CN110090961A - 一种轴承钢产品的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种轴承钢产品的加工工艺，包括如下步骤：3D打印轴承钢粉料，得到轴承钢产品坯料；对3D打印的轴承钢产品坯料进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，加工完成。本发明由于采用3D打印，因此容易实现轴承钢产品的个性化和批量化加工，同时也避免了传统轧制等压力加工工艺带来的质量缺陷。对3D得到的轴承钢产品坯料进行不同的热处理，即进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，能够使3D得到的轴承钢产品坯料在不同的热处理方式下得到不同的组织，使得轴承钢产品满足轴承行业对轴承钢的使用要求。

Description

一种轴承钢产品的加工工艺
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种轴承钢产品的加工工艺。
背景技术
增材制造技术(Addictive Manufacturing)又称3D打印(3D Printing)，是通过CAD、UG等软件在电脑中先做出三维零件图，然后用MAGICS软件对零件图进行切分，使之从三维立体变成二维平面加工，通过把要打印的模型导入到3D打印机器中，完成加工的过程。与传统制造金属零件通过减去材料的加工方法相比，金属增材制造技术基于增材制造(Additive Manufacturing，AM)的理念，无需工装模具，不受零件结构的多样性限制，是现今世界上发展速度很快、技术领先的一项先进制造技术。
随着增材制造技术的不断发展，制造产品逐渐向批量化、个性化发展。增材制造技术因其快速的成形方式和精准的成形质量，在工业生产、航空航天和医疗等行业得到迅速应用，金属增材制造成形的材料种类大幅增加，能够制造难加工的材料就显得尤为重要。
轴承钢由于其较高的硬度、良好的耐磨性和疲劳性能而被广泛应用，传统的加工方法加工轴承钢零件时常常伴有表面裂纹和内部缺陷，加工难度较大。因而需要一种新的加工工艺来加工轴承钢，使轴承钢的缺陷更少、性能能够满足要求。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种轴承钢产品的加工工艺，通过本发明能够制备出满足性能要求的轴承钢零件。
本发明所采用的技术方案如下：
一种轴承钢产品的加工工艺，包括如下步骤：
3D打印轴承钢粉料，得到轴承钢产品坯料；
对3D打印的轴承钢产品坯料进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，加工完成。
利用激光选区熔化成型工艺对轴承钢粉料进行3D打印，得到轴承钢产品坯料；
所述轴承钢粉料的粒度为40～70μm，室温下流动性处于16.10～17.50s。
所述轴承钢粉料中，以质量百分数计，90％～95％为粒度为40～60μm的轴承钢粉料，其余为粒度为60～70μm的轴承钢粉料。
所述轴承钢粉料为GCr15轴承钢粉末，激光选区熔化对GCr15轴承钢粉末进行成形时，扫描功率为70～100W，扫描速率为250～400mm/s，扫描层厚为50μm，光斑直径为80μm。
GCr15轴承钢粉末中，以质量百分数计，包括：
C：1.23％，Si：0.31％，Cr：2.06％，S：≤0.2％，O：≤0.017％，H：≤0.136％，N：≤0.22％，余量为Fe。
固溶热处理的过程如下：
将3D打印的轴承钢产品坯料加热至1050～1080℃后进行保温和空冷；其中，保温使得3D打印的轴承钢产品坯料中的非平衡相在奥氏体化区间内完全转化为均匀一致的奥氏体组织；空冷使得3D打印的轴轴承钢产品坯料中奥氏体组织转变为珠光体、马氏体和残余奥氏体。
3D打印的轴承钢产品坯料采用10～12℃/min的加热速率加热至1050～1080℃，保温时间为2～2.5h。
淬火热处理的过程如下：
将3D打印的轴承钢产品坯料加热至820～830℃后保温，之后投入水中进行马氏体淬火。
将3D打印的轴承钢产品坯料以10～12℃/min的加热速率加热至820～830℃，保温时间为11～13min。
淬火+回火热处理的过程如下：
将3D打印的轴承钢产品坯料加热至820～830℃后保温，之后投入水中进行马氏体淬火；
然后再在140～150℃进行回火热处理，之后进行空冷。
保温时间为11～13min，回火热处理时间为180～200min。
本发明具有如下的有益效果：
本发明轴承钢产品的加工工艺是先采用3D打印的方式得到轴承钢产品坯料，之后对3D打印的轴承钢产品坯料进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，加工完成。由于采用3D打印，因此容易实现轴承钢产品的个性化和批量化加工，同时也避免了传统轧制等压力加工工艺带来的质量缺陷。对3D得到的轴承钢产品坯料进行不同的热处理，即进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，能够使3D得到的轴承钢产品坯料在不同的热处理方式下得到不同的组织，使得轴承钢产品满足轴承行业对轴承钢的使用要求。
