CN111809137B - 一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法，本发明涉及一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法。本发明的目的是为了解决现有航空轴承材料不能满足350℃以上高温集成化轴承性能要求的问题。本发明方法为：将低碳高合金钢加工成待渗碳的轴承套圈，然后放入真空渗碳炉内，抽真空、加热、低温脉冲渗碳、加热扩散、高温脉冲渗碳、气冷出炉，得到渗碳后的套圈；再去应力退火、机械加工以及淬火、冷处理和回火循环。经过本工艺方案加工的轴承套圈，工作表面硬度可控制在60～69HRC，渗层深度可达0.3～3.0mm，心部硬度可达48～54HRC，满足500℃以下轴承服役需求。本发明应用于轴承套圈的加工领域。

Description

一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法
技术领域
本发明涉及一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法。
背景技术
随着航空轴承集成化的趋势以及更高服役温度需求，对轴承性能提出了更高要求，不仅要满足轴承表面高硬度、耐磨性特性，还需具有优异的高温强度、结构韧性、抗冲击性。现有航空轴承材料如GCr15、8Cr4Mo4V、G13Cr4Mo4Ni4V等，均不满足350℃以上服役温度要求。
针对低碳、高Cr、高Co、高Mo类高合金材料的渗碳及热处理控制一直是热处理领域的难题，主要是在组织性能的匹配，碳化物的控制方面存在难点，在轴承上还没有应用先例。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有航空轴承材料不能满足350℃以上高温集成化轴承性能要求的问题，而提供一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法。
本发明一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法，按以下步骤进行：
一、将低碳高合金钢加工成待渗碳的轴承套圈；
二、渗碳：将轴承套圈放入真空渗碳炉内，抽真空、加热、低温脉冲渗碳、加热扩散、高温脉冲渗碳、气冷出炉，得到渗碳后的套圈；
三、将渗碳后套圈进行去应力退火，得到去应力退火后的轴承套圈；
四、将去应力退火后的轴承套圈进行机械加工，去除轴承套圈的外表面和端面的渗碳层，得到机械加工后的轴承套圈；
五、将机械加工后的轴承套圈进行真空淬火、气冷，得到淬火后的轴承套圈；
六、将淬火后的轴承套圈进行冷处理、回火、冷处理、回火、冷处理、回火，即得到低碳高合金钢制轴承套圈，轴承套圈加工表面分为硬化表面和非硬化表面。
本发明通过选材、渗碳工艺设计、结构设计以及热处理工艺设计，控制渗层深度、车加工留量以及材料加工过程的碳化物尺寸和分布，达到轴承套圈满足既定服役温度下的性能要求。经过本工艺方案加工的轴承套圈，表面硬度可控制在60～69HRC，渗层深度可达0.3～3.0mm，心部硬度可达48～54HRC，碳化物尺寸、形貌、分布控制得当，组织具有良好的高温力学性能和疲劳性能，满足500℃以下轴承服役需求。
附图说明
图1为实施例1中机械加工的示意图；
图2为实施例1加工的低碳高合金钢制轴承套圈的表层硬度梯度；
图3为实施例1加工的低碳高合金钢制轴承套圈的表层组织；
图4为实施例1加工的低碳高合金钢制轴承套圈的心部组织；
图5为对比实试验的工艺参数渗碳热处理工艺图；
图6为渗碳及热处理后试样表层组织形貌图；
图7为表层硬度梯度曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法，按以下步骤进行：
一、将低碳高合金钢加工成待渗碳的轴承套圈；
二、渗碳：将轴承套圈放入真空渗碳炉内，抽真空、加热、低温脉冲渗碳、加热扩散、高温脉冲渗碳、气冷出炉，得到渗碳后的套圈；
三、将渗碳后套圈进行去应力退火，得到去应力退火后的轴承套圈；
