CN113337694B - 一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，涉及超高碳型轴承钢的热处理技术领域。一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，包括如下步骤：将具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢在700‑750℃等温4‑8h后出炉冷却，可获得在等轴状铁素体基体上均匀分布有细小颗粒状碳化物的球化退火组织。本发明提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。

Description

一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法
技术领域
本发明涉及超高碳型轴承钢的热处理技术领域，具体为一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法。
背景技术
具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢是一种新型的轴承钢种，纳米贝氏体组织和马氏体的复相组织的优异的强韧性赋予了该新型轴承钢种超长的疲劳寿命，使其在轴承等领域具有广泛的应用前景。
申请号为CN201310442972.1的中国专利公开了《一种超高碳型轴承钢的热处理方法》，经过该热处理方法可制备得到具有马氏体+超级贝氏体+残余奥氏体+剩余碳化物的复相组织的超高碳型轴承钢，马氏体+超级贝氏体+残余奥氏体+剩余碳化物的复相组织属于纳米贝氏体和马氏体的复相组织，经过该方法制备得到的超高碳型轴承钢可直接供轴承使用。
在上述专利的热处理方法中，是将“球化后的超高碳型轴承钢”进行热处理，才得到具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢。这里，“球化”是指“球化退火”。
球化退火是高碳钢（如轴承钢、工具钢、高速钢等）的锻造件或轧制件必不可少的热处理工艺，其主要作用是获得作为预备组织的粒状珠光体或者为了软化组织。
当前，现有的球化退火热处理方法主要有三种，分别为：等温球化退火工艺、连续球化退火工艺、周期性球化退火工艺。等温球化退火工艺一般需要 10-16h，连续球化退火则需要 20 h以上，而周期性球化退火工艺由于技术反复操作步骤较多而在工业上很少使用。上述三种球化退火热处理方法的耗时之所以这么长，主要因为在球化退火热处理中的等温时间长。
长时间球化退火热处理不仅耗时耗能，而且会导致严重的脱碳层缺陷，若在球化退火时使用氮气等保护气体，则又会增加不少成本。
因此，有必要开发短时球化退火新工艺，来达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的上述不足，提供一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，本发明提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
为实现上述目的，发明提供如下技术方案：
一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，包括如下步骤：
首先，将经过锻造或轧制的超高碳型轴承钢奥氏体化，然后在200-300℃进行等温处理，等温处理后进行水淬或油淬或低于Ms点的盐浴得到纳米贝氏体和马氏体的复相组织；
然后，将具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢在700-750℃等温4-8h后出炉空冷，可获得在等轴状铁素体基体上均匀分布有细小颗粒状碳化物的球化退火组织。
进一步的，按重量百分比，所述超高碳型轴承钢的化学成分为：C：1.01-1.40%，Si：0.5-2.0%，Mn：0.5-2.0%，Cr：0.5-2.0%，Al：1.0-2.0%，Mo: 0-0.5%，V：0-2.0%，Re：0-0.5%，余量为Fe。
进一步的，所述奥氏体化的加热温度为850-1000 ºC。
进一步的，所述奥氏体化的加热时间按照所述超高碳型轴承钢的有效厚度乘以加热系数1-1.5 min/mm确定。
进一步的，所述等温处理是在盐浴炉中进行。
进一步的，所述等温处理的时间为15-60min。
与现有技术相比，发明的有益效果是：
1、现有技术（背景技术中的专利）是在经过轧制或锻造的超高碳型轴承钢的基础上，采用现有的球化退火热处理方法，因为经过轧制或锻造的超高碳型轴承钢的组织为珠光体和网状二次碳化物的复相组织，珠光体为铁素体和三次碳化物的机械混合物，珠光体中的铁素体和三次碳化物为片层状分布，要想球化碳化物，就需要将温度升高到Ac1温度（727℃）以上20-30℃才行让碳化物溶解，继而才能在后续的等温处理中让碳化物析出球化。
