CN113801978A - 一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热处理工艺技术领域，涉及一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法。本发明包括对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理、对球化退火后的8Cr4Mo4V钢进行分段升温固溶处理、对固溶后的8Cr4Mo4V钢进行马氏体‑贝氏体复合淬火处理、对淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理。本发明专利针对8Cr4Mo4V轴承钢采用分段升温的固溶处理，控制合金元素和碳元素在钢中的溶解量，控制晶粒长大。对8Cr4Mo4V钢进行马氏体‑贝氏体复合淬火，控制其生成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

一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法
技术领域
本发明属于热处理工艺技术领域，涉及一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法。
背景技术
8Cr4Mo4V钢是一种常见的第二代高温轴承用钢，主要应用于工作温度低于316℃的航空发动机的主轴轴承。随着航空技术的发展，发动机轴承的工作载荷越来越大、转速越来越高，环境温度也越来越高，对轴承钢的要求也逐渐严苛。8Cr4Mo4V钢在经过真空气体淬火加三次高温回火后的组织为回火马氏体、残余奥氏体和碳化物。其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，但冲击韧性较差，仅有122.8kJ/m2。同时，现有技术真空气淬对设备要求较高，目前大部分的真空热处理设备依赖国外进口，这严重限制了我国航空航天事业的发展。本发明采用分段升温并进行马氏体-贝氏体复合淬火工艺得到马氏体-贝氏体混合组织，这种混合组织既保留了马氏体高硬度的特性、又结合了贝氏体的韧性，在保持8Cr4Mo4V钢高硬度的前提下，提高8Cr4Mo4V钢的综合力学性能。
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提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，最终目的是提高8Cr4Mo4V钢的洛氏硬度、冲击韧性、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。
一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，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钢进行分段升温固溶处理。
步骤3、对固溶后的8Cr4Mo4V钢进行马氏体-贝氏体复合淬火处理。
步骤4、对淬火后的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6h-7h，然后随炉冷却至720℃-750℃，保温时间为11h-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中分段升温固溶处理为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，先以8℃/min-15℃/min的升温速率升温至820℃-860℃，保温20min-40min，然后以5℃/min-10℃/min的升温速率升温至1000℃-1060℃，保温20min-40min，再升以3℃/min-5℃/min的升温速率，升高至1075℃-1110℃，保温10min-30min。
进一步地，所述步骤3中复合淬火处理为：将固溶后的8Cr4Mo4V钢采用等温盐浴或真空气淬方法，迅速降温至180℃-220℃，要求由固溶温度1075℃-1110℃降低至180℃-220℃的时间为＜5min，到温后保温1h-3h进行马氏体-贝氏体复合淬火，然后在30min-60min内，将工件控温冷却至40℃。
进一步地，所述步骤4中三次回火处理为淬火后冷却至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轴承钢采用分段升温的固溶处理，控制合金元素和碳元素在钢中的溶解量，控制晶粒长大。对8Cr4Mo4V钢进行马氏体-贝氏体复合淬火，控制其生成M-B下复相组织，使8Cr4Mo4V轴承钢抗拉强度提高了100MPa，冲击韧性提高了58%，旋转弯曲疲劳性能提升了55%。
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。
一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，其步骤为：
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钢进行分段升温固溶处理；
步骤3、对固溶后的8Cr4Mo4V钢进行马氏体-贝氏体复合淬火处理；
步骤4、对淬火后的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6h-7h，然后随炉冷却至720℃-750℃，保温时间为11h-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中分段升温固溶处理为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，先以8℃/min-15℃/min的升温速率升温至820℃-860℃，保温20min -40min，然后以5℃/min-10℃/min的升温速率升温至1000℃-1060℃，保温20min-40min，再升以3℃/min-5℃/min的升温速率，升高至1075℃-1110℃，保温10min-30min。
进一步地，所述步骤3中复合淬火处理为：将固溶后的8Cr4Mo4V钢采用等温盐浴或真空气淬方法，迅速降温至180℃-220℃，要求由固溶温度1075℃-1110℃降低至180℃-220℃的时间为＜5min，到温后保温1h-3h进行马氏体-贝氏体复合淬火，然后在30min-60min内，将工件控温冷却至40℃。
进一步地，所述步骤4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，环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到450℃时，进行球化退火操作。锻造10h后将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为700℃，预热时间为3h，然后加热至850℃保温6h，然后随炉冷却至750℃保温11h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至530℃出炉空冷。
步骤2、将8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，先以10℃/min的速率升温至840℃，保温30min，然后以8℃/min的速率升温至1020℃，保温15min，再以3℃/min的速率升至1090℃，保温7min。
步骤3、将固溶后的8Cr4Mo4V钢放入200℃的盐浴中保温2h进行马氏体-贝氏体复合淬火，然后将工件冷却40min至40℃。
步骤4、淬火1h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，以8℃/min的速率升温至550℃，保温2.5h后出炉空冷。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。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。
采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后的洛氏硬度为62.3HRC。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227.4kJ/m2。采用万能试验机，测得淬火并回火后8Cr4Mo4V钢的室温抗拉强度为2662MPa，屈服强度为2422MPa。采用旋转弯曲疲劳试验机测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后旋转弯曲疲劳极限为1200MPa。
实施例2。
步骤1、准备8Cr4Mo4V钢试样，对8Cr4Mo4V钢进行球化退火处理，环坯锻后放入灰冷后，灰冷温度达到450℃时，进行球化退火操作。锻造15h后将锻坯装箱，并将箱子摆放至退火炉内的有效温区内，预热温度为730℃，预热时间为3h，然后加热至830℃，保温时间为7h，然后随炉冷却至750℃，保温时间为11h，然后以20℃/h的速度冷却至680℃，然后随炉冷却至530℃出炉空冷。
步骤2、将8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，先以10℃/min的速率升温至840℃，保温30min，然后以8℃/min的速率升温至1020℃，保温15min，再以3℃/min的速率升至1090℃，保温12min。
步骤3、将固溶后的8Cr4Mo4V钢降温至200℃保温2h进行马氏体-贝氏体复合淬火，然后将工件出炉空冷至室温。
步骤4、淬火2h后，将淬火后的8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，以8℃/min的速率升温至550℃，保温2.5h后出炉空冷。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。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。
采用洛氏硬度计测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后的洛氏硬度为62.3HRC。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193.3kJ/m2。采用万能试验机，测得淬火并回火后8Cr4Mo4V钢的室温抗拉强度为2669MPa，屈服强度为2421MPa。采用旋转弯曲疲劳试验机测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后旋转弯曲疲劳极限为1100MPa。
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40min，向炉内充入2bar氮气，启动风扇，工件在冷却60min后达到38℃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40℃。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3h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2537MPa，屈服强度为2325MPa。采用旋转弯曲疲劳试验机测得8Cr4Mo4V钢淬火并回火后旋转弯曲疲劳极限为740MPa。
表1 不同工艺下8Cr4Mo4V钢的力学性能测试结果。
Figure 411785DEST_PATH_IMAGE001
通过对实施例和对比例的对比可以发现，本发明对材料的强度、冲击韧性以及旋转弯曲疲劳性能均有明显提高。

