CN110029272A - 高韧性轴承的组织调控方法及纳米贝氏体轴承用钢 - Google Patents

高韧性轴承的组织调控方法及纳米贝氏体轴承用钢 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高韧性轴承的组织调控方法，包括：S1、提供初始轴承钢材；S2、进行初始轴承钢材的加工成形形成轴承零件；S3、对轴承零件进行第一热处理，使轴承零件的整体组织转变为纳米贝氏体组织，S4、对轴承零件进行第二热处理，在轴承内圈的滚道表层和轴承外圈的滚道表层形成包括高碳马氏体组织的混合组织，混合组织中高碳马氏体组织的体积分数大于80％。本发明还提供一种纳米贝氏体轴承用钢，本发明不需要渗碳处理方法，轴承用钢心部为纳米贝氏体组织，韧性达到渗碳轴承心部的韧性；轴承用钢表层为包括高碳马氏体组织且高碳马氏体组织的体积分数大于80％的混合组织，使轴承用钢的硬度达到渗碳轴承表层的硬度。

Description

高韧性轴承的组织调控方法及纳米贝氏体轴承用钢
技术领域
本发明涉及轴承制造领域，特别涉及高韧性的纳米贝氏体轴承的制造加工领域，具体涉及一种高韧性轴承的组织调控方法及其获得的纳米贝氏体轴承用钢。
背景技术
现在用量最大的轴承用钢为高碳铬轴承钢，其用量达到整体轴承用钢市场的80％以上。然而，这种高碳铬轴承钢经过马氏体处理后韧性比较低，制造的轴承不适合应用于冲击载荷比较大的工况。在冲击载荷较大的工况下，通常采用渗碳钢轴承来保证使用性能。
最常用的渗碳轴承钢为G20Cr2Ni4A钢，渗碳后经过马氏体淬、回火处理后为心部为低碳马氏体组织，具有高的冲击韧性。然而，渗碳轴承钢含有大量的昂贵合金元素，导致轴承制造成本高。近年来我国也陆续开发了多种低Ni含量或无Ni的渗碳轴承钢以降低成本。但是，这些渗碳轴承钢全都需要进行长时间的渗碳处理。众所周知，渗碳热处理渗碳周期长、能源消耗大，不仅导致轴承制造效率降低，污染环境，也使得制造成本大幅度提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高韧性轴承的组织调控方法及其获得的纳米贝氏体轴承用钢，避免了传统的渗碳处理方法，使得轴承用钢心部整体为纳米贝氏体组织，韧性达到渗碳轴承心部的韧性，并使轴承用钢表层为包括高碳马氏体组织且高碳马氏体组织的体积分数大于80％的混合组织，硬度达到渗碳轴承表层的硬度要求，从而提高了轴承制造效率，降低了轴承制造成本。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种高韧性轴承的组织调控方法，包括以下步骤：
S1、提供初始轴承钢材，按质量百分比计，所述初始轴承钢材的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和杂质；
S2、进行所述初始轴承钢材的加工成形，形成轴承零件；所述轴承零件包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述滚动体与所述轴承内圈的滚道和所述轴承外圈的滚道相匹配；
S3、对所述轴承零件进行第一热处理，使所述轴承零件的整体组织转变为纳米贝氏体组织，所述第一热处理包括：加热所述轴承零件至900℃～930℃，保温0.5h～1h；将所述轴承零件降温至250℃～350℃，保温0.5h～5h；将所述轴承零件冷却至室温；以及
S4、对所述轴承内圈的滚道表层和所述轴承外圈的滚道表层进行第二热处理，在所述轴承内圈的滚道表层和所述轴承外圈的滚道表层形成包括高碳马氏体组织的混合组织，所述混合组织中高碳马氏体组织的体积分数大于80％。
可优选的是，在所述步骤S4中，第二热处理为感应热处理，包括：加热轴承内圈的滚道表层和轴承外圈的滚道表层至850℃～900℃；冷却至室温。
可优选的是，在进行第二热处理步骤中，还包括对滚动体的表层进行第二热处理。
可优选的是，进行所述步骤S4的第二热处理后，还包括：进行160℃～200℃的低温回火处理。
可优选的是，所述纳米贝氏体组织的尺寸为30nm～80nm，所述纳米贝氏体轴承用钢沿厚度方向自轴承用钢表面至轴承用钢内部0.5mm～3.5mm为轴承用钢的表层厚度。
本发明的另一方面提供一种利用前述高韧性轴承的组织调控方法获得的纳米贝氏体轴承用钢，其中：所述纳米贝氏体轴承用钢的心部为纳米贝氏体组织，所述纳米贝氏体组织的尺寸为30nm～80nm；所述纳米贝氏体轴承用钢的表层为包括高碳马氏体组织的混合组织，所述纳米贝氏体轴承用钢的表层的厚度为0.5mm～3.5mm，其中，所述混合组织中的高碳马氏体组织的体积分数大于80％；按质量百分比计，所述纳米贝氏体轴承用钢的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和杂质。
