CN108486468A - 一种高碳低合金轴承钢套圈及其热处理工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于轴承钢生产技术领域，具体为一种高碳低合金轴承钢套圈，其成分按重量百分计，包括C：0.98％‑1.04％；Si：0.17％‑0.28％；Mn：0.22％‑0.30％；Cr：0.42％‑0.50％；P：≤0.015％；S：≤0.015％；Ni：≤0.05％；Cu：≤0.05％；Mo：≤0.05％；O：≤0.0012％，余量为Fe。同时还提供基于此轴承钢套圈的热处理工艺方法，依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。该方法解决了以往工艺所造成的产品硬度不均，存在软点，表面麻坑，及批量开裂问题。

Description

一种高碳低合金轴承钢套圈及其热处理工艺方法
技术领域
本发明属于轴承钢产品技术领域，具体涉及一种高碳低合金轴承钢套圈，同时还提供基于此轴承钢套圈的热处理工艺方法。
背景技术
随着汽车行业及机械行业的不断发展壮大，对于轴承套圈的需求不断增加，对其使用性能也日渐严苛。要求有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。因此对钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等都要求十分严格。
大型制件由于需要外硬里韧的特殊要求，而该钢由于淬透性较低，淬火时奥氏体极易发生珠光体转变，要充分发挥钢的优越性能，必须采用完善的感应穿透加热-表面淬火处理技术。淬火工艺中的预热工序和直接喷水淬火是重要的工艺因素。感应加热和淬火专用设备，整套设备比较昂贵，而且适合品种少、批量大的套圈淬火。小型制件由于需要内外均具有相当程度的硬度和耐磨性能，而且使用级别相对低端，故而若采用感应加热-表面淬火技术，对整条热处理线加以改造的投入确实耗资较大，提高了工艺的难度，增大了工序的成本，难以实现大范围推广。由于用户基本上都是采用常规热处理装备，若采用与高碳铬轴承钢相同的热处理工艺，由于油淬有效淬透深度低，尺寸变形较大，极易造成淬火硬度低且不均，存在软点等缺点。而盐水淬火又易裂，导致大量废品出现。基于以上情况，有必要摸索一种适合的热处理工艺，从而达到满足使用效果而且降低成本的目的。
发明内容
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提供一种高碳低合金结构钢套圈以及基于该钢套圈的热处理工艺方法，经过该热处理工艺处理的高碳低合金套圈硬度高且均匀，完全适用于农用汽车及普通机械用小型轴承套圈。
本专利的技术解决方案是首先提供了一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：0.98％-1.04％；Si：0.17％-0.28％；Mn：0.22％-0.30％；Cr：0.42％-0.50％；P：≤0.015％；S：≤0.015％；Ni：≤0.05％；Cu：≤0.05％；Mo：≤0.05％；O：≤0.0012％，余量为Fe。
对该钢种的Mn、Cr等合金成分进行了调整，逼近合金上限，旨在标准成分允许范围内，适当提高该钢种的淬透性及抗氧化脱碳性及耐腐蚀性。进一步地，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.00％；Si：0.23％；Mn：0.27％；Cr：0.47％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：≤0.02％；Cu：≤0.02％；Mo：≤0.02％；O：≤0.0010％，余量为Fe。
进一步地，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：0.98％；Si：0.28％；Mn：0.22％；Cr：0.50％；；P：0.011％；S：0.004％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0008％，余量为Fe。
进一步地，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.04％；Si：0.17％；Mn：0.30％；Cr：0.42％P：0.009％；S：0.006％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0007％，余量为Fe。
进一步地，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.00％；Si：0.24％；Mn：0.26％；Cr：0.49％；P：0.011％；S：0.004％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0007％，余量为Fe。
进一步地，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.01％；Si：0.23％；Mn：0.27％；Cr：0.48％；P：0.009％；S：0.006％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0008％，余量为Fe。