四、将去应力退火后的轴承套圈进行机械加工，去除轴承套圈的外表面和端面的渗碳层，得到机械加工后的轴承套圈；
五、将机械加工后的轴承套圈进行真空淬火、气冷，得到淬火后的轴承套圈；
六、将淬火后的轴承套圈进行冷处理、回火、冷处理、回火、冷处理、回火，即得到低碳高合金钢制轴承套圈，轴承套圈加工表面分为硬化表面和非硬化表面。
本实施方式通过选材、渗碳工艺设计、结构设计以及热处理工艺设计，控制渗层深度、车加工留量以及材料加工过程的碳化物尺寸和分布，达到轴承套圈满足既定服役温度下的性能要求。经过本工艺方案加工的轴承套圈，表面硬度可控制在60～69HRC，渗层深度可达0.3～3.0mm，心部硬度可达48～54HRC，碳化物尺寸、形貌、分布控制得当，组织具有良好的高温力学性能和疲劳性能，满足500℃以下轴承服役需求。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，低碳高合金钢中C的质量分数为0.1～0.2％、Cr的质量分数为11.0～17.0％、Mo的质量分数为3.0～6.0％、Co的质量分数为11.0～13.0％。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中渗碳的方法为：将清洗干烘干后的轴承套圈送入炉膛并抽真空，压力为3-5mbar；在加热速率为10℃/min条件下，将轴承套圈加热至650～750℃，保温20～40min，然后继续加热至低温渗碳温度820℃～1000℃，保温20～40min后进行低温脉冲渗碳，反复低温脉冲渗碳18-80次，然后继续升温至960～1000℃，升温速率为10℃/min，保温10-30min后，开始高温脉冲渗碳，反复高温脉冲渗碳操作10-40次，再气冷出炉，冷却压力为1～5Bar。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：低温脉冲渗碳的方法为：保持真空渗碳炉压力为6～12mbar，通入乙炔15-90s，关闭乙炔，再通入高纯氮气，保压0.3-4h。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：高温脉冲渗碳的方法为：保持真空渗碳炉压力为6～12mbar，通入乙炔15-90s，关闭乙炔，再通入高纯氮气，保压0.3～3h。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：通过通入气体或抽真空保持真空渗碳炉压力为6～12mbar。其他与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三在650～800℃条件下进行去应力退火，保温4～10h。其他与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五中的淬火是将轴承套圈加热至1000～1090℃，保温20～90min，1～5bar的高压氮气淬火。其他与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中冷处理温度为-70～-192℃，保温时间0.5～2h。其他与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六中回火温度为450～600℃，保温时间为2～3h。其他与具体实施方式一至九之一相同。
为验证本发明的有益效果进行了以下实验：
实施例1
在多室真空渗碳炉渗碳，预设渗层深度为2.2mm。
1)制备低碳高合金轴承套圈，根据硬化表面和非硬化表面进行区分机械加工余量，套圈化学成分按质量分数为C 0.14％，Si 0.2％，Mn 0.3％，Cr 13.8％，Co 12.8％，Ni1.8％，W0.5％，Mo 4.7％，V 0.6％，余量为Fe。
