CN110348172B - 一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法 - Google Patents

一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法，包括以下步骤：S1、获取淬火组织相关参数，所述淬火组织相关参数包括淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数和残余奥氏体的碳含量；S2、当回火后存在多道次的时效阶段且时效温度与回火温度不同时，引入虚拟转变时间，所述虚拟转变时间由低温回火与多道次等温时效温度和时间以及最终时效温度计算得到；S3、将淬火组织相关参数和虚拟转变时间代入高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型，即预测出对应的尺寸变化。本发明基于淬火组织状态与回火工艺参数，依据高碳铬轴承钢在时效阶段其亚稳组织转变的遗传性及相应尺寸变化的连贯性，可以准确预测高碳铬轴承钢尺寸稳定性。

Description

一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料时效变形预测方法，具体涉及一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法。
背景技术
精密机床作为现代制造业的“母机”，其加工精度影响到整个工业的技术水平。轴承作为机械传动的支撑部件，其精度与精度保持性直接决定了机床的加工精度和回转精度。轴承一般由轴承基体(又称套圈，包括内、外圈)、滚动体和保持架组成，而轴承基体用钢的尺寸稳定性对轴承的精度与精度保持性密切相关。尺寸稳定性是指经过热处理或加工的材料，在低于弹性极限的外力作用或者无外力作用力时能够保持不变形的能力。
GCr15钢作为高碳铬轴承钢的代表钢种，具有硬度高而组织均匀、耐磨性良好和接触疲劳寿命高等性能优点，是一百多年来各国使用最多的轴承钢种。在GCr15轴承钢的基础上，改变Cr、Si、Mn或Mo的含量以调整轴承淬透性的钢种，本质上都属于高碳铬轴承钢。经过常规热/冷加工与热处理(包括马氏体淬火和低温回火)后，高碳铬轴承钢内存在较多亚稳定组织(包括残余奥氏体和回火马氏体)。在轴承的存放(时效)阶段，亚稳定组织转变伴随着显著尺寸变化，即高碳铬轴承钢的尺寸稳定性差，而精密轴承基体的尺寸稳定性直接影响安装质量和轴承的各项性能。可见时效阶段引起的尺寸变化，会造成轴承在使用早期即出现精度降低乃至精度过早丧失。因而，研究高碳铬轴承钢的尺寸稳定性，是非常有意义、也是非常迫切的。
现有关于轴承基体用钢尺寸稳定性的表征方法主要包括残余应力测量法、开口圆环法和冷热循环实时检测等。其中，残余应力测量法仅能表征由残余应力释放导致的尺寸变化，但精密轴承基体往往需要经稳定化回火处理，时效时残余应力值变化很小；开口圆环法只能得出测量的最终结果，不能够获得试样在测试环境发生变化过程中的尺寸变化情况；冷热循环实时检测法仍缺乏理论依据指导。现存轴承基体用钢尺寸稳定性的表征方法难以实时提供尺寸稳定性变化规律，尚不能直观地反映轴承基体用钢的尺寸稳定性与成形工艺的关联关系。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法，它基于淬火组织状态与回火工艺参数，依据高碳铬轴承钢在时效阶段其亚稳组织转变的遗传性及相应尺寸变化的连贯性，可以准确预测高碳铬轴承钢尺寸稳定性，降低试验设计及预测成本，灵活性较高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法，包括以下步骤：
S1、获取淬火组织相关参数，所述淬火组织相关参数包括淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数和残余奥氏体的碳含量；
S2、当回火后存在多道次的时效阶段且时效温度与回火温度不同时，引入虚拟转变时间，所述虚拟转变时间由低温回火与多道次等温时效温度和时间以及最终时效温度计算得到；
S3、将步骤S1中得到的淬火组织相关参数和步骤S2中得到的虚拟转变时间，代入高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型，即预测出对应的尺寸变化。
本发明产生的有益效果是：本发明依据高碳铬轴承钢在时效阶段其亚稳组织转变的遗传性及相应尺寸变化的连贯性，将淬火组织状态与回火(与稳定化回火)工艺参数代入高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型，从而准确预测高碳铬轴承钢的尺寸变化，本发明能够有效指导制造工艺和服役条件设计优化，还能降低试验设计及预测成本，且具有较高的灵活性。