本发明是在具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的基础上进行球化退火热处理，一方面，在纳米贝氏体和马氏体的复相组织中，纳米贝氏体中的片层结构要比上述珠光体中的片层结构更薄，导致相界面更多，相界面越多，形核位置越多，碳化物越容易析出球化，从而所需的等温时间越短，进而整个球化退火热处理的时间越短；另一方面，在纳米贝氏体和马氏体的复相组织中，复相组织中的碳基本是以原子状态存在，碳化物更容易形核及长大，从而所需的等温时间越短，进而整个球化退火热处理的时间越短；再一方面，因为碳化物更易析出球化，所以只需加热到Ac1以下的温度就能将碳化物溶解，升温越低，所需的等温时间越短。
总而言之，本发明提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
2、本发明通过采用空冷作为出炉冷却的方式，能够利用空冷的冷却速度快的优点，来进一步缩短球化退火热处理的耗时，以便于进一步缩短生产周期，此外，风冷或雾冷也具有冷却速度快的优点，也能进一步缩短生产周期。再者，空冷的方式，只需工作人员将等温处理后的钢材直接放置在厂区即可，无需进行其他操作，使得操作简便，方便进行生产。
3、本发明在制备具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的热处理方法中，是将超高碳型轴承钢奥氏体化，然后在200-300℃进行等温处理，等温处理后进行水淬或油淬或低于Ms点的盐浴得到纳米贝氏体和马氏体的复相组织。在背景技术的专利中，则是在270-350℃进行等温，再进行油淬或水淬。
两者相比，200-300℃的温度范围比270-350℃的温度范围更宽，从而能够方便进行温度的控制，降低温度把控的难度，方便进行生产。同时，在较低温度等温可获得更加细小的纳米贝氏体，从而增加利于碳化物形核的相界面。此外，本发明除了采用油淬或水淬之外，还有盐浴的选择，使得生产更为灵活方便。再者，还能够利用盐浴传热系数大的特点，来加快温度传递，帮助降温，有利于提高生产效率。
4、本发明的超高碳型轴承钢的成分为：C：1.01-1.40%，Si：0.5-2.0%，Mn：0.5-2.0%，Cr：0.5-2.0%，Al：1.0-2.0%，Mo: 0-0.5%，V：0-2.0%，Re：0-0.5%，余量为Fe。背景技术中的专利中的超高碳型轴承钢的成分，按照重量百分比记为：C:1.10-1.50%，Cr:1.00-2.00%，Mn:0.25-1.00%，Si:0.20-1.50%，Al:1.0-2.0%，余量为Fe。
两者相比，可知本发明的超高碳型轴承钢中的碳含量的选择范围更窄，并且，本发明还额外有Mo、V、Re这三种成分。
本发明之所以将碳含量的选择范围缩小，是因为碳含量越高，钢材球化后组织的硬度越高，越不易进行切削加工，即越不容易加工生产，所以，缩小碳含量的选择范围之后，能够更易生产。本发明之所以还增加Mo、V、Re这三种成分，是因为Mo元素能够提高超高碳型轴承钢的淬透性，从而提高超高碳型轴承钢的淬火效果；V元素不仅能够提高淬透性，从而提高淬火效果，还因为V元素耐高温，来阻止马氏体分解，以便于提高最终得到的纳米贝氏体和马氏体的复合组分的稳定性；Re元素能够细化晶粒，从而能够提高钢材性能。总而言之，具有本发明化学成分的超高碳型轴承钢在制备出纳米贝氏体和马氏体的复相组织时，能够使加工生产更容易，降低加工难度。
5、本发明在制备具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的热处理方法中，通过将奥氏体化的加热温度控制为850-1000 ºC，与背景技术的专利中860-950℃的奥氏体化温度控制相比，温度范围更大，从而能够降低温度控制的精度，降低温度把控的难度，以便于进行生产加工。
6、本发明在制备具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的热处理方法中，通过让奥氏体化的加热时间按照所述超高碳型轴承钢的有效厚度乘以加热系数1-1.5min/mm确定，与背景技术中按照1-2min/mm的加热系数进行确定相比，能够提高对加热时间的控制精度，从而有利于提高生产质量。
7、在背景技术中的专利中，并未说明等温处理的环境。本发明在制备具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的热处理方法中，通过在盐浴炉中进行等温，能够加快经过奥氏体化的超高碳型轴承钢的降温，并且使降温更为均匀，从而使得组织成分更为均匀。这是利用了盐浴具有传热系数大的特点，能够加快温度传递，帮助加快钢材降温，有利于提高生产效率；并且盐浴炉比空气炉更易控制，方便了工作人员操作，使得生产更为方便。
8、本发明在制备具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的热处理方法中，等温处理的时间为15-60min。背景技术中的等温时间为5-45min。两者相比，可知本发明的等温时间范围更大，从而降低了把控时间的精度，从而降低时间把控的难度，以便于进行生产加工。
