CN110106326B - 一种轴承基体碳化物的复合场调控方法 - Google Patents

一种轴承基体碳化物的复合场调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴承基体碳化物的复合场调控方法，包括以下步骤：S1、冷轧环成形：采用冷轧环成形工艺实现轴承基体的成形，获得轴承基体锻件；S2、脉冲电流处理：将轴承基体沿周向分为若干个分区，合理设置处理参数，通过脉冲电流发生器对轴承基体的各个分区进行多次连续脉冲电流处理。本发明通过应变场与电场有机结合，能够在短时间内显著的改善轴承基体的碳化物形貌，细化碳化物的尺寸，提升轴承基体的疲劳寿命。

Description

一种轴承基体碳化物的复合场调控方法
技术领域
本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种轴承基体碳化物的复合场调控方法。
背景技术
滚动轴承是重大机械装备的关键支撑零部件，轴承的寿命问题直接制约着当前整个装备制造业整体的发展水平。轴承的基本结构由轴承基体(包含内圈和外圈)、滚动体和保持架组成，其中，轴承基体是滚动轴承主动承载和最容易失效的核心组件，基体的综合性能直接关系着轴承的服役寿命。
目前，高碳铬轴承钢作为轴承基体最常见的材料，热处理工艺为马氏体淬火和低温回火，热处理后会获得马氏体、残余奥氏体和碳化物的复相组织。其中，碳化物作为硬脆相，其形貌、尺寸和分布对于轴承基体的性能起着至关重要的作用，尺寸粗大且不规则的碳化物，易在基体引起应力集中产生裂纹，甚至会降低轴承基体的强韧性、耐磨性和疲劳寿命。因此，改善轴承钢中碳化物的尺寸和形貌对于提高轴承的力学性能和疲劳寿命具有重要的作用。
为了改善轴承钢中碳化物的尺寸和形貌，轴承钢需经过球化退火工艺使层片状碳化物打断，部分溶解并球化。然而，轴承钢球化退火通常需要在退火炉内保温达10h以上，导致生产效率低、能耗高。碳化物的球化率也会严重影响轴承钢的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轴承基体碳化物的复合场调控方法，它通过应变场与电场有机结合，能够有效改善碳化物的形貌和尺寸，提升轴承基体的疲劳寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轴承基体碳化物的复合场调控方法，包括以下步骤：
S1、冷轧环成形：采用冷轧环成形工艺实现轴承基体的成形；
S2、脉冲电流处理：
S201、提供一能够产生脉冲电流的脉冲电流发生器，设置脉冲电流处理参数为：单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度j为(0.6～1)jmax，其中，jmax为最大脉冲电流密度，
Figure GDA0002461611530000021
cp、d和ρ分别为轴承基体材料的比热容、密度和电阻率；
S202、将轴承基体沿周向分为若干个分区，通过所述脉冲电流发生器对轴承基体的各个分区进行多次连续脉冲电流处理，相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～60s，单次连续脉冲电流处理连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～1)Nmax，其中，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
Figure GDA0002461611530000022
D1和D2分别为轴承基体的外径和内径。
按上述技术方案，步骤S1中，轴承基体毛坯的壁厚H为(0.5～1)Hmax，在轧制变形过程中控制轧辊的进给速度V为(0.3～0.8)Vmax，轧制比k为(0.7～1)kmax；
其中，Hmax为最大壁厚，
Figure GDA0002461611530000023
β为环件与径向轧辊之间的摩擦角，R1和R2分别为驱动辊和压力辊的工作面半径；Vmax为最大进给速度，
Figure GDA0002461611530000024
n1为驱动辊转速，R和r分别为轧制中轴承基体环件的外半径和内半径；kmax为最大轧制比，
Figure GDA0002461611530000025
