CN110863169A - 一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，获取热物性能、CCT、TTT及淬硬性曲线；根据各曲线及制定的初始热处理工艺，建立渗碳钢轴承套圈的温度场、组织场及应力场耦合下的热处理仿真模型，对渗碳钢轴承套圈进行热处理过程模拟，得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据；判断上述数据满足要求，则按照初始热处理工艺对轴承套圈进行热处理；若不满足要求，则调整参数重新计算上述数据，若此时的数据满足要求，则将此时数据作为轴承钢圈的热处理工艺参数。本发明能够灵活调整热处理工艺的各个细节，实时调整工艺参数，具有一定的通用性。按照本发明的处理工艺，可以高效节能、有效节省经济时间和经济成本。

Description

一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法

技术领域

本发明属于热处理技术领域，特别涉及一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法。

背景技术

轴承作为高速铁路、精密机床、风力发电机等重大装备关键零部件，其技术水平直接决定了整个装备整体的发展水平。轴承包含套圈(包含内圈和外圈)、滚动体和保持架三大组件。由于我国幅员辽阔，内陆深广，地区间的气候环境差异大。高速列车长交路运行以及低温、环境腐蚀、风沙侵害等都是我国所特有的运行条件，这使得轴箱轴承的服役变得更为苛刻。要求轴承钢材料具有高强硬度、高耐磨性、高冲击韧性，长疲劳寿命和稳定性。我国动车组轴箱轴承的失效屡有发生，引起轴承剥离和裂损的原因多样，如轴承材质不良(大尺寸非金属夹杂物)、配合不当(组件尺寸超差)、油脂润滑不良、偏载作用、恶劣的运用环境(腐蚀)等等。但如果把这些因素归纳起来可以分为运用因素和制造因素两方面。

轴承中套圈的重量和制造成本占整个轴承产品的60％-70％，属于轴承最重要的组成部件，轴承的寿命取决于轴承套圈的微观组织状态。从目前统计和掌握的情况来看，动车组中渗碳轴承套圈的故障率要远低于高碳轴承，而对于目前研制的新型DZC1渗碳钢，确定了冶炼工艺和成分体系，采用RH真空脱气工艺熔炼使其化学成份、非金属夹杂物、力学性能低倍组织及晶粒度等均达到了试制技术条件要求，并具有组织均匀、性能优良、纯洁度高的优点。由于其成分体系的调整，需要基于现有的渗碳钢热处理工艺，对各阶段参数进行优化。而传统的热处理工艺的确定需要大量的试验，耗时耗力，且需要大量经费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，用于解决现有技术中轴承套圈热处理方法耗时耗力及成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种渗碳钢轴承套圈热处理方法，包括如下步骤：

1)根据渗碳钢的化学成分含量，获取热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线；

2)根据所述热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线及制定的初始热处理工艺，建立渗碳钢轴承套圈的温度场、组织场及应力场耦合下的热处理仿真模型，对渗碳钢轴承套圈进行降温、淬火、回火的热处理过程的模拟，热处理过程模拟结束后，得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据；

3)判断所述轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层及应力跟踪数据是否满足设定要求，若满足要求，则按照初始热处理工艺对渗碳钢轴承套圈进行热处理；若不满足要求，则调整初始热处理工艺的各阶段的温度、时间参数重新计算得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据，判断此时的轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据是否满足要求，若满足要求，则得到此时的渗碳钢轴承钢圈的热处理工艺参数。

为了满足初始热处理工艺的需要，考虑了很多参数，即初始热处理工艺的各阶段的参数为：预热时间、温度；渗碳时间、次数、炉内碳浓度；降温温度、保温时间、冷却速度、冷却时间；淬火时间、温度。

温度场、组织场及应力场的热处理仿真模型根据不同的参数来确定，即所述温度场的热处理仿真模型根据预热时间及温度来建立，所述组织场的热处理仿真模型根据次数、炉内碳浓度来建立，所述应力场的热处理仿真模型根据降温温度、保温时间、冷却速度、冷却时间、淬火时间、温度来建立。

