CN112195436A - 高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，所述工艺包括以下步骤：s1、碳氮共渗；s2、压模淬火；s3、回火；其中，中大薄壁型轴承套圈外径尺寸为100‑450mm，有效壁厚为5‑20mm，压力淬火的模具采用圆台状的上模和下模，上模和下模的小端相对设置，使得压力淬火时，上模通过圆周外表面将轴承套圈压接于下模的圆周外表面。本发明的工艺具有能够缩短前期渗碳时间，解决中大型薄壁轴承圈碳氮共渗热处理变形大、硬度和组织分布不均匀的问题的优点。

Description

高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺
技术领域
本发明涉及轴承领域，更具体地说，它涉及一种高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺。
背景技术
目前，轴承套圈多采用高碳铬轴承钢GCr15，高碳铬轴承钢GCr15综合性能好，经碳氮共渗处理工艺，能够使轴承套圈具有更高的表面强度，轴承套圈表面耐磨性与接触疲劳强度显著增强，有效提高轴承的使用寿命。高碳铬轴承钢GCr15的碳氮共渗处理工艺为碳氮共渗+自由淬火+回火。该工艺主要运用于小型、高转速轴承，因为小型轴承套圈尺寸小，外径小于55mm，热处理变形小，使得磨削量小，表面磨削后仍然能够保证表面硬度与组织的均匀性。
但中大型的薄壁轴承套圈由于外形尺寸大，外径在100mm-450mm，有效壁厚5mm-20mm，采用自由淬火，热处理变形会非常大，导致磨削量大，甚至磨削掉表面的碳氮共渗层，进而造成轴承套圈表层硬度及组织不均匀，就失去了碳氮共渗的意义。
相关技术为了磨削后能达到相同厚度的渗层深度，保证表层硬度和组织均匀，采用延长渗碳时间，加大前期渗层厚度。
针对上述中的相关技术，发明人认为延长碳氮共渗时间，存在成本增加；表层碳氮化物粗大，造成磨削量增加，降低磨削效率；成品碳氮共渗层不均匀，影响产品寿命的缺陷。
发明内容
为了改善中大型的薄壁轴承热处理变形大的缺陷，本发明的目的在于提供一种高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，所述工艺包括以下步骤：
s1、碳氮共渗；
s2、压模淬火；
s3、回火；
其中，中大薄壁型轴承套圈外径尺寸为100-450mm，有效壁厚为5-20mm，压力淬火的模具采用圆台状的上模和下模，上模和下模的小端相对设置，使得压力淬火时，上模通过圆周外表面将轴承套圈压接于下模的圆周外表面上。
通过采用上述技术方案，由于在碳氮共渗以后采用压模淬火，使得轴承圈在压模淬火时不易发生形变，减小热处理变形量，进而减小磨削量，使得轴承套圈表层硬度及组织分布均匀，不需要延长碳氮共渗时间，降低加工成本，避免造成表层碳氮化物粗大的缺陷。
进一步地，所述碳氮共渗步骤在转底炉中进行，转底炉一共25个工位，加热温度为820-840℃，推料周期为504s-792s，甲醇流量为2.5-3.5L/h，氮气流量为2-3m3/h，天然气流量为0.3-1m3/h，氨气流量为0.2-0.5m3/h，碳势在1.05％-1.25％。
通过采用上述技术方案，转底炉与压模淬火工艺结合，每转出一个轴承圈，立即进行压模淬火，减小轴承圈的压模淬火前的温度损失，并且加快工作效率。转底炉包括25个工位，每个工位放置一个轴承圈，每隔一个推料周期就走一个工位，每个轴承圈的总加热时间为推料周期乘以25。发明人研究发现，通过精确控制碳氮共渗温度、气氛、碳势、以及处理时间，制得的轴承圈既能满足碳氮共渗层深度要求，并且表面碳氮化物呈细小均匀、弥散分布，使得硬度较佳，同时组织均匀，耐磨性提高。