d和Rc分别为轴承基体材料初始的碳化物直径和圆度，ra为轧制前轴承基体锻坯的平均半径。
按上述技术方案，所述脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承基体的某个分区进行脉冲电流处理前，将轴承基体该分区装夹在两个电极棒之间，并使该分区上下两个端面分别与对应的电极棒接触。
按上述技术方案，所述轴承基体沿周向均分为8～64个分区。
按上述技术方案，对轴承基体每个分区进行2～60次连续脉冲电流处理。
本发明产生的有益效果是：由于脉冲电流处理技术是一项新型的外场作用技术，具有效率高、能耗低、绿色无污染等优点，且已被应用于应力调控、缺陷修复等领域，因此，本发明综合利用冷变形应变场和脉冲电场的作用，其先通过冷轧大变形使轴承基体中碳化物呈现热力学亚稳态，再合理控制脉冲电场参数对轴承基体进行脉冲电流处理，利用脉冲电流的热效应和电效应使轴承材料中的碳化物在脉冲电流处理过程中局部发生溶解，能够有效细化碳化物尺寸及改善其圆度，对碳化物的形貌和尺寸进行调控，从而达到提升轴承基体的力学性能和使用寿命的目的。本发明能够在短时间内细化轴承基体中碳化物尺寸，而且易于实施、效率高、绿色无污染，具有显著的实际应用价值。
本发明的具体原理是：先通过冷轧环塑性变形使位错在碳化物周围缠结，部分碳化物发生破碎，从而降低碳化物的热力学稳定性；然后采用合理的脉冲电流参数对轴承基体进行分区域处理，一方面，由于轴承钢中碳化物的电阻远高于基体，促使碳化物周围的产生更高的焦耳热，另一方面可以产生一定的电子风效应，在脉冲电流作用下电子会加速运动，产生的电子风效应会使碳化物中的碳原子加速向基体中位错迁移，降低碳化物的热稳定性，当位错从碳化物中吸引了足够的碳原子后，碳化物在低于基体相变温度区进行局部溶解，从而达到细化碳化物的目的；；此外，由于每次脉冲电流处理的作用时间极短，导致碳化物不能完全溶解，从而达到了改善碳化物形貌和尺寸的目的。
本发明中设置一定的电流密度范围是为了使碳化物局部溶解提供一定的温度场和电流场，即合适的热力学溶解条件，电流密度太高会导致材料发生相变，太低又达不到局部溶解的效果。一定的脉冲电流密度条件下能使碳化物发生细化，但是仅仅一次脉冲电流是不足以完成整个区域的碳化物细化，因此为了优化效果，需要进行多次处理，脉冲电流处理的次数设置原则：基于轴承基体的内外径尺寸以及脉冲电流密度设置脉冲次数，保证处理的区域能够实现大面积的碳化物细化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中对轴承基体进行脉冲电流处理的示意图；
图2a为本发明实施例中轴承基体在脉冲电流处理前的组织形貌图；
图2b为本发明实施例中轴承基体在脉冲电流处理后的组织形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种轴承基体碳化物的复合场调控方法，包括以下步骤：
S1、冷轧环成形：采用冷轧环成形工艺实现轴承基体的成形；
S2、脉冲电流处理：
S201、提供一能够产生脉冲电流的脉冲电流发生器，设置脉冲电流处理参数为：单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s(可以为0.01s、0.02s、…、1s)，脉冲电流密度j为(0.6～1)jmax，可以是0.6jmax、0.7jmax、…、jmax，其中，jmax为最大脉冲电流密度，
Figure GDA0002461611530000031
cp、d和ρ分别为轴承基体材料的比热容、密度和电阻率；
S202、将轴承基体沿周向分为若干个分区，通过脉冲电流发生器对轴承基体的各个分区进行多次连续脉冲电流处理(单次连续脉冲电流处理过程中可能有多个脉冲电流，该多个脉冲电流之间无时间间隔)，相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～60s(可以为1s、2s、…、60s)，单次连续脉冲电流处理连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～1)Nmax，可以是0.1Nmax、0.2Nmax、…、Nmax，其中，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
Figure GDA0002461611530000041