现有的该结构钢用户的普遍生产工艺中，普通的油淬热处理工艺通常都是在抛丸之后呈现表面质量不佳状况，出现大量麻坑，说明表面存在硬度软点，且硬度分布不均。
根据本发明的另一方面还提供了针对此轴承钢套圈的热处理工艺方法，采用上述任一的化学组分的轴承钢棒材，依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。
进一步地，所述锻造工艺中，终锻之后利用锻后余热正火，采用风机强力风冷，冷却至500℃-545℃停风堆冷，利用余温回火，预防裂纹产生，全程以表面温度计实时测量。
进一步地，球化退火工艺中加热温度780℃，保温时间1-2h，快冷到700℃进行等温，等温时间3-4h，然后炉冷至600℃空冷，采用托辊式煤气加热炉或工业热处理电炉。
进一步地，所述的淬回火中，采用720℃预热20min,加热到840℃并保温20-25min，出炉迅速采用盐水冷却，冷却后转移到油池中进行油冷，取出进行回火，回火温度160℃，保温1.5-2h,自然冷却到室温。
进一步地，盐水浓度为6-7％，盐水温度为20-40℃，冷却时间按3.5-4.5s/10mm。
进一步地，油池中油温为75-80℃，冷却时间5-10min,使得工件温度降至Ms-100℃取出，Ms是指马氏体开始转变温度，对于这个钢种来说，大概在220度左右。
进一步地，冷却过程采用特制的摇筐使工件在其中冷却并加以搅拌。
本技术方案的优势在于：化学成分的设计及窄成分的控制，成分的稳定性有利于热处理组织转变的稳定。同时热处理工艺的改进，达到适合的硬度和耐磨性要求。通过采用以上热处理工艺，解决了以往工艺所造成的硬度不均，存在软点，表面麻坑，及批量开裂问题。套圈环面硬度分布均匀，无明显脱碳层，满足了用户的使用要求，同时相比感应加热、表面淬回火工艺明显降低成本，与常规锻后空冷单液淬火工艺相比也无明显成本增加。
该结构钢适用范围为农用汽车及普通机械用的小型轴承套圈，套圈壁厚较薄，基本都在13mm以下。考虑到该结构钢淬透性差，淬火难度大及后续加工变形等因素，采用本方法的套圈壁厚控制范围应尽量参照此规格，而且使用效果最好的是在没有油沟挡边的圆柱轴承内套上。
附图说明
图1为采用单液油淬的钢套圈产品表面质量示意图；
图2为单液油淬并经二次补充淬火的钢套圈产品示意图；
图3为单液盐淬钢套圈产品示意图；
图4为采用盐、油双液淬火钢套圈产品实例照片；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本方案提供了一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：0.98％-1.04％；Si：0.17％-0.28％；Mn：0.22％-0.30％；Cr：0.42％-0.50％；P：≤0.015％；S：≤0.015％；Ni：≤0.05％；Cu：≤0.05％；Mo：≤0.05％；O：≤0.0012％，余量为Fe。
作为方案的改进，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.00％；Si：0.23％；Mn：0.27％；Cr：0.47％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：≤0.02％；Cu：≤0.02％；Mo：≤0.02％；O：≤0.0010％，余量为Fe。
作为方案的改进，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：0.98％；Si：0.28％；Mn：0.22％；Cr：0.50％；P：0.011％；S：0.004％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0008％，余量为Fe。
作为方案的改进，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.04％；Si：0.17％；Mn：0.30％；Cr：0.42％；P：0.009％；S：0.006％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0007％，余量为Fe。
作为方案的改进，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.00％；Si：0.24％；Mn：0.26％；Cr：0.49％；P：0.011％；S：0.004％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0007％，余量为Fe。
作为方案的改进，按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.01％；Si：0.23％；Mn：0.27％；Cr：0.48％；P：0.009％；S：0.006％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0008％，余量为Fe。
根据本发明的另一方面还提供了针对此轴承钢套圈的热处理工艺方法，采用采用上述的化学组分的轴承钢棒材，依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。
