CN113564317B - 一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法 - Google Patents

一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于热处理工艺技术领域，具体涉及一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，尤其涉及8Cr4Mo4V钢组织与性能的真空等温淬火方法。一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，包括对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理、对球化退火后的8Cr4Mo4V钢进行真空等温淬火处理和对真空等温淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理。本发明专利针对8Cr4Mo4V轴承钢采用真空等温淬火，控制M‑B下复相组织，最终达到提高8Cr4Mo4V轴承钢强度与冲击韧性的效果。

Description

一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法
技术领域
本发明属于热处理工艺技术领域，具体涉及一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，尤其涉及8Cr4Mo4V钢组织与性能的真空等温淬火方法。
背景技术
8Cr4Mo4V钢是一种承温能力良好的第2代钼系高合金轴承钢，广泛应用于DN值低于2.4×106的航空发动机主轴轴承。真空热处理具有冷却速度可以控制，淬火后工件表面质量高等优点，广泛应用于轴承钢、不锈钢、高速钢等零件的热处理。8Cr4Mo4V钢经过传统真空气淬加三次高温回火后最终组织为回火马氏体、残余奥氏体和碳化物。真空热处理后的组织具有较高的硬度和接触疲劳性能，最终硬度为61-62HRC，但冲击韧性仅有122.8kJ/m2。目前8Cr4Mo4V轴承钢经过传统真空热处理后的冲击韧性不足，使用寿命低，严重限制了其在恶劣的工况环境中使用，因此需要继续对真空热处理工艺进行改进。采用真空等温淬火工艺得到高韧性的M-B下复相组织，在冷却过程中通过调节充气压力，改变淬火冷却速度并采用分级处理的方法，改良等温淬火微观组织，进而期望提高8Cr4Mo4V钢的力学性能。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，尤其是8Cr4Mo4V钢组织与性能的真空等温淬火方法，得到优良的M-B下复相组织，最终提高8Cr4Mo4V钢的冲击韧性、洛氏硬度、抗拉强度等综合性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1、对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、对球化退火后的8Cr4Mo4V钢进行真空等温淬火处理。
步骤3、对真空等温淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理。
进一步地，所述步骤1中球化退火处理为环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到400-500℃之间时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间小于等于16h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为700-750℃，预热时间为3h，然后加热至830-860℃，保温时间为6-7h，然后随炉冷却至720-750℃，保温时间为11-12h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至500-550℃出炉空冷。
进一步地，所述步骤2中，可以采用两种方式进行真空等温淬火，第一种真空等温淬火方式为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于真空气淬炉内，先将炉内抽真空至5×10-1Pa-5×10-2Pa后开始升温，先以8-10℃/min的速率升温至830-850℃，在该温度保温30-40min，然后以3-6℃/min的速率，将试样升温至1070-1110℃，奥氏体化保温30-40min，然后向炉内充入2-12bar氮气，启动风扇搅拌，将8Cr4Mo4V钢试样表面快速冷却至520-560℃，进行1-10min的保温，然后将充气压力调整为2-4bar，冷却至180-220℃，并进行1-4h的等温，然后调整充气压力和搅拌速度，将工件在40-60min范围内冷却至40-50℃出炉。第二种真空等温淬火方式为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于真空气淬炉内，先将炉内抽至真空，开始升温，升温过程中向炉内充入1-2bar氮气，先以8-12℃/min的速率升温至830-850℃，在该温度保温30-40min，然后将炉内抽至真空后升温至1070-1110℃，保温30-40min，然后向炉内充入2-12bar氮气，同时启动风扇，风扇转速为3000r/min，当工件温度降低至560-590℃时，降低炉压至2-4bar，以1000-3000r/min的风扇转速使工件表面温度降低至180-220℃，然后将炉压降至1-2bar，采用热浴调控降温的方式使轴承套圈表面与心部温度趋于一致，待工件温度均匀后在180-220℃进行1-4h的等温，将工件在40-60min范围内冷却至40-50℃出炉。