为了方便快速计算马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据，选取初始热处理工艺中的降温温度、保温时间及淬火时间为试验因素后，列取正交试验设计表，确定因素编码表，计算轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据。

本发明的有益效果是：

本发明根据渗碳钢的化学成分含量，获取热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线；根据各曲线及制定的初始热处理工艺，建立渗碳钢轴承套圈的温度场、组织场及应力场耦合下的热处理仿真模型，对渗碳钢轴承套圈进行降温、淬火、回火的热处理过程的模拟，得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据；判断上述数据是否满足设定要求，若满足要求，则按照初始热处理工艺对渗碳钢轴承套圈进行热处理；若不满足要求，则调整参数重新计算上述数据，若此时的轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据满足要求，则将此时数据作为渗碳钢轴承钢圈的热处理工艺参数。本发明能够灵活调整热处理工艺的各个细节，实时调整工艺参数，具有一定的通用性。按照本发明的处理工艺，可以高效节能、有效节省经济时间和经济成本。

附图说明

图1为本发明的渗碳钢轴承套圈热处理工艺优化流程图；

图2为本发明的0.2％C碳含量下的渗碳钢的CCT曲线图；

图3为本发明的0.2％C碳含量下的渗碳钢的TTT曲线图；

图4.a为本发明的淬硬性能的拉伸强度的曲线图；

图4.b为本发明的淬硬性能的屈服强度的曲线图；

图4.c为本发明的淬硬性能的硬度的曲线图；

图5为本发明的淬火介质换热系数与时间的变化关系示意图；

图6为本发明的渗碳钢DCZ1的CCT曲线图；

图7为本发明的渗碳钢DCZ1的TTT曲线图；

图8为本发明的优化前后等效应力的对比示意图；

图9为本发明的优化前后最大主应力的对比示意图；

图10为本发明制定的初始热处理工艺路线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本发明提供了一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，包括如下步骤：

1)根据渗碳钢的化学成分含量，获取热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线；

2)根据热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线及制定的初始热处理工艺，建立渗碳钢轴承套圈的温度场、组织场及应力场耦合下的热处理仿真模型，对渗碳钢轴承套圈进行降温、淬火、回火的热处理过程的模拟，热处理过程模拟结束后，得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据；

3)判断轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层及应力跟踪数据是否满足设定要求，若满足要求，则按照初始热处理工艺对渗碳钢轴承套圈进行热处理；若不满足要求，则调整初始热处理工艺的各阶段的温度、时间参数重新计算得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据，判断此时的轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据是否满足要求，若满足要求，则得到此时的渗碳钢轴承钢圈的热处理工艺参数。

具体而言，如图1所示，本发明的渗碳钢轴承套圈热处理工艺包括以下步骤：

步骤1新型渗碳钢材料库计算。根据渗碳钢的化学成分含量，基于金属材料相图计算软件计算分析得到新型渗碳钢的材料性能，包括CCT曲线、TTT曲线、淬硬性曲线等，曲线示意图如图2、图3及图4.a-4.c所示。

渗碳钢材料的性能参数因材料的化学成分不同而有差异性。本实施例利用材料性能分析软件JMatPro进行计算，新型渗碳钢的化学成分如下表1所示。

表1不同碳含量下渗碳钢成分(wt，％)

步骤2初始热处理工艺制定。参考一般渗碳钢热处理工艺，并结合轴承钢热处理工艺要求，初步制定新型渗碳钢轴承套圈热处理工艺方案。

渗碳钢DZC1的成分与G20CrNi2MoA相近，某轴承厂采用G20CrNi2MoA渗碳钢生产的BT8545型双列圆锥滚子轴承，其采用的初始热处理调制工艺路线如图10所示。而本次优化前的热处理工艺以该工艺为基础，之后再进行优化。

步骤3热处理有限元模型建立和计算。建立温度场、组织场和应力场耦合下的热处理仿真模型，实现新型渗碳钢轴承套圈热处理预热、渗碳、扩散、降温、淬火、回火、二次淬火、二次回火全过程的模拟，得到热处理后套圈各部位马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据。