进一步地，所述碳氮共渗步骤中，加热温度为830℃，推料周期648s，甲醇流量为3L/h，氮气流量为2.5m3/h，天然气流量为0.5m3/h，氨气流量为0.3m3/h，碳势在1.15％。
通过采用上述技术方案，推料周期648s时，制得的轴承圈的碳氮共渗层深度和表面碳氮化物形态较佳，因此，获得更佳的硬度、组织更均匀以及耐磨性更好效果。
进一步地，所述压模淬火步骤中，压模淬火的上模锥度为30°-45°，下模锥度为30°-45°。
通过采用上述技术方案，发明人研究发现，轴承套圈的壁厚沿轴承圈轴向存在差异时，将导致淬火过程中，轴向热变形量不同，通过控制压力模具上下模的锥度在30°-45°，能够使得轴承圈轴向的热变形量保持一致。
进一步地，所述压模淬火步骤中，淬火压力为0.45MPa-0.55MPa。
通过采用上述技术方案，淬火压力为0.45MPa-0.55MPa时，轴承套圈的直径方向滚道加工余量既满足加工，又能保证产品管道滚道表面硬度和组织均匀度。
进一步地，所述压模淬火步骤中，加工的轴承外圈有效壁厚为12mm，压模模具的上模具锥度为45°，尺寸280mm，下模具锥度为45°，尺寸260mm，淬火压力为0.50MPa，淬火油温60℃，淬火时间180s。
通过采用上述技术方案，通过上下模的尺寸，对产品的尺寸大小进行控制，尺寸为280mm的上模和尺寸260mm的下模，制得壁厚为12mm的圆锥滚子轴承内圈，上模具锥度为45°，下模具锥度为45°时，得到的轴承内圈上下形变量最接近，从而使得磨削量一致，保证磨削后的表面硬度和接触疲劳强度一致，延长轴承使用寿命。提高精密度。
进一步地，所述压模淬火步骤中，加工的轴承内圈壁厚为11.5mm，压模淬火的上模具锥度为45°，尺寸为210mm，下模具锥度为30°，尺寸为210mm，淬火压力为0.50MPa，淬火油温为60℃，淬火时间180s。
通过采用上述技术方案，得到壁厚为11.5mm的轴承内圈，上模具锥度为45°，下模具锥度为30°时，得到的轴承内圈上下形变量最接近，从而使得磨削量一致，保证磨削后的表面硬度和接触疲劳强度一致，延长轴承使用寿命。提高精密度。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、由于本发明采用由于在碳氮共渗以后采用压模淬火，淬火过程中对轴承圈施加压力，使得轴承圈在淬火时不易发生形变，因此，能够减小对轴承圈的磨削量，从而提高中大薄壁型轴承圈的碳氮共渗表层硬度及组织的均匀性，延长轴承套圈的使用寿命；
第二、本发明中优选采用转底炉实现碳氮共渗与压力淬火结合，制得的轴承圈既能满足碳氮共渗层深度要求，并且变形量小，表面碳氮化物呈细小均匀、弥散分布，硬度较佳，耐磨性提高；
第三、本发明的方法，通过调节上模具和下模具的锥度，保持轴承套圈的不同壁厚处变形量一致，进一步提高磨削后，轴承圈的碳氮共渗表层硬度及组织的均匀性，延长使用寿命；提高轴承圈的精密度。
第四、本发明的方法，能够控制轴承圈内圈和外圈的磨削量保持一致，使得轴承圈内外圈的硬度及组织的均匀性相近，提高接触疲劳强度相近度，提高内圈和外圈配套使用的精密度。
附图说明
图1是本发明实施例2样品的剖面图；
图2是本发明实施例3样品的剖面图；
图3是本发明压模淬火时上模具、下模具以及轴承圈的安装示意图；
图4是本发明实施例2样品的表层碳氮化物结构图；
图5是本发明对比例3的表层粗大碳氮化物组织结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的产品适用范围：直径100mm-450mm，有效壁厚5mm-20mm的薄壁型圆锥滚子轴承套圈、圆柱滚子轴承套圈、深沟球轴承套圈、四点接触式轴承套圈、调心滚子轴承套圈等。
设备：转底炉，包括25个工位，每个工位放置一个轴承圈，每隔一个推料周期就走一个工位，每个轴承圈的总加热时间为推料周期乘以25。