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1a是本发明实施例1的尺寸变化预测值的示意图；
图1b是本发明实施例1的尺寸稳定性的示意图；
图2a是本发明实施例2的尺寸变化预测值的示意图；
图2b是本发明实施例2的尺寸稳定性的示意图；
图3a是本发明实施例3的尺寸变化预测值的示意图；
图3b是本发明实施例3的尺寸稳定性的示意图。
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。
本发明实施例提供一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法，包括以下步骤：
S1、获取淬火组织相关参数，所述淬火组织相关参数包括淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数和残余奥氏体的碳含量，可以根据《YB T 5338-2006钢中残余奥氏体定量测定X射线衍射仪法》获得淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数，根据残余奥氏体晶胞参数计算得到残余奥氏体的碳含量；
S2、当回火后存在多道次的时效阶段且时效温度与回火温度不同时，引入虚拟转变时间，所述虚拟转变时间由低温回火与多道次等温时效温度和时间以及最终时效温度计算得到；
S3、将步骤S1中得到的淬火组织相关参数和步骤S2中得到的虚拟转变时间，代入高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型，即预测出对应的尺寸变化和尺寸稳定性。
在本发明的优选实施例中，步骤S1中，淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的碳含量x0由下式计算得到：
Figure BDA0002151622160000031
其中，x0为淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的碳含量(摩尔分数)，
Figure BDA0002151622160000032
为淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的晶胞参数，可由XRD衍射结果获得。淬火结束时，淬火马氏体的碳含量与新鲜残余奥氏体的碳含量一致，为x0。
在本发明的优选实施例中，步骤S2中，获取低温回火与多道次等温时效温度和时间，并根据最终时效温度计算得到虚拟转变时间，
Figure BDA0002151622160000033
Figure BDA0002151622160000034
等温时效同等的组织转变程度，所需虚拟转变时间的表达式为：
Figure BDA0002151622160000035
式中，Ti为第i道次时效阶段的时效温度，ti为第i道次时效阶段的时效时间，Q为各亚稳组织转变激活能平均值，R为通用气体常数,R＝8.314J/(mol·K)。
在本发明的优选实施例中，步骤S3中，高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型的表达式为
Figure BDA0002151622160000041
式中，
Figure BDA0002151622160000042
等温时效的尺寸变化量，
Figure BDA0002151622160000043
Figure BDA0002151622160000044
等温时效伴随的尺寸变化量。
在本发明的优选实施例中，
Figure BDA0002151622160000045
等温时效的尺寸变化量Δln的表达式如下：
Figure BDA0002151622160000046
式中，l0为淬火态高碳铬轴承钢材料的初始长度，
Figure BDA0002151622160000047
为淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数，(ΔV/V)M为高碳铬轴承钢马氏体的等效平均原子体积变化，(ΔV/V)γ为高碳铬轴承钢残余奥氏体的平均原子体积变化；
对单一相而言，在回火前后单相的平均原子体积变化可由其铁原子再分配程度，以及新相和母相的比容差异计算，在高碳铬轴承钢回火与时效过程中，淬火马氏体历经了饱和碳原子脱溶、过渡碳化物析出和渗碳体析出，此过程均涉及碳原子及相应的铁原子扩散，而渗碳体的析出同时会消耗过渡碳化物，因此，在回火和时效过程中马氏体的等效平均原子体积变化为：
Figure BDA0002151622160000048
式中，x1和x2分别为马氏体在回火开始时的碳含量和马氏体在过渡碳化物析出结束时的碳含量，x1＝x0-0.35，x2＝0.35at.％，Yε(t)和Yθ(t)分别为过渡碳化物和渗碳体析出动力学参数，sε和sθ分别为过渡碳化物和渗碳体的铁原子配位数，sε＝2.4、sθ＝3，rε、rθ和rα分别为各相晶胞体积内铁原子个数，rε＝6、rθ＝12、rα＝2，Ωε、Ωθ和