可优选的是，所述混合组织中的高碳马氏体组织的体积分数大于90％。
可优选的是，所述混合组织中的高碳马氏体组织的体积分数大于95％。
可优选的是，所述纳米贝氏体轴承用钢的化学成分质量百分比具体为：C：0.73、Si：2.20、Mn：0.70、Cr：1.42、Ni：0.20、Mo：0.30，S：0.005、P：0.007、O：0.0004、Ti：0.002、H：0.00008，其余为Fe和杂质。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)轴承用钢心部为纳米贝氏体组织，韧性达到渗碳轴承心部的韧性。
(2)轴承用钢表层为包括高碳马氏体组织且高碳马氏体组织的体积分数大于80％的混合组织，这样比例的高碳马氏体组织的存在会使轴承用钢的硬度达到渗碳轴承表层的硬度。其中技术用语高碳的含义为钢中C含量在0.6wt％以上就为高碳钢，而且高碳马氏体组织为奥氏体化后淬火处理所得到的组织。
(3)不需要渗碳等化学热处理方法，进而克服了该工艺渗碳周期长、能源消耗大的缺陷，提高了轴承制造效率，降低了轴承制造成本。
附图说明
图1是本发明实施例1中纳米贝氏体轴承钢表层组织示意图；
图2是本发明实施例1中纳米贝氏体轴承钢心部组织示意图；以及
图3是本发明高韧性轴承的组织调控方法的流程图。
具体实施方式
基于此，本发明实施例提供一种高韧性纳米贝氏体轴承用钢，轴承用钢的心部为纳米贝氏体组织，表层为包括高碳马氏体组织的混合组织，本发明实现了对高韧性轴承的心部和表层组织的有效调控。其中，混合组织中，高碳马氏体组织的体积分数大于80％；按质量百分比计，轴承用钢的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和不可避免的杂质。
采用心部为纳米贝氏体组织的轴承用钢，其韧性可以达到渗碳轴承心部的韧性，而通过对应的热处理，在表层形成包括高碳马氏体组织且高碳马氏体组织的体积分数大于80％的混合组织，能够使表层的硬度达到渗碳轴承表层的硬度。
可以看出，本发明实施例不需要渗碳处理方法，进而克服了现有工艺渗碳周期长、能源消耗大的缺陷，提高了轴承制造效率，降低了轴承制造成本。
实施例1
本实施例提供一种高韧性纳米贝氏体轴承用钢，轴承用钢的心部为纳米贝氏体组织，表层为包括高碳马氏体组织的混合组织。
具体的，轴承用钢的心部为完全纳米贝氏体组织。纳米贝氏体组织的尺寸为30nm～80nm。在本实施例中，纳米贝氏体组织的尺寸可以具体为50nm～70nm，从而使得轴承用钢心部的韧性得到进一步提高。
轴承用钢的表层为包括高碳马氏体组织的混合组织。具体的，轴承用钢的表层为高碳马氏体组织和残余奥氏体组成的混合组织。其中，混合组织中，高碳马氏体组织的体积分数大于80％，在本实施例中，高碳马氏体组织的体积分数进一步可以大于90％，以获得具有较大硬度的轴承用钢表层。在本发明的其他实施例中，高碳马氏体组织的体积分数进一步还可以大于95％。
需要进一步说明的是，轴承用钢的表层厚度为0.5mm～3.5mm，即，沿厚度方向自轴承用钢表面至轴承用钢内部0.5mm～3.5mm为轴承用钢的表层。在实际制作工艺中，轴承用钢的表层厚度可以根据实际需要进行调整，本实施例在此不做具体的限定。
在本实施例中，按质量百分比计，轴承用钢的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和不可避免的杂质。
在一个具体的例子中，轴承用钢的具体化学成分质量百分比可以为：C：0.73、Si：2.20、Mn：0.70、Cr：1.42、Ni：0.20、Mo：0.30，S：0.005、P：0.007、O：0.0004、Ti：0.002、H：0.00008，其余为Fe和不可避免的杂质。这样获得的纳米贝氏体组织的轴承用钢，其韧性和硬度都能很好达到渗碳轴承表层的韧性和硬度标准。
而且，在本实施例中，采用心部为纳米贝氏体组织的轴承用钢，其韧性可以达到渗碳轴承心部的韧性，而通过对应的热处理，在表层形成包括高碳马氏体组织且高碳马氏体组织的体积分数大于80％的混合组织，能够使表层的硬度达到渗碳轴承表层的硬度。
可以看出，本发明实施例仅需通过对应的热处理，在表层形成高碳马氏体组织为主的混合组织，不需要渗碳处理方法，进而克服了该工艺渗碳周期长、能源消耗大的缺陷，提高了轴承制造效率，降低了轴承制造成本。