进一步地，所述步骤3中，回火在真空炉中进行，炉内真空度为5×10-1-5×10-2Pa，以6-10℃/min的速率升温至540-560℃，保温2-5h，气冷压力为0.6bar-1.5bar，冷却至40℃以下。
进一步地，所述步骤3中，三次回火要求：淬火后冷却至40℃以下，方可进行回火处理，淬火完成后，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果为。
本发明专利针对8Cr4Mo4V轴承钢采用真空等温淬火，控制M-B下复相组织，最终达到提高8Cr4Mo4V轴承钢强度与冲击韧性的效果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1、对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、对球化退火后的8Cr4Mo4V钢进行真空等温淬火处理。
步骤3、对真空等温淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理。
进一步地，所述步骤1中球化退火处理为环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到400-500℃之间时，进行球化退火操作。要求锻后至球化退火之间的时间小于等于16h。退火前将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为700-750℃，预热时间为3h，然后加热至830-860℃，保温时间为6-7h，然后随炉冷却至720-750℃，保温时间为11-12h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至500-550℃出炉空冷。
进一步地，所述步骤2中，可以采用两种方式进行真空等温淬火，第一种真空等温淬火方式为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于真空气淬炉内，先将炉内抽真空至5×10-1Pa-5×10-2Pa后开始升温，先以8-10℃/min的速率升温至830-850℃，在该温度保温30-40min，然后以3-6℃/min的速率，将试样升温至1070-1110℃，奥氏体化保温30-40min，然后向炉内充入2-12bar氮气，启动风扇搅拌，将8Cr4Mo4V钢试样表面快速冷却至520-560℃，进行1-10min的保温，然后将充气压力调整为2-4bar，冷却至180-220℃，并进行1-4h的等温，然后调整充气压力和搅拌速度，将工件在40-60min范围内冷却至40-50℃出炉。第二种真空等温淬火方式为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于真空气淬炉内，先将炉内抽至真空，开始升温，升温过程中向炉内充入1-2bar氮气，先以8-12℃/min的速率升温至830-850℃，在该温度保温30-40min，然后将炉内抽至真空后升温至1070-1110℃，保温30-40min，然后向炉内充入2-12bar氮气，同时启动风扇，风扇转速为3000r/min，当工件温度降低至560-590℃时，降低炉压至2-4bar，以1000-3000r/min的风扇转速使工件表面温度降低至180-220℃，然后将炉压降至1-2bar，采用热浴调控降温的方式使轴承套圈表面与心部温度趋于一致，待工件温度均匀后在180-220℃进行1-4h的等温，将工件在40-60min范围内冷却至40-50℃出炉。
进一步地，所述步骤3中，回火在真空炉中进行，炉内真空度为5×10-1-5×10-2Pa，以6-10℃/min的速率升温至540-560℃，保温2-5h，气冷压力为0.6bar-1.5bar，冷却至40℃以下。
进一步地，所述步骤3中，三次回火要求：淬火后冷却至40℃以下，方可进行回火处理，淬火完成后，进行第一次回火的时间间隔在5h以内。第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。
实施例1。
步骤1、准备8Cr4Mo4V钢试样，对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、采用真空气淬炉对8Cr4Mo4V钢进行淬火，将试样放入淬火炉内，加热前先将炉内抽真空，待真空度达到5×10-2Pa，开始升温，升温过程是先以10℃/min的速率升温至850℃，在850℃预热30min，接下来以6℃/min的速率，升温至1090℃，奥氏体化保温32min，向炉内充入2bar氮气，启动风扇，工件表面温度降低至190℃再次关闭风扇，待工件温度稳定后以4℃/min的速率升温至200℃，进行200℃×2h等温。工件在冷却50min后达到45℃出炉。