D1和D2分别为轴承基体的外径和内径，对每个分区均处理后，即完成对轴承基体的脉冲电流处理。相邻两次连续脉冲电流处理之间需要间隔一定时间(本发明中间隔1-60s)，间隔此时间的目的是防止连续脉冲时，焦耳热温升累积过高，导致温度超过相变温度或产生热损伤等等，因此，短时间的间隔能够使环件迅速冷却，保持在低温区进行脉冲电流处理。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤S1中，根据轧环条件，轴承基体毛坯的壁厚H为(0.5～1)Hmax，可以为0.5Hmax、0.6Hmax、…、Hmax，根据轧制稳定性要求，在轧制变形过程中控制轧辊的进给速度V为(0.3～0.8)Vmax，可以为0.3Vmax、0.4Vmax、…、0.8Vmax，根据轴承材料初始组织状态，轧制比k为(0.7～1)kmax，可以为0.7kmax、0.8kmax、…、kmax；
其中，Hmax为最大壁厚，
Figure GDA0002461611530000042
β为环件与径向轧辊之间的摩擦角，R1和R2分别为驱动辊和压力辊的工作面半径；Vmax为最大进给速度，
Figure GDA0002461611530000043
n1为驱动辊转速，R和r分别为轧制中轴承基体环件的外半径和内半径；kmax为最大轧制比，
Figure GDA0002461611530000044
d和Rc分别为轴承基体材料初始的碳化物直径和圆度，ra为轧制前轴承基体锻坯的平均半径。
控制冷轧变形量和变形速度，其目的是为了使碳化物周围产生位错缠绕，从而为后续碳化物的调控提供一定的初始条件，同时需要控制变形速度和变形量不能过大，否则将导致基体产生损伤。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承基体的某个分区进行脉冲电流处理前，将轴承基体该分区装夹在两个电极棒之间，并使该分区上下两个端面分别与对应的电极棒接触。脉冲电流发生器用于在常温下对轴承基体进行脉冲电流处理。脉冲电流处理的核心是局部高能电场作用在金属材料上，采用电极棒可以保证较高的电流密度，产生高能电场作用，同时，可以保证各分区能被均匀处理。
在本发明的优选实施例中，如图1所示，轴承基体沿周向均分为8～64个分区，分区的数量与电极棒尺寸、轴承基体的尺寸相关，分区越多，处理效果越好，但相应成本和时间也会增加，故设置合理的分区数量可以保证处理效果，并节约成本。
在本发明的优选实施例中，对轴承基体每个分区进行2～60次连续脉冲电流处理。连续脉冲电流处理的次数是依据处理的效果来定的，进行多次处理是为了使整个区域的大部分碳化物均得到调控(单次处理可能使碳化物调控不够充分)，从而使整体碳化物细化。
以下列举两个实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
以M50材质某型号轴承基体为例，其碳化物的复合场调控方法按如下步骤实现：
S1、冷轧环成形：采用冷轧环成形方法实现轴承基体毛坯的成形，根据轧环条件，设计轴承基体毛坯的壁厚H为22.5mm；根据轧制稳定性要求，在轧制变形过程中控制轧辊的进给速度V为0.5mm/s；根据轧制锻透条件，控制轧制比k为1.35；
S2、脉冲电流处理：
将轴承基体装夹在脉冲电流发生器铜电极棒中间位置，使其上下端面与电极棒完全接触后，在常温下对轴承基体进行脉冲电流处理，将轴承基体沿周向均分为16个区域，设置脉冲电流密度为10.8kA/cm2，单个脉冲电流的作用时间为0.02s，一次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为8个，待一次连续输入电脉冲结束后，间隙1s后继续对轴承基体同一分区进行下一次连续脉冲电流处理，轴承基体的同一分区进行50次连续脉冲电流处理，当对每个分区均处理后，即完成对轴承基体的脉冲电流处理。
将实施例1中在连续脉冲电流处理前后的轴承基体碳化物萃取后进行分析对比，M50轴承基体碳化物的尺寸对比结果如表1所示：实施本发明后轴承基体中碳化物平均直径下降了41％，碳化物的圆度也从1.62提升到1.35。图2a、图2b分别为本发明实施前和实施后的轴承基体碳化物形貌对比，可以发现经过本发明处理后，碳化物的尺寸变得更加细小和均匀。
表1
平均直径(nm) 平均圆度
处理前 532 1.62