碳氮共渗工艺参数：加热温度(820-840)℃，甲醇流量：(2.5-3.5)l/h，氮气流量：(2-3)m3/h，天然气流量：(0.3-1)m3/h，氨气流量：(0.2-0.5)m3/h，采用氧探头和碳控仪控制炉内碳势，碳势控制在(1.05-1.25)％，推料周期(504-792)s(总碳氮共渗时间3h-6h)。
压模淬火过程：产品碳氮共渗加热结束后，产品自动推出炉门，手动或自动转移到下模具上，然后上模具通过气缸下压，压住产品上端面内倒角进入油槽淬火。通过调整气缸压力及模具锥度，对产品尺寸大小进行控制，通过上下模具锥度的匹配或者车加工尺寸的补偿进行锥度控制，上下模具锥度为30°-45°，压力范围为0.45-0.55MPa。
回火：根据不同的回火要求，可设置(150-250)℃进行回火。回火时间：(3-6)h。
按以上工艺方法对某型号圆锥滚子轴承内外圈进行碳氮共渗+压模淬火+回火处理，产品基本尺寸如图1和图2所示。其中外圈有效壁厚12mm，内圈有效壁厚11.5mm，D1可为314mm，D2可为283.7mm，H1可为36.5mm；d1可为235mm，d2可为262mm，h1可为49mm。
实施例
实施例1
s1、碳氮共渗：将一批共25个轴承外圈产品同时置于转底炉25个工位中，设置推料周期为504s，并加热至820℃，设置甲醇流量2.5L/h，氮气流量2.0m3/h,天然气流量0.3m3/h，氨气流量0.2m3/h，碳势1.05％。
s2、压模淬火：产品碳氮共渗加热结束后，自动推出炉门转移到下模具1上，然后上模具2通过气缸下压，上模具2压住产品3上端面内倒角进入油槽淬火，如图3所示。上模具2锥度45°、尺寸280mm，下模具1锥度45°、尺寸260mm，控制淬火压力为0.50MPa，淬火油温60℃，淬火时间180s。
s3、回火：控制回火温度150℃，回火时间3h。
实施例2
与实施例1的区别为：s1、碳氮共渗：设置推料周期为648s，并加热至830℃，甲醇流量3L/h，氮气流量2.5m3/h,天然气流量0.5m3/h，氨气流量0.3m3/h，碳势1.15％。
s3、回火：控制回火温度220℃，回火时间4h。
得到如图1所示的轴承外圈产品。
实施例3
与实施例2的区别之处在于：上模具锥度45°，上模具尺寸为210mm，下模具锥度30°，下模具尺寸为210mm。
得到如图2所示的轴承内圈产品。
实施例4
与实施例3的区别之处在于：推料周期为792s，并加热至840℃，甲醇流量3.5L/h，氮气流量3.0m3/h,天然气流量1.0m3/h，氨气流量0.5m3/h，碳势1.25％；下模具锥度45°；回火温度250℃，回火时间6h。
实施例5
与实施例2的区别之处在于：淬火压力为0.45MPa。
实施例6
与实施例2的区别之处在于：淬火压力为0.55MPa。
实施例7
与实施例3的区别之处在于：下模具锥度45°。
实施例8
与实施例3的区别之处在于：上模具锥度30°。
对比例
对比例1
与实施例2的区别之处在于：产品在回转炉中碳氮共渗加热结束后，自动推出炉门转移到淬火油槽中，进行自由淬火，淬火油温60℃，淬火时间180s。
对比例2
与实施例3的区别之处在于：产品在回转炉中碳氮共渗加热结束后，自动推出炉门转移到淬火油槽中，进行自由淬火，淬火油温60℃，淬火时间180s。
对比例3
与实施例3的区别之处在于：产品在转底炉中碳氮共渗10h加热结束后，转移到淬火油槽中，进行自由淬火，淬火油温60℃，淬火时间180s。
对比例4
与实施例3的区别之处在于：淬火压力为0.3MPa。
对比例5
与实施例3的区别之处在于：淬火压力为0.7MPa。
检测方法
以上实施例和制备例的轴承套圈的性能测试方法如下：
1、表面硬度和心部硬度：分别将热处理后轴承套圈和成品轴承套圈按照GB/T230.1-2004《金属洛氏硬度试验第1部分：试验方法》制备标准试样并测量标准试样的表面硬度和心部硬度。
