬度滚动轴承，包括轴承外圈、滚动体、轴承内圈，轴承内圈的外滚道面包括三个向轴承内圈的外侧突出的凸起部，三个凸起部依次连接，在相邻两个凸起部的连接处形成凹部；凸起部和凹部均为弧线；三个凸起部沿轴承内圈的周向均匀分布在所述外滚道面上。轴承内圈的组分按重量百分比包括：C：0.6～0.7％，Si：0.15～0.35％，N：0.4～0.5％，B：0.09～0.12％，Mn：0.3～0.4％，V：0.1～0.2％，W：0.1～0.15％，Mo：0.18～0.22％，Nb：0.12～0.15％，Al：0.22～0.26％，Cr：3～4％，Ce：0.07～0.10％，余量为Fe。

Description

一种高韧性高硬度滚动轴承
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种高韧性高硬度滚动轴承。
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。
现有轴承材料晶粒度低，接触疲劳强度低，耐磨性差，寿命可靠性较差，越来越难以满足对于高可靠性、高舒适性的机械零部件发展需求。
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韧性高硬度滚动轴承，硬度高，韧性和耐磨性能优异，接触疲劳性能良好，使用寿命长。
本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承，包括轴承外圈、滚动体、轴承内圈，轴承内圈的外滚道面包括三个向轴承内圈的外侧突出的凸起部，三个凸起部依次连接，在相邻两个凸起部的连接处形成凹部；凸起部和凹部均为弧线；三个凸起部沿轴承内圈的周向均匀分布在所述外滚道面上。
优选地，轴承内圈的组分按重量百分比包括：C：0.6～0.7％，Si：0.15～0.35％，N：0.4～0.5％，B：0.09～0.12％，Mn：0.3～0.4％，V：0.1～0.2％，W：0.1～0.15％，Mo：0.18～0.22％，Nb：0.12～0.15％，Al：0.22～0.26％，Cr：3～4％，Ce：0.07～0.10％，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。
锰(Mn)：可以扩大奥氏体区，增强了奥氏体的稳定性；固溶在基体和碳化物中，可以强化基体，提高硬度，提高基体的淬透性。但是，较高的含锰量会引起晶粒粗大，且极易富集到共晶团的边界形成珠光体或碳化物。严重时碳化物形成网状，极大地影响了材料的韧性。
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。
铈(Ce)：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+2.2，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，Si元素、W元素、Mo元素的含量满足如下关系：100×nSi＝200×(nMo-nw)+0.1，其中nSi、nw、nMo分别表示Si元素、W元素、Mo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；其中回火的温度为220～230℃，回火的时间为1.5～2.2h。
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以3～4℃/min的升温速率升温至710～740℃，保温3～4h，再以1.7～2℃/min的升温速率升温至820～850℃，保温1.5～2h，然后以1.2～1.5℃/min的升温速率升温至930～960℃，保温1.7～2h，接着以0.5～0.8℃/min的升温速率升温至1000～1030℃，保温2～3h。
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冷却至550～565℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温1.8～2.5h，硝酸盐盐浴的温度为350～360℃，然后空冷。
本发明硬度高，韧性和耐磨性能优异，接触疲劳性能良好，使用寿命长；本发明通过提高氮含量，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，使内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。钨元素、钼元素和铬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；硅元素、钨元素、钼元素相互配合，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，使内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；内圈的制备工艺中采用等温淬火，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，大幅度提高内圈的韧性，从而满足轴承的实际需求，然后通过低温回火，降低内圈的淬火残留应力和脆性，进一步提高内圈的硬度和耐磨性。
附图说明
图1为本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承的剖视图。
图2为本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承的内圈结构示意图。
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和图2所示，图1为本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承的剖视图，图2为本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承的内圈结构示意图。
参照图1和图2，本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承，包括轴承外圈1、滚动体2、轴承内圈3，轴承内圈3的外滚道面包括三个向轴承内圈3的外侧突出的凸起部31，三个凸起部31依次连接，在相邻两个凸起部31的连接处形成凹部32；凸起部31和凹部32均为弧线；三个凸起部31沿轴承内圈3的周向均匀分布在所述外滚道面上。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.6％，Si：0.16％，N：0.5％，B：0.09％，Mn：0.4％，V：0.1％，W：0.15％，Mo：0.18％，Nb：0.15％，Al：0.22％，Cr：3.41％，Ce：0.10％，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，等温淬火，回火；其中回火的温度为220℃，回火的时间为2.2h。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的内圈坯体以3℃/min的升温速率升温至740℃，保温3h，再以2℃/min的升温速率升温至820℃，保温2h，然后以1.2℃/min的升温速率升温至960℃，保温1.7h，接着以0.8℃/min的升温速率升温至1000℃，保温3h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的内圈坯体冷却至550℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温2.5h，硝酸盐盐浴的温度为350℃，然后空冷。
实施例2
本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承，包括轴承外圈1、滚动体2、轴承内圈3，轴承内圈3的外滚道面包括三个向轴承内圈3的外侧突出的凸起部31，三个凸起部31依次连接，在相邻两个凸起部31的连接处形成凹部32；凸起部31和凹部32均为弧线；三个凸起部31沿轴承内圈3的周向均匀分布在所述外滚道面上。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.7％，Si：0.34％，N：0.4％，B：0.12％，Mn：0.3％，V：0.2％，W：0.1％，Mo：0.22％，Nb：0.12％，Al：0.26％，Cr：3.41％，Ce：0.07％，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，等温淬火，回火；其中回火的温度为230℃，回火的时间为1.5h。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的内圈坯体以4℃/min的升温速率升温至710℃，保温4h，再以1.7℃/min的升温速率升温至850℃，保温1.5h，然后以1.5℃/min的升温速率升温至930℃，保温2h，接着以0.5℃/min的升温速率升温至1030℃，保温2h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的内圈坯体冷却至565℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温1.8h，硝酸盐盐浴的温度为360℃，然后空冷。
实施例3
本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承，包括轴承外圈1、滚动体2、轴承内圈3，轴承内圈3的外滚道面包括三个向轴承内圈3的外侧突出的凸起部31，三个凸起部31依次连接，在相邻两个凸起部31的连接处形成凹部32；凸起部31和凹部32均为弧线；三个凸起部31沿轴承内圈3的周向均匀分布在所述外滚道面上。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.62％，Si：0.16％，N：0.47％，B：0.1％，Mn：0.36％，V：0.12％，W：0.13％，Mo：0.19％，Nb：0.14％，Al：0.23％，Cr：3.3881％，Ce：0.09％，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，等温淬火，回火；其中回火的温度为222℃，回火的时间为2h。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的内圈坯体以3.2℃/min的升温速率升温至730℃，保温3.5h，再以1.9℃/min的升温速率升温至830℃，保温1.8h，然后以1.3℃/min的升温速率升温至950℃，保温1.8h，接着以0.7℃/min的升温速率升温至1010℃，保温2.6h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的内圈坯体冷却至555℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温2.2h，硝酸盐盐浴的温度为353℃，然后空冷。
实施例4
本发明提出的一种高韧性高硬度滚动轴承，包括轴承外圈1、滚动体2、轴承内圈3，轴承内圈3的外滚道面包括三个向轴承内圈3的外侧突出的凸起部31，三个凸起部31依次连接，在相邻两个凸起部31的连接处形成凹部32；凸起部31和凹部32均为弧线；三个凸起部31沿轴承内圈3的周向均匀分布在所述外滚道面上。
轴承内圈3的组分按重量百分比包括：C：0.68％，Si：0.28％，N：0.43％，B：0.11％，Mn：0.34％，V：0.18％，W：0.12％，Mo：0.21％，Nb：0.13％，Al：0.25％，Cr：3.4321％，Ce：0.08％，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，等温淬火，回火；其中回火的温度为228℃，回火的时间为1.8h。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注得到的内圈坯体以3.5℃/min的升温速率升温至720℃，保温3.8h，再以1.8℃/min的升温速率升温至840℃，保温1.6h，然后以1.4℃/min的升温速率升温至940℃，保温1.9h，接着以0.6℃/min的升温速率升温至1020℃，保温2.2h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后的内圈坯体冷却至560℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温2h，硝酸盐盐浴的温度为356℃，然后空冷。
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 (7)