2)渗碳：将清洗干烘干后的轴承套圈送入炉膛并抽真空，压力为4mbar；然后以10℃/min的加热速率加热至680℃，保温20min，继续加热至低温脉冲渗碳温度880℃，保温20min后，开始进行低温脉冲渗碳，重复低温脉冲渗碳42次，然后继续升温至980℃，升温速率为10℃/min，保温20min后，开始高温脉冲渗碳，反复高温脉冲渗碳操作10次，再气冷出炉，冷却压力为5Bar。其中低温脉冲渗碳的方法为：保持真空渗碳炉压力为10mbar，通入乙炔60s，关闭乙炔，再通入高纯氮气，保压0.3-4h。高温脉冲渗碳的方法为：保持真空渗碳炉压力为10mbar，通入乙炔40s，关闭乙炔，再通入高纯氮气，保压0.3～3h。
3)出炉的轴承套圈迅速进行去应力退火，退火温度为720℃，保温6个小时，随炉冷却；
4)将轴承套圈渗碳表面进行机械加工，外表面和端面去除3.5mm，如附图1；
5)将加工完的轴承套圈放入单室真空气淬炉进行淬火，分段650℃、900℃、1075℃三段加热，分别保温30min、10min和45min，1075℃保温结束后进行5bar的高纯氮气淬火，至30℃稳定5min后出炉；
6)出炉后迅速放入冷却炉里深冷处理，冷却温度为-180℃，保温1h；
7)冷处理后进行回火处理，回火温度为520℃，保温2h；
8)重复进行步骤6冷处理和步骤7回火处理2次。
9)经过处理后的套圈进行了表面硬度、硬度梯度、组织以及心部硬度和组织检测，表面组织有马氏体、碳化物和残余奥氏体组织，心部组织有半条马氏体和弥散点状碳化物和残余奥氏体组成。表面硬度可达820HV1，心部硬度可达540HV1。表层硬度梯度见图2(1和2为重复试验)，以580HV1硬度为有效渗层，渗层深度可达2.2mm，与预期渗层深度相符。表层组织见图3，心部组织见图4。其中表面硬度，心部硬度及硬度梯度均采用维氏显微硬度测试仪进行测量，组织采用金相显微镜在放大500倍后进行观察。
对比试验的渗碳热处理工艺如图5所示，渗碳过程共计12个脉冲，每个脉冲为强渗2min，扩散58min，循环进行。渗碳及热处理后试样表层组织形貌如图6所示，由图6可知，表层碳化物网状严重。表层硬度梯度曲线如图7所示，以550HV1硬度为有效渗层，由图7可知，表层硬度低，且此表层存在硬度突然降低区域。

Claims (1)

1.一种低碳高合金钢制轴承套圈的热加工方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、将低碳高合金钢加工成待渗碳的轴承套圈；轴承套圈化学成分按质量分数为C0.14％，Si 0.2％，Mn 0.3％，Cr 13.8％，Co 12.8％，Ni 1.8％，W0.5％，Mo 4.7％，V0.6％，余量为Fe；
二、渗碳：将清洗干烘干后的轴承套圈送入炉膛并抽真空，压力为4mbar；然后以10℃/min的加热速率加热至680℃，保温20min，继续加热至低温脉冲渗碳温度880℃，保温20min后，开始进行低温脉冲渗碳，重复低温脉冲渗碳42次，然后继续升温至980℃，升温速率为10℃/min，保温20min后，开始高温脉冲渗碳，反复高温脉冲渗碳操作10次，再气冷出炉，冷却压力为5bar ；其中低温脉冲渗碳的方法为：保持真空渗碳炉压力为10mbar，通入乙炔60s，关闭乙炔，再通入高纯氮气，保压0.3-4h；高温脉冲渗碳的方法为：保持真空渗碳炉压力为10mbar，通入乙炔40s，关闭乙炔，再通入高纯氮气，保压0.3～3h；
三、将渗碳后套圈进行去应力退火，退火温度为720℃，保温6个小时，随炉冷却，得到去应力退火后的轴承套圈；
四、将去应力退火后的轴承套圈进行机械加工，去除轴承套圈的外表面和端面的渗碳层，得到机械加工后的轴承套圈；
五、将机械加工后的轴承套圈进行真空淬火，分650℃、900℃、1075℃三段加热，分别保温30min、10min和45min，1075℃保温结束后进行5bar的高纯氮气淬火，至30℃稳定5min后出炉，得到淬火后的轴承套圈；
六、将淬火后的轴承套圈进行出炉后放入冷却炉里深冷处理，冷却温度为-180℃，保温1h；深冷处理后进行回火处理，回火温度为520℃，保温2h；重复进行深冷处理和回火处理2次，即得到低碳高合金钢制轴承套圈。
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