2、显微组织和尺寸数据：按照JB/T1255-2014《滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》测试试块的屈氏体组织级别、马氏体组织级别、直径方向滚道加工余量、滚道椭圆度、外径/内径锥度以及平面度。
实施例1-8制得的轴承套圈热处理后的金相和硬度检测性能测试结果如表1所示。
表1 各实施例1-8制得的轴承套圈热处理后的金相和硬度检测性能测试结果
Figure BDA0002690868240000061
实施例1-8制得的轴承套圈热处理后尺寸数据如表2所示。
表2 实施例1-8制得的轴承套圈热处理后尺寸数据
Figure BDA0002690868240000062
Figure BDA0002690868240000071
实施例1-8磨削加工后轴承套圈成品表面硬度如表3所示。
表3 实施例1-8磨削加工后轴承套圈成品表面硬度
Figure BDA0002690868240000072
对比例1-5的热处理金相、硬度检测结果如表4所示。
表4 对比例1-5的热处理金相、硬度检测结果
Figure BDA0002690868240000073
Figure BDA0002690868240000081
对比例1-5制得的轴承套圈热处理后尺寸数据如表5所示。
表5 对比例1-5的热处理后尺寸数据
Figure BDA0002690868240000082
对比例1-5磨削加工后轴承套圈成品表面硬度如表6所示。
表6 对比例1-5磨削加工后轴承套圈成品表面硬度
Figure BDA0002690868240000083
从上述检测结果可以看出：
1、由实施例2与实施例3可知，采用碳氮共渗工艺和压模淬火，尺寸控制精度高，形位公差小，由于椭圆度、锥度较小，使产品磨削加工后，表面组织硬度保持优异的均匀性，磨削加工后轴承套圈成品表面硬度在62.0-63.0HRC之间；参照图4，实施例2采用碳氮共渗工艺和压模淬火，磨削加工后轴承套圈成品表层碳氮化物呈细小均匀、弥散分布；而采用自由淬火，参见对比例1-2，成品滚道表面硬度在60.5～63.3HRC之间，硬度均匀性降低。
2、由实施例1、2以及4可以看出，利用回转炉进行碳氮共渗的推料周期延长对硬度、屈氏体组织级别、马氏体组织级别以及尺寸数据影响不大，但由于推料周期既碳氮共渗时间与碳氮共渗层深度正相关，因此适当延长碳氮共渗时间有利于提高碳氮共渗层深度，从而提高产品表面硬度；试验表明，推料周期在504～792s时，制得的轴承圈既能满足碳氮共渗层深度要求，并且表面碳氮化物呈细小均匀、弥散分布，使得强度较佳，同时组织均匀，耐磨性提高；对比例3由于采用自由淬火，产品硬度和组织分布均匀性差，为提高成品表面硬度均匀性，而延长碳氮共渗时间，但碳氮共渗时间过长，不仅造成成本增加，还使得使表层粗大碳氮化物深度增加，马氏体组织超级，又容易导致金相组织出现粗大碳化物，使得制得的轴承难以满足产品质量要求，参见图5。
3、由实施例3、7和8可以看出，压模淬火过程中，模具对轴承圈施加轴向进而径向的压力，模具锥度大使得径向压力大，锥度小使得径向压力小，而上模和下模的径向压力分别作用于轴承圈的上壁和下壁，因此上下模具的锥度之间存在互相配合的关系；对于上下壁厚不同的轴承圈，薄壁处容易缩小，因此需要上模的锥度大，径向压力大，抑制缩小；厚壁处容易长大，需要下模的锥度小，径向压力小，因此压模淬火的模具锥度对硬度、屈氏体组织级别、马氏体组织级别以及碳氮共渗层的深度影响不大，但对直径方向滚道加工余量影响较大；上模锥度为30°-45°，下模锥度为30°-45°时，能够保持轴承圈的上壁和下壁变形量相近，从而提高轴承圈的精密度，有利于轴承套圈配合使用。