Claims (5)

1.一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，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钢进行分段升温固溶处理；
步骤3、对固溶后的8Cr4Mo4V钢进行马氏体-贝氏体复合淬火处理；
步骤4、对淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理。
2.如权利要求1所述的一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，其特征在于，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6h-7h，然后随炉冷却至720℃-750℃，保温时间为11h-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。
3.如权利要求1所述的一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，其特征在于，所述步骤2中分段升温固溶处理为：将球化退火后的8Cr4Mo4V钢置于热处理炉内，先以8℃/min-15℃/min的升温速率升温至820℃-860℃，保温20min-40min，然后以5℃/min-10℃/min的升温速率升温至1000℃-1060℃，保温20min-40min，再升以3℃/min-5℃/min的升温速率，升高至1075℃-1110℃，保温10min-30min。
4.如权利要求1所述的一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，其特征在于，所述步骤3中复合淬火处理为：将固溶后的8Cr4Mo4V钢采用等温盐浴或真空气淬方法，迅速降温至180℃-220℃，要求由固溶温度1075℃-1110℃降低至180℃-220℃的时间为＜5min，到温后保温1h-3h进行马氏体-贝氏体复合淬火，然后在30min-60min内，将工件控温冷却至40℃。
5.如权利要求1所述的一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法，其特征在于，所述步骤4中三次回火处理为淬火后冷却至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。
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