处理后 316 1.35
实施例1说明，采用本发明能够在短时间内显著的细化M50轴承基体的碳化物尺寸，改善碳化物的形貌。
实施例2
以GCr15材质某型号轴承基体为例，其碳化物的复合场调控方法按如下步骤实现：
S1、冷轧环成形：采用冷轧环成形方法实现轴承基体毛坯的成形，根据轧环条件，设计轴承基体毛坯的壁厚H为20mm；根据轧制稳定性要求，在轧制变形过程中控制轧辊的进给速度V为0.8mm/s；根据轧制锻透条件，控制轧制比k为1.45；
S2、脉冲电流处理：
将轴承基体装夹在脉冲电流发生器铜电极棒中间位置，使其上下端面与电极棒完全接触后，在常温下对轴承基体进行脉冲电流处理，将轴承基体沿周向均分为32个区域，设置脉冲电流密度为7.5kA/cm2，单个脉冲电流的作用时间为0.02s，一次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为12个，待一次连续输入电脉冲结束后，间隙1s后继续对轴承基体同一分区进行下一次连续脉冲电流处理，轴承基体的同一分区进行60次连续脉冲电流处理，当对每个分区均处理后，即完成对轴承基体的脉冲电流处理。
将实施例2中在连续脉冲电流处理前后的轴承基体碳化物萃取后进行分析对比，GCr15轴承基体碳化物的尺寸对比结果如表2所示：本发明实施后轴承基体中碳化物平均直径下降了46％，碳化物的圆度也从1.31提升到1.20。
表2
平均直径(nm) 平均圆度
处理前 783 1.31
处理后 426 1.20
本发明还适用于其它材质的轴承基体，其方法与上述实施例相同，效果也相同，在此不逐一列举实施例。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种轴承基体碳化物的复合场调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、冷轧环成形：采用冷轧环成形工艺实现轴承基体的成形，冷轧环成形工艺中，轴承基体毛坯的壁厚H为(0.5～1)Hmax，在轧制变形过程中控制轧辊的进给速度V为(0.3～0.8)Vmax，轧制比k为(0.7～1)kmax；
其中，Hmax为最大壁厚，
Figure FDA0002461611520000011
β为环件与径向轧辊之间的摩擦角，R1和R2分别为驱动辊和压力辊的工作面半径；Vmax为最大进给速度，
Figure FDA0002461611520000012
n1为驱动辊转速，R和r分别为轧制中轴承基体环件的外半径和内半径；kmax为最大轧制比，
Figure FDA0002461611520000013
d和Rc分别为轴承基体材料初始的碳化物直径和圆度，ra为轧制前轴承基体锻坯的平均半径；
S2、脉冲电流处理：
S201、提供一能够产生脉冲电流的脉冲电流发生器，设置脉冲电流处理参数为：单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度j为(0.6～1)jmax，其中，jmax为最大脉冲电流密度，
Figure FDA0002461611520000014
cp、d和ρ分别为轴承基体材料的比热容、密度和电阻率；
S202、将轴承基体沿周向分为若干个分区，通过所述脉冲电流发生器对轴承基体的各个分区进行多次连续脉冲电流处理，相邻两次连续脉冲电流处理的时间间隔为1～60s，单次连续脉冲电流处理连续输入电脉冲作用的个数N为(0.1～1)Nmax，其中，Nmax为最大连续输入脉冲个数，
Figure FDA0002461611520000015
D1和D2分别为轴承基体的外径和内径。
2.根据权利要求1所述的轴承基体碳化物的复合场调控方法，其特征在于，所述脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承基体的某个分区进行脉冲电流处理前，将轴承基体该分区装夹在两个电极棒之间，并使该分区上下两个端面分别与对应的电极棒接触。
3.根据权利要求1所述的轴承基体碳化物的复合场调控方法，其特征在于，所述轴承基体沿周向均分为8～64个分区。
4.根据权利要求1或3所述的轴承基体碳化物的复合场调控方法，其特征在于，对轴承基体每个分区进行2～60次连续脉冲电流处理。
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