步骤3、淬火1h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于真空炉内，先将炉内抽真空至5×10-2 Pa，然后以8℃/min速率升温至550℃，保温时间是2.5h，气冷压力为0.6bar，冷却至38℃。第一次回火后1h后进行第二次回火，步骤与第一次回火相同，冷却至35℃出炉。第二次回火后1.5h后进行第三次回火，步骤与前两次回火相同，冷却至30℃出炉。
采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢真空等温淬火并回火后洛氏硬度为61.9HRC，采用摆锤式冲击试验机测得8Cr4Mo4V钢真空等温淬火并回火后冲击韧性为157.1kJ/m2，采用万能试验机测得真空等温淬火并回火后8Cr4Mo4V钢的室温抗拉强度为2670MPa，屈服强度为2447MPa。
实施例2。
步骤1、准备8Cr4Mo4V钢试样，对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、采用真空气淬炉对8Cr4Mo4V钢进行淬火，将试样放入淬火炉内，加热前先将炉内抽真空，待真空度达到5×10-2 Pa，开始升温，升温过程是先以9℃/min的速率升温至850℃，在850℃预热30min，接下来以6℃/min的速率，升温至1090℃，奥氏体化保温32min，向炉内充入2bar氮气，启动风扇，试样表面温度降低至560℃关闭风扇，待炉内温度稳定后在560℃保温10min，保温结束后启动风扇，在试样表面温度降低至190℃时关闭，待工件温度稳定后以4℃/min的速率升温至200℃，进行200℃×2h等温。工件在冷却45min后达到45℃出炉。
步骤3、淬火2h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于真空炉内，先将炉内抽真空至5×10-2 Pa，然后以8℃/min速率升温至550℃，保温时间是2.5h，气冷压力为0.6bar，冷却至38℃。第一次回火后1.5h后进行第二次回火，步骤与第一次回火相同，冷却至40℃出炉。第二次回火后2h后进行第三次回火，步骤与前两次回火相同，冷却至38℃出炉。
采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢真空分级等温淬火回火后洛氏硬度为62.0HRC。采用摆锤式冲击试验机，测得8Cr4Mo4V钢真空分级等温淬火并回火后冲击韧性为183.3kJ/m2。采用万能试验机，测得真空分级等温淬火并回火后8Cr4Mo4V钢室温抗拉强度为2706MPa，屈服强度为2456MPa。
实施例3。
步骤1、准备8Cr4Mo4V钢试样，对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、采用真空热处理炉对8Cr4Mo4V钢进行淬火。将试样放入淬火炉内，程序设置如下：加热前先将炉内抽至真空后开始升温，升温过程充入1.5bar氮气，先以12℃/min的速率升温至845℃，在845℃预热35min，接下来抽真空，并以12℃/min的速率，升温至1090℃，奥氏体化保温34min，向炉内充入4.5bar氮气，同时启动风扇，以3000r/min的转速将温度降至590℃，再降低炉压至2bar，风扇转速调整为1000r/min，将工件表面温度降至240℃，然后将炉压降低至1.5bar，进行180℃的热浴调控降温，待工件温度稳定后将炉压降至1.3bar，以4℃/min的速率升温至200℃，保温2h。然后以200r/min的风扇转速将试样冷却40min至50℃出炉。
步骤3、淬火2.5h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于真空炉内，先将炉内抽至真空，然后以8℃/min速率升温至550℃，保温2.5h，气冷压力为1.5bar，冷却至35℃。第一次回火后2.5h后进行第二次回火，步骤与第一次回火相同，冷却至35℃出炉。第二次回火后5h后进行第三次回火，步骤与前两次回火相同，冷却至40℃出炉。采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢真空等温淬火并回火后洛氏硬度为61.7HRC，采用摆锤式冲击试验机测得8Cr4Mo4V钢真空等温淬火并回火后冲击韧性为184.4kJ/m2，采用万能试验机测得真空等温淬火并回火后8Cr4Mo4V钢的室温抗拉强度为2713MPa，屈服强度为2487MPa。
实施例4。
步骤1、准备8Cr4Mo4V钢试样，对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、采用真空热处理炉对8Cr4Mo4V钢进行淬火。将试样放入淬火炉内，程序设置如下：加热前先将炉内抽至真空后开始升温，升温过程充入1.5bar氮气，先以10℃/min的速率升温至835℃，在835℃预热35min，接下来抽真空，并以10℃/min的速率，升温至1090℃，奥氏体化保温34min，向炉内充入4.5bar氮气，同时启动风扇，以3000r/min的转速将温度降至590℃，再降低炉压至2bar，风扇转速不变，将工件表面降温至240℃，然后将炉压降至1.5bar，进行180℃热浴调控降温，待工件温度稳定后将炉压降至1.3bar，以4℃/min的速率升温至200℃，保温2h。然后以200r/min的风扇转速将试样冷却50min至50℃出炉。