该结构钢常规的套圈锻造加热温度为1100℃左右，经反复镦粗、碾环后，其终锻温度为800-900℃，一般都采用堆放空冷方式冷却。冷却速度较慢，碳化物在此温度区间沿晶界大量析出，往往会导致不同程度的网状碳化物产生。若能加大冷却速度，利用锻后余热快冷造成余热正火效果，抑制网状碳化物的形成，不但有利于组织的均匀性，还能有效缩短随后的球化处理时间。作为方案的改进，所述锻造工艺中，终锻之后利用锻后余热正火，采用风机强力风冷，冷却至500-545℃停风堆冷，利用余温回火，预防裂纹产生，全程以表面温度计实时测量。
作为方案的改进，所述的球化退火工艺中加热温度780℃，保温时间1-2h，随后快冷到700℃进行等温，等温时间3-4h，然后炉冷至600℃空冷。
常规的球化退火工艺中，该钢种的Ac1为740℃，Ar1为715℃，Ms为220℃，而高碳铬轴承钢的Ac1为760℃，Acm为900℃，Ar1为695℃，Ms为216-225℃，通常设计的淬回火热处理的工艺方案为840-860℃加热，油冷或者3％NaCl溶液淬火，由于该结构钢淬透性差，参考图1-2，普通的油冷难以满足大于临界冷速的要求，出现产品表面有软点、整体硬度低、抛丸后易出麻坑且套圈易裂。而盐水冷却又频繁造成开裂废品，此弊端图可以参考图3。作为方案的改进，所述的淬回火中，采用720℃预热20min,加热到840℃并保温20-25min，合适的淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀。出炉采用盐水冷却，盐水浓度为6-7％，温度为20-40℃，冷却过程采用特制的摇筐使工件在其中冷却并加以搅拌，冷却时间按3.5-4.5s/10mm时间设置。参考图4，为采用盐水与油双液淬的产品质量示意图，具有表面质量较好，硬度合格，在实践中得到证实。
为控制好盐水冷却时间，要求工人以数数的方法进行控制，从工件淬入冷却介质时开始。从盐水转移到油池的时间越短越好，用专用吊具将摇筐直接吊入油池，时间控制在2-4秒以内，吊入油池后要持续搅拌，油池进行油冷，油温为75-80℃，冷却时间5-10min,使得工件温度降至Ms-100℃取出。采用高温区盐水冷却，加大650-500℃的冷却强度，同时为降低应力及减少尺寸变形，随后再进行油冷，采用盐水冷却与油池冷却在奥氏体不稳定区域快冷，而在马氏体转变区域内进行慢冷，因而组织应力与热应力都比较小。
降至室温后快速装入工业电炉回火，回火温度160℃，保温1.5-2h,自然冷却到室温。
实施例1：
一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分(质量分数，％)：其中，C：1.00；Si：0.24；Mn：0.26；Cr：0.49；P：0.011；S：0.004；Ni：0.01；Cu：0.01；Mo：0.01；O：0.0007，余量为Fe。
待处理件为9mm壁厚的结构钢含有上述化学成分组成，对其热处理工艺方法依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。具体的，
1、锻后冷却工艺：余热正火，545℃堆冷；
2、球化退火工艺：780℃保温2h，700℃等温3h，炉冷至600℃空冷；
3、淬火工艺：720℃预热20min，840℃保温20min，6％盐水(盐水温度25℃)冷却4秒，入油(油温75℃)冷却10min空冷；
4、回火工艺：160℃保温2h，出炉空冷至室温；
5、最终结果：套圈外径硬度60.4、60.5HRC，套圈内径硬度60.9、60.1HRC，硬度均≥60HRC，硬度均匀性为0.8HRC。
实施例2：
一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分(质量分数，％)：C：1.01；Si：0.23；Mn：0.27；Cr：0.48；P：0.009；S：0.006；Ni：0.01；Cu：0.01；Mo：0.01；O：0.0008，余量为Fe。
待处理件为12mm壁厚轴承钢套圈由上述化学组分组成，对其热处理工艺依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。具体的，
1、锻后冷却工艺:余热正火，534℃堆冷
2、球化退火工艺：780℃保温2h，700℃等温3.5h，炉冷至600℃空冷；
3、淬火工艺：720℃预热20min，840℃保温25min，6％盐水(盐水温度23℃)冷却5秒，入油(油温80℃)冷却10min空冷；
4、回火工艺：160℃保温2h，出炉空冷至室温；
5、最终结果：套圈外径硬度61.8、60.9HRC，套圈内径硬度61.0、61.1HRC，硬度均≥60HRC，硬度均匀性为0.9HRC。
实施例3：
一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分(质量分数，％)，C：1.00；Si：0.23；Mn：0.27；Cr：0.47；P：0.009；S：0.006；Ni：0.01；Cu：0.01；Mo：0.01；O：0.0006，余量为Fe。
待处理件为10mm壁厚轴承内套由上述化学组分组成，对其具体热处理工艺依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。具体的，
1、锻后冷却工艺:余热正火，520℃堆冷