实施例2
本实施例提供高韧性轴承的组织调控方法，包括：
步骤S1、提供初始轴承钢材，按质量百分比计，初始轴承钢材的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和不可避免的杂质。
在本实施例中，初始轴承钢材可以为用于加工为轴承的钢锭。具体的，按质量百分比计，初始轴承钢材的化学成分包括：C：0.73、Si：2.20、Mn：0.70、Cr：1.42、Ni：0.20、Mo：0.30，S：0.005、P：0.007、O：0.0004、Ti：0.002、H：0.00008，其余为Fe和不可避免的杂质。
并且，在本实施例中，还可以对初始轴承钢材经过退火处理如球化退火、软性退火等。
步骤S2、进行初始轴承钢材的加工成形，形成轴承零件；其中，轴承零件包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，滚动体与轴承内圈的滚道和轴承外圈的滚道相匹配。
其中，可以采用冷加工或热加工工艺进行初始轴承钢材的加工成形，例如，冷辗扩或热辗扩形成轴承内圈和轴承外圈，冷镦或热墩形成滚动体。
需要说明的是，在本实施例中，滚动体可以为滚珠。在本发明的其他实施例中，滚动体还可以为滚柱。
步骤S3、对轴承零件进行第一热处理，使轴承零件的心部组织转变为纳米贝氏体组织。
具体的，第一热处理包括：加热轴承零件至900℃～930℃，保温0.5h～1h；将轴承零件降温至250℃～350℃，保温0.5h～5h；将轴承零件冷却至室温。
通过上述热处理，使得轴承零件的心部组织转变为完全纳米贝氏体组织。
步骤S4、对轴承内圈的滚道表层和轴承外圈的滚道表层进行第二热处理，在轴承内圈的滚道表层和轴承外圈的滚道表层形成包括高碳马氏体组织的混合组织，其中，混合组织中，高碳马氏体组织的体积分数大于80％。
具体的，第二热处理为感应热处理，包括：加热轴承内圈的滚道表层和轴承外圈的滚道表层至850℃～900℃；冷却至室温。
通过上述热处理，使得轴承内圈的滚道表层和轴承外圈的滚道表层的心部组织转变为包括高碳马氏体和残余奥氏体组成的混合组织。
需要说明的是，在本步骤中，还可以对轴承内圈和轴承外圈的整体表层进行第二热处理，以实现轴承用钢整体的表层硬度的提高。
进一步的，在本步骤中，还包括对滚动体的表层进行第二热处理，以提高滚动体的表层硬度。
并且，在本步骤中，在进行第二热处理后，还可以进一步包括：进行160℃～200℃的低温回火处理。
具体的，低温回火处理包括：将轴承零件加热至160℃～200℃，保温0.5h～1.5h。
在本实施例中，形成的轴承用钢心部为纳米贝氏体组织，其韧性可以达到渗碳轴承心部的韧性，表层为包括高碳马氏体组织且高碳马氏体组织的体积分数大于80％的混合组织，能够使表层的硬度达到渗碳轴承表层的硬度。
并且，本发明实施例采用第二热处理方法进行轴承零件的表层处理，使表层达到渗碳钢轴承表层的硬度要求，而不需要渗碳处理方法，进而克服了该工艺渗碳周期长、能源消耗大的缺陷，提高了轴承制造效率，降低了轴承制造成本。
结合具体的轴承用钢的化学成分质量百分比和处理方法，本实施例进一步给出了两个具体的示例。
在第一个示例中，初始轴承钢材的具体化学成分质量百分比可以为：C：0.75、Si：1.68、Mn：0.64、Cr：1.35、Ni：0.12、Mo：0.22，S：0.010、P：0.010、O：0.0007、Ti：0.003、H：0.00015，其余为Fe和不可避免的杂质。
具体的处理方法包括，对上述初始轴承钢材进行球化退火处理后，加工成轴承零件。然后将轴承零件加热到910℃保温40分钟，放入255℃的盐浴炉中等温4.5h，冷却至室温。然后通过高频感应热处理，将轴承零件表面加热至890℃，深度3.0mm，当温度达到890℃后，快速水冷至室温，最后进行170℃低温回火1h。得到轴承用钢表层的组织以高碳马氏体组织为主，如附图1所示；心部组织为纳米贝氏体组织，如附图2所示。其中，处理后轴承表面硬度HRC63.2，心部的硬度为55.0HRC，心部冲击韧性aku为65J/cm2。
在第二个示例中，初始轴承钢材的具体化学成分质量百分比(wt.％)可以为：C：0.73、Si：2.85、Mn：0.75、Cr：1.48、Ni：0.28、Mo：0.35，S：0.008、P：0.012、O：0.0006、Ti：0.002、H：0.00013，其余为Fe和不可避免的杂质。