运用解析法进行热处理过程温度场和应力场的计算十分复杂，特别是对于尺寸相对较大的零部件的热处理过程，很难应用解析法来求解，因此借助计算机仿真软件进行辅助计算。热处理过程是非线性问题，属于热—力耦合分析，涉及到传热学、热弹塑性力学、相变动力学以及材料学等相关理论知识。

1温度场

热处理过程大部分工艺都是在高温条件下进行的，必然会发生热量的产生与传递，导致材料的塑性变形，同时还发生材料的相变、动态结晶等过程。温度场中的非线性因素主要是考虑综合换热系数、材料的热物性参数以及相变潜热。温度场的分布和变化会影响工件的组织转变和应力大小及分布，因此在进行热处理数值模拟计算时一定要精准把握温度场的各个参数，这样才能使得计算结果有参考意义。

导热微分方程

热传导控制方程一般是结合能量守恒定律和傅里叶定律得到，热处理过程描述工件温度变化的固体三维非稳态热传导控制方程以傅里叶定律作为理论基础。其表达式为：

其中，T为工件温度(℃)，t为过程持续时间(s)，λ为材料导热系数(W/m·℃)，ρ为材料密度(kg/m³)，qv为相变潜热(J/m³)，c_p为材料定压比热容(J/kg·℃)。

本实施例中的热处理过程涉及到的传热问题属于第三类边界条件。对于第三类边界条件，通常使用综合换热边界，公式为：

其中，H为综合换热系数：

H＝H_k+H_s (3)

其中，H_s为辐射换热系数，σ为Stefan—Boltzmann常数；大小为5.768x10^-8w/(m²·K⁴)，ε为辐射率，大小取决于工件材料以及表面形状尺寸，T_w为工件表面温度，T_c为介质温度。

本实施例中新型高速铁路轴承渗碳钢DZC1在热处理淬火过程中淬火油换热系数与时间的变化关系，如图5所示。

在淬火过程中，由于奥氏体分解时各相的热焓值不同，所以不同的组织转变释放潜热也是不同的。组织转变量越大，则相变潜热释放越多，计算公式如下：

其中，ΔH为各个相对应的热焓值，ΔV为Δt时间内相变增量。温度场和组织场的耦合关系十分复杂，在模拟计算组织转变时，必须结合温度场反复迭代计算，以此提高计算精度。在奥氏体分解发生相变时对应各相的热焓值如表2所示。

表2渗碳钢DZC1各相热焓值

2组织场

TTT曲线和CCT曲线是描述热处理过程组织转变过程的最准确简洁的两种方式，利用软件JMatPro计算得到的新型高速铁路轴承渗碳钢DZC1的CCT曲线和TTT曲线如图6和图7所示。

CCT曲线反映了奥氏体在不同冷速下的相图转变组织，不同相的临界转变速率、起止温度、转变时间。TTT曲线反映了新型高速铁路轴承渗碳钢DZC1在奥氏体化温度以上某一温度快速冷却到各个温度时的相组成，以及马氏体转变起始点和50％转变量对应温度。

扩散型相变转变体积分数与时间的方程，其表达式为：

上述方程中，形核率I与生长速率G均为常数，τ为时间，f(τ)为转变体积分数。

在有限元模拟软件DEFORM-3D中，由奥氏体向马氏体的转化过程可以用如下计算模型表示：

其中，ε_M为马氏体转变量，T为瞬时温度，C、C₀为碳原子量，σ_m、

分别为外界应力均值、主应力，

和

分别为比例因子。

一般淬火过程无外界应力，因此

均为0，根据渗碳钢的TTT曲线可以知道马氏体初始转变温度为372℃，转化量为50％时对应温度为338℃，代入方程可求解出

为0.0204，

为-7.5838，具体如表3所示。

表3组织转变起止温度

3残余应力场

在建模分析时需要作出如下假设：

(1)材料服从Mises屈服准则；

(2)材料满足体积不变定律；

(3)材料在塑性区内满足流动法则；

(4)材料的应变分量(弹性应变、塑性应变和温度应变)可离散分解；

(5)材料的热物性参数在单位时间增量内线性变化。

热弹塑性模型的应变增量表达式如下：

其中，

指的是热弹性应变，

是塑性应变，

是热应变，

是相变应变，

为相变塑性应变。

应力应变关系为：

d{σ}＝[D_ep]d{ε} (9)