进一步的，本发明加工工艺中，轴承钢粉料的粒度为40～70μm，室温下流动性处于16.10～17.50s，本发明提升了3D打印的轴承钢粉料原料颗粒度，轴承钢粉料通过激光选区熔化进行成形后，所得产品能够满足使用要求。
进一步的，本发明固溶热处理时，将3D打印的轴承钢产品坯料加热至1050～1080℃后进行保温和空冷，该固溶热处理温度在Acm温度上进行保温处理，使得激光成形轴承钢零件中的非平衡相转变为平衡组织，具体为马氏体转变为奥氏体，最后通过空冷方式，最终组织为片状珠光体和少量马氏体和残余奥氏体。
进一步的，固溶热处理时保温时间为2～2.5h，因此使得3D打印成型的轴承钢产品中的非平衡相有充足的时间转变为平衡组织。
进一步的，淬火热处理时，将3D打印的轴承钢产品坯料加热至820～830℃后保温，之后投入水中进行马氏体淬火；在稍高于Acm温度上进行保温处理，然后在水中快速冷却，能够使得奥氏体转变为马氏体，最终组织为马氏体，并且马氏体晶粒均匀细小。
进一步的，本发明中淬火+回火热处理是在Ms点以下回火处理，通过回火处理使得淬火后过饱和的马氏体析出少量极其弥散而细小的碳化物，最终组织为为回火马氏体和渗碳体和残余奥氏体。
附图说明
图1为本发明实施例中3D打印采用的GCr15轴承钢粉末图；
图2(a)为本发明固溶热处理工艺流程图；
图2(b)为本发明淬火热处理工艺流程图；
图2(c)为本发明淬火+回火热处理工艺流程图；
图3(a)为本发明实施例1制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为固溶热处理)；
图3(b)为本发明实施例1制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火热处理)；
图3(c)为本发明实施例1制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火+回火热处理)；
图4(a)为本发明实施例2制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为固溶热处理)；
图4(b)为本发明实施例2制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火热处理)；
图4(c)为本发明实施例2制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火+回火热处理)；
图5(a)为本发明实施例3制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为固溶热处理)；
图5(b)为本发明实施例3制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火热处理)；
图5(c)为本发明实施例3制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火+回火热处理)；
图6(a)为本发明实施例4制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为固溶热处理)；
图6(b)为本发明实施例4制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火热处理)；
图6(c)为本发明实施例4制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火+回火热处理)；
图7(a)为本发明实施例5制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为固溶热处理)；
图7(b)为本发明实施例5制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火热处理)；
图7(c)为本发明实施例5制备得到的轴承钢产品的试样金相组织图(热处理为淬火+回火热处理)。
具体实施方式
本发明提出的增材制造轴承钢及轴承钢的热处理方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术人员能够根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
本发明以GCr15轴承钢的加工为例，对轴承钢产品的加工工艺做如下说明：
3D打印轴承钢坯料的步骤如下：
1)采用粒度分布在40～70μm的GCr15轴承钢粉末，以质量百分数计，GCr15轴承钢粉末中的元素组成为：C：1.23％，Si：0.31％，Cr：2.06％，S：≤0.2％，O：≤0.017％，H：≤0.136％，N：≤0.22％，余量为Fe，粉末中的元素含量(wt％)具体见表1，室温下粉末流动性处于16.10～17.50s之间，GCr15轴承钢粉末主要物相组织为马氏体(见图1)。