Figure BDA0002151622160000051
分别为过渡碳化物、渗碳体和回火马氏体的室温晶胞体积，Ωε＝0.0857nm3、Ωθ＝0.155nm3、
Figure BDA0002151622160000052
在长时间回火和存放时必须考虑回复过程中位错密度降低对晶胞体积的影响，以0.00027exp[-(10-12·t)0.2]nm3表征马氏体的回复对晶胞体积的影响；
马氏体在回火及时效过程中的碳含量
Figure BDA0002151622160000053
可表示为：
Figure BDA0002151622160000054
x1和x2是马氏体内碳含量在回火开始时与过渡碳化物析出结束时这两个时间点的含量，而
Figure BDA0002151622160000055
是一个过程量，为了计算在回火、存放过程中由于马氏体的过饱和程度对马氏体平均原子体积的贡献由碳原子守恒；
在回火和时效过程中残余奥氏体分解为渗碳体和铁素体，参与分解的残余奥氏体内的碳原子及部分铁原子形成渗碳体，余下的铁原子转移至铁素体中，因此，在回火和时效过程中残余奥氏体的平均原子体积变化的表达式为：
Figure BDA0002151622160000056
式中，Yγ(t)为残余奥氏体分解动力学参数，取Yγ(t)＝Yθ(t)，rα和rγ分别为铁素体和残余奥氏体晶胞体积内铁原子个数，rα＝2、rγ＝6，Ωα和Ωγ分别为铁素体和残余奥氏体的晶胞体积，Ωα＝0.286643nm3、Ωγ＝(0.36306+0.095x0/(1-x0))3。
在本发明的优选实施例中，Yε(t)、Yθ(t)和Yγ(t)的表达式如下：
Figure BDA0002151622160000057
Figure BDA0002151622160000061
Figure BDA0002151622160000062
以下列举3个具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
以球化退火态G8Cr15轴承钢为例，其经过(845℃×30min、60℃油冷淬火)+(160℃×3h低温回火)处理，随后在120℃温度环境下长时间存放。
采用本发明对球化退火态G8Cr15轴承钢的尺寸稳定性进行预测，包括以下步骤：
S1、由淬火保温及冷却工艺参数和XRD测量结果可得
Figure BDA0002151622160000063
x0＝3.71at.％，各亚稳组织转变激活能平均值为114kJ/mol；
S2、由回火和时效工艺可知T1＝160℃、t1＝3h以及时效温度T2＝120℃，计算得到回火时间在时效温度下的虚拟转变时间为77.5h；
S3、将淬火态组织相关参数、虚拟转变时间带入G8Cr15轴承钢尺寸稳定性模型以预测出对应的尺寸变化。预测尺寸变化量(图中用线条表示)与试验测量尺寸变化量(图中用三角形表示)对比如图1a所示，相应的尺寸稳定性如图1b所示。
实施例2
以球化退火态GCr15轴承钢为例。选取经过(845℃×30min、70℃油冷淬火)+(160℃×3h低温回火)+(110℃×10h稳定化回火)的GCr15轴承钢试样，随后在120℃温度环境下长时间存放。
采用本发明对球化退火态GCr15轴承钢的尺寸稳定性进行预测，包括以下步骤：
S1、由淬火保温及冷却工艺参数和XRD测量结果可得
Figure BDA0002151622160000064
x0＝4.31at.％，各亚稳组织转变激活能平均值取值120kJ/mol；
S2、由回火和稳定化回火工艺可知T1＝160℃、t1＝3h、T2＝110℃、t2＝10h，以及时效温度T3＝120℃，计算得到回火和稳定化回火时间在时效温度下的虚拟转变时间为93.1h；
S3、将淬火态组织相关参数、虚拟转变时间带入GCr15轴承钢尺寸稳定性模型以预测出对应的尺寸变化。预测尺寸变化量(图中用线条表示)与试验测量尺寸变化量(图中用方形表示)对比如图2a所示，相应的尺寸稳定性如图2b所示。
实施例3
以球化退火态GCr15SiMn轴承钢为例。选取经过(845℃×8min、70℃油冷淬火)+(-79℃×4h冷处理)+(170℃×4h低温回火)的GCr15SiMn轴承钢，随后在100℃温度环境下长时间存放。
采用本发明对球化退火态GCr15SiMn轴承钢的尺寸稳定性进行预测，包括以下步骤：
S1、由淬火保温及冷却工艺参数和XRD测量结果可得
Figure BDA0002151622160000071
x0＝4.08at.％，各亚稳组织转变激活能平均值取值130kJ/mol；
S2、由回火与时效工艺可知T1＝170℃、t1＝4h，以及时效温度T3＝100℃，计算得到回火时间在时效温度下的虚拟转变时间为1809.4h；