1.一种高韧性高硬度滚动轴承，其特征在于，包括轴承外圈(1)、滚动体(2)、轴承内圈(3)，轴承内圈(3)的外滚道面包括三个向轴承内圈(3)的外侧突出的凸起部(31)，三个凸起部(31)依次连接，在相邻两个凸起部(31)的连接处形成凹部(32)；凸起部(31)和凹部(32)均为弧线；三个凸起部(31)沿轴承内圈(3)的周向均匀分布在所述外滚道面上。
2.根据权利要求1所述高韧性高硬度滚动轴承，其特征在于，轴承内圈(3)的组分按重量百分比包括：C：0.6～0.7％，Si：0.15～0.35％，N：0.4～0.5％，B：0.09～0.12％，Mn：0.3～0.4％，V：0.1～0.2％，W：0.1～0.15％，Mo：0.18～0.22％，Nb：0.12～0.15％，Al：0.22～0.26％，Cr：3～4％，Ce：0.07～0.10％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
3.根据权利要求2所述高韧性高硬度滚动轴承，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+2.2，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所述高韧性高硬度滚动轴承，其特征在于，轴承内圈(3)的组分中，Si元素、W元素、Mo元素的含量满足如下关系：100×nSi＝200×(nMo-nw)+0.1，其中nSi、nw、nMo分别表示Si元素、W元素、Mo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任一项所述高韧性高硬度滚动轴承，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；其中回火的温度为220～230℃，回火的时间为1.5～2.2h。
6.根据权利要求5所述高韧性高硬度滚动轴承，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以3～4℃/min的升温速率升温至710～740℃，保温3～4h，再以1.7～2℃/min的升温速率升温至820～850℃，保温1.5～2h，然后以1.2～1.5℃/min的升温速率升温至930～960℃，保温1.7～2h，接着以0.5～0.8℃/min的升温速率升温至1000～1030℃，保温2～3h。
7.根据权利要求5或6所述所述高韧性高硬度滚动轴承，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冷却至550～565℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温1.8～2.5h，硝酸盐盐浴的温度为350～360℃，然后空冷。
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