附图说明
图1为实施例2超高碳型轴承钢锻造后控制冷却组织金相照片；
图2为实施例2超高碳型轴承钢在850℃奥氏体化后于300℃等温45min后获得的纳米贝氏体+马氏体复相组织SEM 照片；
图3为实施例2超高碳型轴承钢纳米贝氏体+马氏体复相组织经700℃保温4h后空冷球化组织；
图4为实施例3超高碳型轴承钢锻造后控制冷却组织金相照片；
图5为实施例3超高碳型轴承钢在880℃奥氏体化后于300℃等温30min后获得的纳米贝氏体+马氏体复相组织SEM 照片；
图6为实施例3超高碳型轴承钢纳米贝氏体+马氏体复相组织经700℃保温4h后空冷球化组织；
图7为实施例4超高碳型轴承钢锻造后控制冷却组织金相照片；
图8为实施例4超高碳型轴承钢在870℃奥氏体化后于270℃等温30min后获得的纳米贝氏体+马氏体复相组织 SEM 照片；
图9为实施例4超高碳型轴承钢纳米贝氏体+马氏体复相组织经720℃保温6h后空冷球化组织。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
实施例 1
一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法, 包括如下步骤：
（1）纳米贝氏体+马氏体复相组织制备：将经过锻造或轧制的超高碳型轴承钢，在850-1000 ºC进行奥氏体化，奥氏体化的加热时间为超高碳型轴承钢的有效厚度乘以加热系数1-1.5 min/mm，然后浸入200-300℃的盐浴炉进行15-60min的等温处理，等温处理后进行水淬或油淬或低于Ms点的盐浴得到纳米贝氏体和马氏体的复相组织；
其中，按重量百分比，所述超高碳型轴承钢的化学成分为：C：1.01-1.40%，Si：0.5-2.0%，Mn：0.5-2.0%，Cr：0.5-2.0%，Al：1.0-2.0%，Mo: 0-0.5%，V：0-2.0%，Re：0-0.5%，余量为Fe。
其中，超高碳型轴承钢的有效厚度是指工件最薄处的厚度。
（2）球化退火热处理：将纳米贝氏体和马氏体的复相组织在700-750℃等温4-8 h后出炉空冷或风冷或雾冷，优选空冷，可获得在等轴状铁素体基体上均匀分布有细小颗粒状碳化物的球化退火组织。
球化退火组织及硬度特征：球化退火组织中细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上，颗粒状碳化物尺寸为0.75±0.45 μm；根据成分不同，球化退火组织的维氏硬度范围为220-300 HV1。
背景技术中的专利是在经过轧制或锻造的超高碳型轴承钢的基础上，采用现有的球化退火热处理方法，因为经过轧制或锻造的超高碳型轴承钢的组织为珠光体和网状二次碳化物的复相组织，珠光体为铁素体和三次碳化物的机械混合物，珠光体中的铁素体和三次碳化物为片层状分布，要想球化碳化物，就需要将温度升高到Ac1温度（727℃）以上20-30℃才行让碳化物溶解，继而才能在后续的等温处理中让碳化物析出球化。
本实施例是在具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢的基础上进行球化退火热处理，一方面，在纳米贝氏体和马氏体的复相组织中，纳米贝氏体中的片层结构要比上述珠光体中的片层结构更薄，导致相界面更多，相界面越多，形核位置越多，碳化物越容易析出球化，从而所需的等温时间越短，进而整个球化退火热处理的时间越短；另一方面，在纳米贝氏体和马氏体的复相组织中，复相组织中的碳基本是以原子状态存在，碳化物更容易形核及长大，从而所需的等温时间越短，进而整个球化退火热处理的时间越短；再一方面，因为碳化物更易析出球化，所以只需加热到Ac1以下的温度就能将碳化物溶解，升温越低，所需的等温时间越短。
总而言之，本实施例提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
实施例2
一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，包括如下步骤：
（1）纳米贝氏体+马氏体复相组织制备：按照重量百分比，本实施例中，超高碳型轴承钢的化学成分为：C：1.17%，Mn:0.53%，Si:0.50%，Cr：1.53%，Al:1.46%，余量为Fe。
超高碳型轴承钢的钢坯在1200℃充分奥氏体化后锻造成棒状，并控制冷却，得到珠光体+少量二次碳化物组织，如图1所示。
然后在850ºC进行奥氏体化，加热时间为1 min/mm（按有效厚度），接着浸入300 ℃的盐浴炉中进行45 min等温处理，最后进行油淬得到纳米贝氏体+马氏体复相组织，如图2所示。
（2）球化退火热处理：将纳米贝氏体+马氏体复相组织在700℃等温4h后出炉空冷，获得细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上的球化组织，如图3所示。
球化退火组织及硬度特征：球化退火组织中细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上，球化退火组织中颗粒状碳化物尺寸为 0.68±0.35 μm；球化退火组织的维氏硬度范围为 280±10 HV1。