表1
2)本发明预先利用UG软件设计3D打印模型，安装刮刀和基板并进行水平调试，将预热后的粉末在氧含量低于0.6％的保护气氛中装填进粉料缸，在基板上进行一定厚度粉末层的铺设，激光束按照预先设定的程序对粉层进行选择性扫描，完成单层扫描后，粉料缸和建造仓各自进行升降进行供粉以及粉末的均匀铺设，重复上述过程，逐层累加制备出所需几何形状的轴承钢零件。
3)目前3D打印零件由于粉末原料以及工艺参数的限制，造成性能不能达到使用要求，因此还需要通过热处理来有效改善微观组织，提升3D打印零件最终的力学性能。因此，需要对3D打印零件进行热处理，将制备好的试样在箱式气氛电炉中进行加热，进行不同的加热和冷却方式，以改善零件的微观组织，消除试样内部残余应力，提高塑性和韧性。
本发明的轴承钢产品的加工工艺具体包括以下步骤：
通过激光选区熔化对GCr15轴承钢粉末进行成形，通过激光选区熔化对GCr15轴承钢粉末进行成形时，扫描功率为70～100W，扫描速率为250～400mm/s，扫描层厚为50μm，光斑直径为80μm。
通过激光选区熔化对轴承钢粉料进行成形后，得到制备好的试样，再对试样进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，其中：
固溶热处理
如图2(a)所示，采用升温速率为10～12℃/min，将加热炉中温度升高至1050～1080℃，对试样进行加热，在该温度下保温2～2.5h，目的是使得试样在激光加工过程中的非平衡相在奥氏体化区间内完全转化为均匀一致的奥氏体组织，然后采用空冷方式，使得奥氏体组织转变为珠光体、少量马氏体和残余奥氏体；
淬火热处理
如图2(b)所示，采用升温速率为10～12℃/min，将加热炉中温度升高至820～830℃，对试样进行加热，在该温度下保温11～13min，然后投入水中进行马氏体淬火，目的是获得轴承钢试样使用所必需的马氏体组织，同时保留适量的残余奥氏体组织；
淬火+回火热处理
如图2(c)所示，采用升温速率为10～12℃/min，将加热炉中温度升高至820～830℃，对试样进行加热，在该温度下保温11～13min，投入水中进行马氏体淬火，将轴承钢试样取出后置于回火炉中进行稳定化处理，调整回火炉温至140～150℃，保持180～200min，然后空冷，目的是获得轴承最终使用时所需要的硬度和微观组织稳定性。
本发明中，轴承钢粉料的粒度为40～70μm，室温下粉末流动性处于16.10～17.50s之间，本发明提升了3D打印的轴承钢粉料原料颗粒度，轴承钢粉料通过激光选区熔化进行成形后，所得产品能够满足使用要求。本发明的轴承钢热处理工艺使得选区激光熔化(SLM)制备的轴承钢零件在不同的热处理方式下得到不同的组织，通过严格控制热处理温度和时间，能够保证轴承钢零件获得需要的组织，满足轴承行业对轴承钢的使用要求；
热处理工艺中：
固溶热处理是在Acm温度上长时间进行保温处理，使得激光成形轴承钢零件中的非平衡相有充足的时间转变为平衡组织，具体为马氏体转变为奥氏体，最后通过空冷方式，最终组织为片状珠光体和少量马氏体和残余奥氏体；
淬火热处理是在稍高于Acm温度上进行短时保温处理，然后在水中快速冷却，使得奥氏体转变为马氏体，最终组织为为马氏体，马氏体晶粒均匀细小；
淬火+回火热是于Ms点以下回火处理，通过回火处理使得淬火后过饱和的马氏体析出少量极其弥散而细小的碳化物，最终组织为为回火马氏体和渗碳体和残余奥氏体。
实施例1
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的轴承钢试样粉末中，以质量百分数计，粒度为40～60μm的占90％，粒度为60～70μm占10％，轴承钢粉末流动性为16.1s。激光选区熔化的工艺参数为：激光功率70w，扫描速率为250mm/s，扫描间距60μm，层厚50μm，制备出试样试样尺寸为10×10×10mm。对相同方法得到的不同轴承钢试样再分别进行以下不同的热处理。
固溶热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min的升温速率升至1050℃保温2h，随后出炉空冷；
淬火热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min升温速率升至830℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，水淬临界直径为9～11mm；
淬火+回火热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min升温速率升至830℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，然后将轴承试样取出后置于回火炉中进行稳定化处理，调整炉温至150℃，保持180min，然后出炉空冷。