具体的处理方法包括，对上述初始轴承钢材进行球化退火处理后，加工成轴承零件。然后将轴承零件加热到930℃保温30分钟，放入340℃的盐浴炉中等温0.5h，冷却至室温。然后通过高频感应热处理，将轴承零件表面加热至860℃，深度1.5mm，当温度达到860℃后，快速水冷，最后进行170℃低温回火1h。得到的轴承用钢表层以高碳马氏体组织为主，表面硬度HRC62.5；心部组织为纳米贝氏体组织，硬度为46.3HRC，心部冲击韧性aku为110J/cm2。
轴承用钢可以采用前述实施例的形成方法所形成。对本实施例轴承用钢的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。
需要说明的是，在本发明中，具体的数值范围中，端点值同样包括在本发明的范围之内。
本文描述了本发明实施例提供的多个实施例方案，各实施例方案介绍的各可选方式可在不冲突的情况下相互结合、交叉引用，从而延伸出多种可能的实施例方案，这些均可认为是本发明实施例披露公开的实施例方案。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种高韧性轴承的组织调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供初始轴承钢材，按质量百分比计，所述初始轴承钢材的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和杂质；
S2、进行所述初始轴承钢材的加工成形，形成轴承零件；所述轴承零件包括轴承内圈、轴承外圈和滚动体，所述滚动体与所述轴承内圈的滚道和所述轴承外圈的滚道相匹配；
S3、对所述轴承零件进行第一热处理，使所述轴承零件的整体组织转变为纳米贝氏体组织，所述第一热处理包括：加热所述轴承零件至900℃～930℃，保温0.5h～1h；将所述轴承零件降温至250℃～350℃，保温0.5h～5h；将所述轴承零件冷却至室温；以及
S4、对所述轴承内圈的滚道表层和所述轴承外圈的滚道表层进行第二热处理，在所述轴承内圈的滚道表层和所述轴承外圈的滚道表层形成包括高碳马氏体组织的混合组织，所述混合组织中高碳马氏体组织的体积分数大于80％。
2.根据权利要求1所述的高韧性轴承的组织调控方法，其特征在于，所述步骤S4中，第二热处理为感应热处理，包括：加热所述轴承内圈的滚道表层和所述轴承外圈的滚道表层至850℃～900℃；冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的高韧性轴承的组织调控方法，其特征在于，在进行所述第二热处理步骤中，还包括对所述滚动体的表层进行第二热处理。
4.根据权利要求2或者3所述的高韧性轴承的组织调控方法，其特征在于，进行所述步骤S4的第二热处理后，还包括：进行160℃～200℃的低温回火处理。
5.根据权利要求4所述的高韧性轴承的组织调控方法，其特征在于，所述纳米贝氏体组织的尺寸为30nm～80nm，所述纳米贝氏体轴承用钢沿厚度方向自轴承用钢表面至轴承用钢内部0.5mm～3.5mm为轴承用钢的表层厚度。
6.一种根据权利要求1-4之一所述高韧性轴承的组织调控方法获得的纳米贝氏体轴承用钢，其特征在于，所述纳米贝氏体轴承用钢的心部为纳米贝氏体组织，所述纳米贝氏体组织的尺寸为30nm～80nm；所述纳米贝氏体轴承用钢的表层为包括高碳马氏体组织的混合组织，所述纳米贝氏体轴承用钢的表层的厚度为0.5mm～3.5mm，其中，所述混合组织中的高碳马氏体组织的体积分数大于80％；按质量百分比计，所述纳米贝氏体轴承用钢的化学成分包括：C：0.70～0.75、Si：1.50～2.90、Mn：0.60～0.80、Cr：0.60～1.60、Ni：0～0.30、Mo：0～0.40，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和杂质。
7.根据权利要求6所述的纳米贝氏体轴承用钢，其特征在于，所述混合组织中的高碳马氏体组织的体积分数大于90％。
8.根据权利要求6所述的纳米贝氏体轴承用钢，其特征在于，所述混合组织中的高碳马氏体组织的体积分数大于95％。
9.根据权利要求6所述的纳米贝氏体轴承用钢，其特征在于，所述纳米贝氏体轴承用钢的化学成分质量百分比具体为：C：0.73、Si：2.20、Mn：0.70、Cr：1.42、Ni：0.20、Mo：0.30，S：0.005、P：0.007、O：0.0004、Ti：0.002、H：0.00008，其余为Fe和杂质。
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