通过上述球化退火热处理方法可知，本实施例提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
实施例 3
一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，包括如下步骤：
（1）纳米贝氏体+马氏体复相组织制备：按照重量百分比，本实施例中，超高碳型轴承钢的化学成分为：C：1.32%，Mn:0.52%，Si:0.49%，Cr：1.51%，Al:1.52%，余量为Fe。
超高碳型轴承钢的钢坯在1200℃充分奥氏体化后锻造成棒状，并控制冷却，得到珠光体+少量二次碳化物组织，如图 4 所示。
然后在880ºC进行奥氏体化，加热时间为1 min/mm（按有效厚度），接着浸入270 ℃的盐浴炉中进行45 min等温处理，最后进行油淬得到纳米贝氏体+马氏体复相组织，如图5所示。
（2）球化退火热处理：将纳米贝氏体+马氏体复相组织在750℃等温4h后出炉空冷，获得细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上的球化组织，如图6所示。
球化退火组织及硬度特征：球化退火组织中细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上，球化退火组织中颗粒状碳化物尺寸为0.74±0.27μm；球化退火组织的维氏硬度范围为255±15 HV1。
通过上述球化退火热处理方法可知，本实施例提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
实施例4
一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，包括如下步骤：
（1）纳米贝氏体+马氏体复相组织制备：按照重量百分比，本实施例中，超高碳型轴承钢的化学成分为：C：1.03%，Mn:0.55%，Si:0.55%，Cr：1.52%，Al:1.19%，V:0.12%，余量为Fe。
超高碳型轴承钢的钢坯在1200℃充分奥氏体化后锻造成棒状，并控制冷却，得到珠光体+少量二次碳化物组织，如图 7 所示。
然后在870ºC进行奥氏体化，加热时间为1 min/mm（按有效厚度），接着浸入270 ℃的盐浴炉中进行30 min等温处理，最后进行油淬得到纳米贝氏体+马氏体复相组织，如图8所示。
（2）球化退火热处理：将纳米贝氏体+马氏体复相组织在720℃等温6h后出炉空冷，获得细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上的球化组织，如图9所示。
球化退火组织及硬度特征：球化退火组织中细小颗粒状碳化物均匀分布在等轴状铁素体基体上，球化退火组织中颗粒状碳化物尺寸为0.72±0.34 μm；球化退火组织的维氏硬度范围为290±10 HV1。
通过上述球化退火热处理方法可知，本实施例提供的球化退火热处理方法的耗时比现有的球化退火热处理方法的耗时短，从而能够达到节能降耗、减少脱碳缺陷、缩短生产周期的目的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，将经过锻造或轧制的超高碳型轴承钢奥氏体化，然后在200-300℃进行等温处理，等温处理后进行水淬或油淬或低于Ms点的盐浴得到纳米贝氏体和马氏体的复相组织；
然后，将具有纳米贝氏体和马氏体的复相组织的超高碳型轴承钢在700-750℃等温4-8h后出炉空冷，获得球化退火组织。
2.如权利要求1所述的一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，其特征在于，按重量百分比，所述超高碳型轴承钢的化学成分为：C：1.01-1.40%，Si：0.5-2.0%，Mn：0.5-2.0%，Cr：0.5-2.0%，Al：1.0-2.0%，Mo: 0-0.5%，V：0-2.0%，Re：0-0.5%，余量为Fe。
3.如权利要求2所述的一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，其特征在于，所述奥氏体化的加热温度为850-1000 ºC。
4.如权利要求3所述的一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，其特征在于，所述奥氏体化的加热时间按照所述超高碳型轴承钢的有效厚度乘以加热系数1-1.5 min/mm确定。
5.如权利要求4所述的一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，其特征在于，所述等温处理是在盐浴炉中进行。
6.如权利要求5所述的一种超高碳型轴承钢的球化退火热处理方法，其特征在于，所述等温处理的时间为15-60min。
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