本实施例制备的试样金相组织图如图3(a)～图3(c)所示，试样中孔洞较为明显，出现融合不良现象。
实施例2
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的轴承钢试样粉末中，以质量百分数计，粒度为40～60μm的占90％，粒度为60～70μm占10％，轴承钢粉末流动性为16.1s。激光选区熔化的工艺参数为：激光功率85w，扫描速率为350mm/s，扫描间距60μm，层厚50μm，制备出试样试样尺寸为10×10×10mm。对相同方法得到的不同轴承钢试样再分别进行以下不同的热处理。
固溶热处理：轴承钢试样在加热炉中以12℃/min的升温速率升至1080℃保温2h，随后出炉空冷；
淬火热处理：轴承钢试样在加热炉中以12℃/min升温速率升至820℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，水淬临界直径为9～11mm；
淬火+回火热处理：轴承钢试样在加热炉中以12℃/min升温速率升至820℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，然后将轴承试样取出后置于回火炉中进行稳定化处理，调整炉温至140℃，保持200min，然后出炉空冷。
本实施例制备的试样金相组织图如图4(a)～图4(c)所示，试样中孔洞均匀分布，孔隙相较实施例1中孔隙进一步减少。固溶热处理中得到层片状的珠光体，试样中有着较多残余奥氏体，淬火热处理中得到细小均匀的马氏体和残余奥氏体，淬火-回火热处理中得到回火马氏体和弥散分布的碳化物。
实施例3
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的轴承钢试样粉末中，以质量百分数计，粒度为40～60μm的占95％，粒度为60～70μm占5％，轴承钢粉末流动性为17.5s。激光选区熔化的工艺参数为：激光功率100w，扫描速率为250mm/s，扫描间距60μm，层厚50μm，制备出试样试样尺寸为10×10×10mm。对相同方法得到的不同轴承钢试样再分别进行以下不同的热处理。
固溶热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min的升温速率升至1060℃保温2.5h，随后出炉空冷；
淬火热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min升温速率升至825℃保温13min，随后投入水中进行马氏体淬火，水淬临界直径为9～11mm；
淬火+回火热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min升温速率升至825℃保温13min，随后投入水中进行马氏体淬火，然后将轴承试样取出后置于回火炉中进行稳定化处理，调整炉温至145℃，保持190min，然后出炉空冷。
本实施例制备的试样金相组织图如图5(a)～图5(c)所示，试样中存在个别不规则孔洞，并未出现存在融合不良现象，整体组织均匀，不影响轴承钢力学性能。
实施例4
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的轴承钢试样粉末中，以质量百分数计，粒度为40～60μm的占92％，粒度为60～70μm占8％，轴承钢粉末流动性为16.9s。激光选区熔化的工艺参数为：激光功率100w，扫描速率为300mm/s，扫描间距60μm，层厚50μm，制备出试样试样尺寸为10×10×10mm。对相同方法得到的不同轴承钢试样再分别进行以下不同的热处理。
固溶热处理：轴承钢试样在加热炉中以11℃/min的升温速率升至1060℃保温2h，随后出炉空冷；
淬火热处理：轴承钢试样在加热炉中以11℃/min升温速率升至820℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，水淬临界直径为9～11mm；
淬火+回火热处理：轴承钢试样在加热炉中以11℃/min升温速率升至820℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，然后将轴承试样取出后置于回火炉中进行稳定化处理，调整炉温至140℃，保持180min，然后出炉空冷。
本实施例制备的试样金相组织图如图6(a)～图6(c)所示，试样中未见明显孔隙，固溶热处理中得到层片状的珠光体，试样中有着较多残余奥氏体，淬火热处理中得到细小均匀的马氏体和残余奥氏体，淬-回火热处理中得到回火马氏体和弥散分布的碳化物。
实施例5
本实施例利用激光选区熔化技术制备试样时所采用的轴承钢试样粉末中，以质量百分数计，粒度为40～60μm的占90％，粒度为60～70μm占10％，轴承钢粉末流动性为16.1s。激光选区熔化的工艺参数为：激光功率100w，扫描速率为350mm/s，扫描间距60μm，层厚50μm，制备出试样试样尺寸为10×10×10mm。对相同方法得到的不同轴承钢试样再分别进行以下不同的热处理。