其中，[D_ep]为弹塑性矩阵。

步骤4判断初步拟定的热处理工艺下新型渗碳钢轴承套圈热处理质量是否达标，如果未达到要求，重新选取需要优化的工艺参数和其调整范围。按照正交试验设计方法，列出正交试验设计表，确定因素编码表，设计出热处理工艺参数优化方案。其中，正交试验参数选取如表4所示：

表4正交试验设计表

判断热处理工艺是否达标，需要考虑残余应力、尺寸变形、马氏体含量、残余奥氏体含量、硬度、渗碳层厚度等指标是否达到技术标准，判断标准参考国标：《热处理工艺质量控制GJB 509B-2008》，同时结合实际生产要求，如本实施例中的生产要求为：渗碳后轴承套圈表面淬硬层深度为1.5mm～2.3mm，表面含碳量应达到0.8～1.05％。轴承套圈表面硬度为59HRC～63HRC，心部硬度不小于32HRC。零件表面各部位的硬度差应不大于1HRC。同一套轴承的外圈和两个内圈表面硬度差应不大于2HRC，同一套轴承的所有滚子硬度差应不大于2HRC。重新选择优化参数包含：预热时间、温度；渗碳时间、次数、炉内碳浓度；降温温度、保温时间、冷却速度、冷却时间；淬火时间、温度。其调整范围要根据初始热处理工艺数值模拟结果并结合生产经验进行制定和调整。优化方案即指需要优化的具体的工艺参数和变量范围，优化后的各参数如图8及图9所示。热处理工艺优化前后主要指标的对比如表5所示：

表5热处理工艺优化前后主要指标对比表

步骤5按照步骤4给出的调整工艺方案重复步骤3。有限元模型计算完成后，得到试验结果，利用DPS进行回归方程的建立、回归方程的显著性检验和系数的显著性检验，最后得到最佳工艺参数组合。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据渗碳钢的化学成分含量，获取热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线；

2)根据所述热物性能曲线、CCT曲线、TTT曲线及淬硬性曲线及制定的初始热处理工艺，建立渗碳钢轴承套圈的温度场、组织场及应力场耦合下的热处理仿真模型，对渗碳钢轴承套圈进行降温、淬火、回火的热处理过程的模拟，热处理过程模拟结束后，得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据；

3)判断所述轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层及应力跟踪数据是否满足设定要求，若满足要求，则按照初始热处理工艺对渗碳钢轴承套圈进行热处理；若不满足要求，则调整初始热处理工艺的各阶段的温度、时间参数重新计算得到轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据，判断此时的轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据是否满足要求，若满足要求，则得到此时的渗碳钢轴承钢圈的热处理工艺参数。

2.根据权利要求1所述的渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，其特征在于，初始热处理工艺的各阶段的参数为：预热时间、温度；渗碳时间、次数、炉内碳浓度；降温温度、保温时间、冷却速度、冷却时间；淬火时间、温度。

3.根据权利要求2所述的渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，其特征在于，所述温度场的热处理仿真模型根据预热时间及温度来建立，所述组织场的热处理仿真模型根据次数、炉内碳浓度来建立，所述应力场的热处理仿真模型根据降温温度、保温时间、冷却速度、冷却时间、淬火时间、温度来建立。

4.根据权利要求2所述的渗碳钢轴承套圈热处理优化方法，其特征在于，选取初始热处理工艺中的降温温度、保温时间及淬火时间为试验因素后，列取正交试验设计表，确定因素编码表，计算轴承套圈各部位的马氏体、硬度、渗碳层、应力跟踪数据。

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