4、由实施例2、5以及6与对比例4以及5相比可以看出，压模淬火的淬火压力对硬度、屈氏体组织级别、马氏体组织级别以及碳氮共渗层的深度影响不大，但对直径方向滚道加工余量影响较大；为了保证产品硬度，产品滚道直径方向加工余量不宜过大，由实施例2和对比例4可知，淬火压力过小时，直径方向滚道加工余量增大，既磨削量增大，由于氮碳共渗层深度相同，因此，产品表面的碳氮层被磨削的深度大，使得产品硬度较小并接近心部硬度；由实施例2和对比例5可以看出，淬火压力过大时，直径方向滚道加工余量减小为0.18-0.30，使得滚道单边加工余量仅为0.09-0.15，既磨削量为0.09-0.15，但由于磨削量过小，不能加工出成品，因此不满足加工要求。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
s1、碳氮共渗；
s2、压模淬火；
s3、回火；
其中，中大薄壁型轴承套圈外径尺寸为100-450mm，有效壁厚为5-20mm，压力淬火的模具采用圆台状的上模和下模，上模和下模的小端相对设置，使得压力淬火时，上模通过圆周外表面将轴承套圈压接于下模的圆周外表面上。
2.根据权利要求1所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述碳氮共渗步骤在转底炉中进行，转底炉一共25个工位，加热温度为820-840℃，推料周期为504 s -792s，甲醇流量为2.5-3.5L/h，氮气流量为2-3m3/h，天然气流量为0.3-1m3/h，氨气流量为0.2-0.5m3/h，碳势在1.05%-1.25%。
3.根据权利要求2所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述碳氮共渗步骤中，加热温度为830℃，推料周期648s，甲醇流量为3L/h，氮气流量为2.5m3/h，天然气流量为0.5m3/h，氨气流量为0.3m3/h，碳势在1.15%。
4.根据权利要求1所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述压模淬火步骤中，压模淬火的上模锥度为30°-45°，下模锥度为30°-45°。
5.根据权利要求1所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述回火步骤中，回火温度为150℃-250℃，回火时间为3h-6h。
6.根据权利要求4所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述回火步骤中，回火温度为220℃，回火时间为4h。
7.根据权利要求1所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述压模淬火步骤中，淬火压力为0.45MPa-0.55MPa。
8.根据权利要求7所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述压模淬火步骤中，淬火压力为0. 5MPa。
9.根据权利要求1所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述压模淬火步骤中，加工的轴承外圈有效壁厚为12mm，压模模具的上模具锥度为45°，尺寸280mm，下模具锥度为45°，尺寸260mm，淬火压力为0.50MPa，淬火油温60℃，淬火时间180s。
10.根据权利要求1所述的高碳铬轴承钢中大型薄壁轴承碳氮共渗工艺，其特征在于，所述压模淬火步骤中，加工的轴承内圈壁厚为11.5mm，压模淬火的上模具锥度为45°，尺寸为210mm，下模具锥度为30°，尺寸为210mm，淬火压力为0.50MPa，淬火油温为60℃，淬火时间180s。
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