CN113801978B - 一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法 - Google Patents

一种提高轴承钢8Cr4Mo4V强度及韧性的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于热处理工艺技术领域，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 (3)

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，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；
步骤3、对固溶后的8Cr4Mo4V钢进行马氏体-贝氏体复合淬火处理，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℃；
步骤4、对淬火后的8Cr4Mo4V钢进行三次回火处理，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。
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4中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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