步骤3、淬火3h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于真空炉内，先将炉内抽至真空，然后以8℃/min速率升温至550℃，保温2.5h，气冷压力为1.5bar，冷却至30℃。第一次回火后6h后进行第二次回火，步骤与第一次回火相同，冷却至35℃出炉。第二次回火后8h后进行第三次回火，步骤与前两次回火相同，冷却至30℃出炉。采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢真空等温淬火并回火后洛氏硬度为60.9HRC，采用摆锤式冲击试验机测得8Cr4Mo4V钢真空等温淬火并回火后冲击韧性为196.1kJ/m2，采用万能试验机测得真空等温淬火并回火后8Cr4Mo4V钢的室温抗拉强度为2759MPa，屈服强度为2495MPa。
对比例1。
步骤1、准备8Cr4Mo4V钢试样，对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理。
步骤2、采用真空气淬炉对8Cr4Mo4V钢进行淬火，将试样放入淬火炉内，加热前先将炉内抽真空，待真空度达到5×10-2Pa，开始升温，升温过程是先以10℃/min的速率升温至850℃，在850℃预热30min，接下来以6℃/min的速率，升温至1090℃，奥氏体化保温32min，向炉内充入2bar氮气，启动风扇，工件在冷却20min后达到40℃出炉。
步骤3、淬火1.5h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于真空炉内，先将炉内抽真空至5×10-2 Pa，然后以8℃/min速率升温至550℃，保温时间是2.5h，气冷压力为0.6bar，冷却至30℃。第一次回火后2h后进行第二次回火，步骤与第一次回火相同，冷却至38℃出炉。第二次回火后6h后进行第三次回火，步骤与前两次回火相同，冷却至40℃出炉。
采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后洛氏硬度为60.2HRC，采用摆锤式冲击试验机测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后冲击韧性为133.0kJ/m2，采用万能试验机测得真空等温淬火并回火后8Cr4Mo4V钢的室温抗拉强度为2646MPa，屈服强度为2390MPa。
表1 不同工艺下8Cr4Mo4V钢的力学性能测试结果。
Figure 200085DEST_PATH_IMAGE001
通过对实施例和对比例的对比可以发现，本发明对材料的硬度、强度以及冲击韧性均有明显提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理；
步骤2、对球化退火后的8Cr4Mo4V钢进行真空等温淬火处理；
采用两种方式进行真空等温淬火，第一种真空等温淬火方式为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于真空气淬炉内，先将炉内抽真空至5×10-1Pa-5×10-2Pa后开始升温，先以8-10℃/min的速率升温至830-850℃，在该温度保温30-40min，然后以3-6℃/min的速率，将试样升温至1070-1110℃，奥氏体化保温30-40min，然后向炉内充入2-12bar氮气，启动风扇搅拌，将8Cr4Mo4V钢试样表面快速冷却至520-560℃，进行1-10min的保温，然后将充气压力调整为2-4bar，冷却至180-220℃，并进行1-4h的等温，然后调整充气压力和搅拌速度，将工件在40-60min范围内冷却至40-50℃出炉；第二种真空等温淬火方式为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于真空气淬炉内，先将炉内抽至真空，开始升温，升温过程中向炉内充入1-2bar氮气，先以8-12℃/min的速率升温至830-850℃，在该温度保温30-40min，然后将炉内抽至真空后升温至1070-1110℃，保温30-40min，然后向炉内充入2-12bar氮气，同时启动风扇，风扇转速为3000r/min，当工件温度降低至560-590℃时，降低炉压至2-4bar，以1000-3000r/min的风扇转速使工件表面温度降低至180-220℃，然后将炉压降至1-2bar，采用热浴调控降温的方式使轴承套圈表面与心部温度趋于一致，待工件温度均匀后在180-220℃进行1-4h的等温，将工件在40-60min范围内冷却至40-50℃出炉；
步骤3、对真空等温淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理；淬火完成后，进行第一次回火的时间间隔在5h以内；气冷压力为0.6bar-1.5bar。
2.如权利要求1所述的一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，其特征在于，所述步骤3中，回火在真空炉中进行，炉内真空度为5×10-1-5×10-2 Pa，以6-10℃/min的速率升温至540-560℃，保温2-5h，冷却至40℃以下。
3.如权利要求1所述的一种控制高温轴承钢组织与性能的热处理方法，其特征在于，所述步骤3中，三次回火要求：淬火后冷却至40℃以下，方可进行回火处理；第二次和第三次回火处理与第一次回火处理之间无严格的时间要求。
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