固溶热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min的升温速率升至1080℃保温2h，随后出炉空冷；
淬火热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min升温速率升至830℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，水淬临界直径为9～11mm；
淬火+回火热处理：轴承钢试样在加热炉中以10℃/min升温速率升至830℃保温11min，随后投入水中进行马氏体淬火，然后将轴承试样取出后置于回火炉中进行稳定化处理，调整炉温至150℃，保持180min，然后出炉空冷。
本实施例制备的试样金相组织图如图7(a)～图7(c)所示，试样中存在个别不规则孔洞，并未出现存在融合不良现象，整体组织均匀，不影响轴承钢力学性能。根据上述实施例，实施例1，2试样试样中出现较多融合不良产生的孔洞，孔缺陷较多，相比较实施例3，实施例5试样试样中存在个别不规则孔洞，并未出现融合不良现象，整体组织均匀，不影响轴承钢力学性能，实施例4工艺下可获得孔隙率低的成形试样。相较于单一固溶和淬火热处理工艺，淬-回火热处理工艺不仅可以改善激光增材制造过程后的非平衡组织与残余应力，同时获得回火马氏体和残余奥氏体和细小弥散得碳化物，本发明制备出的轴承钢通过淬-回火热处理后有着高的硬度和良好的耐磨性，稳定性高，满足工业下使用要求。
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 (10)

1.一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
3D打印轴承钢粉料，得到轴承钢产品坯料；
对3D打印的轴承钢产品坯料进行固溶热处理、淬火热处理或淬火+回火热处理，加工完成。
2.根据权利要求1所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，利用激光选区熔化成型工艺对轴承钢粉料进行3D打印，得到轴承钢产品坯料；
所述轴承钢粉料的粒度为40～70μm，室温下流动性处于16.10～17.50s。
3.根据权利要求2所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，所述轴承钢粉料中，以质量百分数计，90％～95％为粒度为40～60μm的轴承钢粉料，其余为粒度为60～70μm的轴承钢粉料。
4.根据权利要求2所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，所述轴承钢粉料为GCr15轴承钢粉末，激光选区熔化对GCr15轴承钢粉末进行成形时，扫描功率为70～100W，扫描速率为250～400mm/s，扫描层厚为50μm，光斑直径为80μm。
5.根据权利要求1所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，固溶热处理的过程如下：
将3D打印的轴承钢产品坯料加热至1050～1080℃后进行保温和空冷；其中，保温使得3D打印的轴承钢产品坯料中的非平衡相在奥氏体化区间内完全转化为均匀一致的奥氏体组织；空冷使得3D打印的轴轴承钢产品坯料中奥氏体组织转变为珠光体、马氏体和残余奥氏体。
6.根据权利要求5所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，3D打印的轴承钢产品坯料采用10～12℃/min的加热速率加热至1050～1080℃，保温时间为2～2.5h。
7.根据权利要求1所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，淬火热处理的过程如下：
将3D打印的轴承钢产品坯料加热至820～830℃后保温，之后投入水中进行马氏体淬火。
8.根据权利要求7所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，将3D打印的轴承钢产品坯料以10～12℃/min的加热速率加热至820～830℃，保温时间为11～13min。
9.根据权利要求1所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，淬火+回火热处理的过程如下：
将3D打印的轴承钢产品坯料加热至820～830℃后保温，之后投入水中进行马氏体淬火；
然后再在140～150℃进行回火热处理，之后进行空冷。
10.根据权利要求9所述的一种轴承钢产品的加工工艺，其特征在于，保温时间为11～13min，回火热处理时间为180～200min。
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