2、球化退火工艺：780℃保温1.5h，700℃等温4h，炉冷至600℃空冷；
3、淬火工艺：720℃预热20min，840℃保温23min，6％盐水(盐水温度20℃)冷却4.5秒，入油(油温77℃)冷却8min空冷；
4、回火工艺：160℃保温2h，出炉空冷至室温；
实施例4：
一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分(质量分数，％)C：0.98；Si：0.28；Mn：0.22；Cr：0.50；P：0.011；S：0.004；Ni：0.01；Cu：0.01；Mo：0.01；O：0.0008，余量为Fe。
待处理件为11mm壁厚轴承内套由上述化学组分组成，对其具体热处理工艺：依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。具体的，
1、锻后冷却工艺:余热正火，500℃堆冷
2、球化退火工艺：780℃保温1h，700℃等温4h，炉冷至600℃空冷；
3、淬火工艺：720℃预热20min，840℃保温23min，7％盐水(盐水温度20℃)冷却4.5秒，入油(油温77℃)冷却10min空冷；
4、回火工艺：160℃保温2h，出炉空冷至室温；
实施例5：
一种高碳低合金轴承钢套圈，按照重量百分计，包括以下化学组分(质量分数，％)：C：1.04；Si：0.17；Mn：0.30；Cr：0.42；P：0.009；S：0.006；Ni：0.01；Cu 0.01；Mo：0.01；O：0.0007，余量为Fe。
待处理件为10mm壁厚轴承内套由上述化学组分组成，对其具体热处理工艺如下
1、锻后冷却工艺:余热正火，530℃堆冷
2、球化退火工艺：780℃保温2h，700℃等温3h，炉冷至600℃空冷；
3、淬火工艺：720℃预热20min，840℃保温23min，6％盐水(盐水温度30℃)冷却4秒，入油(油温78℃)冷却5min空冷；
4、回火工艺：160℃保温2h，出炉空冷至室温。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高碳低合金轴承钢套圈，其特征在于：按照重量百分计，包括以下化学组分，C：0.98％-1.04％；Si：0.17％-0.28％；Mn：0.22％-0.30％；Cr：0.42％-0.50％；P：≤0.015％；S：≤0.015％；Ni：≤0.05％；Cu：≤0.05％；Mo：≤0.05％；O：≤0.0012％，余量为Fe。
2.如权利要求1所述的一种高碳低合金轴承钢套圈，其特征在于：按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.00％；Si：0.23％；Mn：0.27％；Cr：0.47％；P：≤0.015％；S：≤0.010％；Ni：≤0.02％；Cu：≤0.02％；Mo：≤0.02％；O：≤0.0010％，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的一种高碳低合金轴承钢套圈，其特征在于：按照重量百分计，包括以下化学组分，C：0.98％；Si：0.28％；Mn：0.22％；Cr：0.50％；P：0.011％；S：0.004％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0008％，余量为Fe。
4.如权利要求1所述的一种高碳低合金轴承钢套圈，其特征在于：按照重量百分计，包括以下化学组分，C：1.04％；Si：0.17％；Mn：0.30％；Cr：0.42％；P：0.009％；S：0.006％；Ni：0.01％；Cu：0.01％；Mo：0.01％；O：0.0007％，余量为Fe。
5.一种高碳低合金轴承钢套圈的热处理工艺方法，其特征在于：采用含有权利要求1-4任一项所述化学组分的轴承钢棒材，依次按照下列步骤进行，棒材→热剪下料→加热→锻造→碾环→球化退火→机加→淬回火→抛丸→磨光。
6.如权利要求5所述的一种高碳低合金轴承钢套圈的热处理工艺方法，其特征在于：所述锻造工艺中，终锻之后利用锻后余热正火，采用风机强力风冷，冷却至500℃-545℃停风堆冷。
7.如权利要求5所述的一种高碳低合金轴承钢套圈的热处理工艺方法，其特征在于：所述的球化退火工艺中加热温度780℃，保温时间1-2h，随后快冷到700℃进行等温，等温时间3-4h，然后炉冷至600℃空冷，采用托辊式煤气加热炉或工业热处理电炉。
8.如权利要求5所述的一种高碳低合金轴承钢套圈的热处理工艺方法，其特征在于：所述的淬回火中，采用720℃预热20min,加热到840℃并保温20-25min，出炉后迅速采用盐水冷却，冷却后迅速转移到油池中进行油冷，取出进行回火，回火温度160℃，保温1.5-2h,自然冷却到室温。
9.如权利要求5所述的一种高碳低合金轴承钢套圈的热处理工艺方法，其特征在于：盐水浓度为6-7％，温度为20-40℃，冷却过程采用特制的摇筐使工件在其中冷却并加以搅拌，冷却时间按3.5-4.5s/10mm。
10.如权利要求5所述的一种高碳低合金轴承钢套圈的热处理工艺方法，其特征在于：油温为75-80℃，冷却时间5-10min,使得工件温度降至Ms-100℃取出。
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