S3、将淬火态组织相关参数、虚拟转变时间带入GCr15SiMn轴承钢尺寸稳定性模型以预测出对应的尺寸变化。预测尺寸变化量(图中用线条表示)与试验测量尺寸变化量(图中用圆形表示)对比如图3a所示，相应的尺寸稳定性如图3b所示。
从上述3个实施例可知，由本发明获得的预测尺寸变化量与试验测量尺寸变化量吻合。可见，本发明可以很好地预测高碳铬轴承钢在时效阶段的尺寸变化及尺寸稳定性，从而可以为优化淬、回火工艺和控制时效环境，为控制和提高高碳铬轴承钢的尺寸稳定性提供依据，具有一定的工程实用价值。
以上所述仅为本发明的有限实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依据前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的竞速和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高碳铬轴承钢尺寸稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取淬火组织相关参数，所述淬火组织相关参数包括淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数和残余奥氏体的碳含量，残余奥氏体的碳含量x0由下式计算得到：
Figure FDA0002475417020000011
其中，
Figure FDA0002475417020000012
为淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的晶胞参数；
S2、当回火后存在多道次的时效阶段且时效温度与回火温度不同时，引入虚拟转变时间，所述虚拟转变时间由低温回火与多道次等温时效温度和时间以及最终时效温度计算得到，具体的，在时效温度Tn下达到经过T1×t1等
Figure FDA0002475417020000013
等温时效同等的组织转变程度，所需虚拟转变时间的表达式为：
Figure FDA0002475417020000014
式中，Ti为第i道次时效阶段的时效温度，ti为第i道次时效阶段的时效时间，Q为各亚稳组织转变激活能平均值，R为通用气体常数,R＝8.314J/(mol·K)；
S3、将步骤S1中得到的淬火组织相关参数和步骤S2中得到的虚拟转变时间，代入高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型，即预测出对应的尺寸变化，其中，高碳铬轴承钢尺寸稳定性模型的表达式为
Figure FDA0002475417020000015
式中，Δln为经过T1×t1等
Figure FDA0002475417020000016
等温时效的尺寸变化量，Δln-1为经过T1×t1等
Figure FDA0002475417020000017
等温时效伴随的尺寸变化量，
Figure FDA0002475417020000018
式中，l0为淬火态高碳铬轴承钢材料的初始长度，
Figure FDA0002475417020000021
为淬火态高碳铬轴承钢内残余奥氏体的体积分数，(ΔV/V)M为高碳铬轴承钢马氏体的等效平均原子体积变化，(ΔV/V)γ为高碳铬轴承钢残余奥氏体的平均原子体积变化；
Figure FDA0002475417020000022
式中，x1＝和x2分别为马氏体在回火开始时的碳含量和马氏体在过渡碳化物析出结束时的碳含量，x1＝x0-0.35，x2＝0.35at.％，Yε(t)和Yθ(t)分别为过渡碳化物和渗碳体析出动力学参数，sε和sθ分别为过渡碳化物和渗碳体的铁原子配位数，sε＝2.4、sθ＝3，rε、rθ和rα`分别为各相晶胞体积内铁原子个数，rε＝6、rθ＝12、rα`＝2，
Figure FDA0002475417020000023
Ωε＝和Ωθ＝分别为回火马氏体、过渡碳化物和渗碳体的室温晶胞体积，
Figure FDA0002475417020000024
马氏体在回火及时效过程中的碳含量
Figure FDA0002475417020000025
为的表达式如下：
Figure FDA0002475417020000026
Figure FDA0002475417020000027
式中，Yγ(t)为残余奥氏体分解动力学参数，取Yγ(t)＝Yθ(t)，rα和rγ＝分别为铁素体和残余奥氏体晶胞体积内铁原子个数，rα＝2、rγ＝6，Ωα＝和Ωγ分别为铁素体和残余奥氏体的晶胞体积，Ωα＝0.286643nm3、Ωγ＝(0.36306+0.095x0/(1-x0))3；
Yε(t)、Yθ(t)和Yγ(t)的表达式如下：
Figure FDA0002475417020000031
Figure FDA0002475417020000032
Figure FDA0002475417020000033
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