CN114085967B - 马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法 - Google Patents

马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料热处理技术领域，具体公开了一种马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，该调控方法可大幅降低马氏体轴承钢材料的平均线膨胀系数。该调控方法包括下列步骤：S1、将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在5～15℃/min，升温至950～1150℃后，保温1～3h；S2、步骤S1中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出冷却至室温；S3、冷却至室温后，在24h之内对其进行冷却处理；冷却处理的过程为冷却至‑150～‑190℃，并保温30min以上；S4、步骤S3中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出升温至室温，再进行回火处理。经过该调控方法处理后，可将马氏体轴承钢材料室温至500℃的线膨胀系数αm/10‑6℃‑1控制在5～6.5。

Description

马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及一种马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法。
背景技术
物体的热膨胀现象在自然界普遍存在。金属材料热胀冷缩现象的存在，对于制造加工零件而言会产生很多不利的影响，尤其是对于高端精密零部件、精密仪器等，若材料膨胀系数较大，轻则造成测量仪器的误差，重则会导致材料连接部位失效，不利于材料的实际应用。因此，具有较小膨胀系数的材料对于工程应用有着重要意义。
在工程应用中，轴承材料经常需要组合不同的材料使用，因此必须根据不同材料的膨胀系数来考虑结构件之间可能会产生的压力，进一步确定各种结构件配合时所能够允许的公差。同时，由于高端轴承零件具有较高的加工精度要求，而温度变化引起材料热变形对加工精度和测量精度有着不容忽视的影响。此外，轴承作为工业运用中必不可少的零件，其在服役过程中往往会面临高温、高转速等较为恶劣的环境，如在高温环境下，金属材料体积往往会随温度的变化会发生一定的改变，这种改变将导致材料的几何尺寸发生变化。因此，对于制造轴承的材料的性能提出了很高的要求，控制轴承材料热膨胀性能对于提高轴承与其结构件之间的匹配性有着重要作用。
现有大量研究发现，合金的热膨胀性能受其组成相溶质元素及其含量的影响，添加Mn、Sn等合金元素将明显增大纯铁的热膨胀系数，而V、Cr、Ni等合金元素的添加会明显降低纯铁的热膨胀系数。在不改变合金成分体系的前提下，想要控制合金热膨胀性能就只能通过热加工及热处理等手段调控合金组织，从而控制其热膨胀性能。但现有热处理方法对马氏体轴承钢的热膨胀性能的调控效果一般，无法大幅降低马氏体轴承钢材料的平均线膨胀系数，不能满足高端精密零部件或精密仪器的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可大幅降低马氏体轴承钢材料的平均线膨胀系数的调控方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，包括下列步骤：
S1、将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在5～15℃/min，升温至950～1150℃后，保温1～3h；
S2、步骤S1中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出冷却至室温；
S3、步骤S2中的马氏体轴承钢材料冷却至室温后，在24h之内对其进行冷却处理；冷却处理的过程为冷却至-150～-190℃，并保温30min以上；
S4、步骤S3中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料随控冷装置升温至室温，再进行回火处理。
进一步的是，热轧态的马氏体轴承钢材料其组织初始晶粒度控制在7～10级。
进一步的是，所述马氏体轴承钢为高Cr和Mo的马氏体轴承钢。
进一步的是，所述加热炉为箱式电阻炉。
进一步的是，所述室温为20～25℃。
进一步的是，步骤S2中，将马氏体轴承钢材料油冷至室温，降温速率控制在50～100℃/min。
进一步的是，步骤S4中，将马氏体轴承钢材料升温至室温过程中，升温速率控制在10～50℃/h。
进一步的是，步骤S4中，回火处理的过程为将马氏体轴承钢材料升温至450～550℃的回火温度，并保温1～2h。
本发明的有益效果是：该调控方法通过对热轧态的马氏体轴承钢材料进行加热并对升温速率、保温温度和保温时间进行合理控制，能够有效控制材料内部第二相含量，确保材料完全奥氏体化，之后通过将材料冷却至室温得到基体组织为马氏体的材料；接着，通过对材料进行冷却处理并对处理时间、保温温度和保温时间进行合理控制，能够让材料基体组织中存在的残余奥氏体进一步转变形成马氏体，尽可能减少材料中残余奥氏体的含量，以降低因材料中存在大量残余奥氏体对材料热膨胀系数的不利影响；最后，通过将材料升温至室温并进行回火处理，能够消除材料在冷却处理过程中由于相转变产生的残余应力，提高材料的稳定性；经过该调控方法处理后，可将马氏体轴承钢材料室温至500℃的线膨胀系数αm/10-6℃-1控制在5～6.5，大幅降低了马氏体轴承钢材料的平均线膨胀系数。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，包括下列步骤：
S1、将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在5～15℃/min，升温至950～1150℃后，保温1～3h；
S2、步骤S1中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出冷却至室温；室温通常为20～25℃；
S3、步骤S2中的马氏体轴承钢材料冷却至室温后，在24h之内对其进行冷却处理；冷却处理的过程为冷却至-150～-190℃，并保温30min以上；
S4、步骤S3中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料随控冷装置升温至室温，再进行回火处理。
该马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法主要通过控制热处理后续工艺来调控马氏体轴承钢中原奥氏体晶粒尺寸及其内部析出相分布，从而达到控制其热膨胀性能的目的，对于提高轴承与其结构件之间的匹配性及零件加工精度有着重要意义，特别适用于对高Cr、Mo马氏体轴承钢进行处理。
步骤S1中，热轧态的马氏体轴承钢材料其组织初始晶粒度优选控制在7～10级。如果热轧态的马氏体轴承钢材料其组织初始晶粒度大于10级，则会因为晶粒细小，在变形过程中材料内部积累较高的储能，使得材料内部亚结构增加，从而导致材料热膨胀系数增大。加热炉主要用于马氏体轴承钢材料的加热和保温，其可以为多种，优选为加热效果好且便于控制的箱式电阻炉。
由于多相合金的热膨胀系数取决于组成相之间的性质和数量，因此步骤S1需要控制材料内部第二相含量。若保温温度低于950℃，材料内部晶界处会存在大量细小分布的第二相颗粒，大量第二相颗粒的存在会导致材料在使用过程中随着温度的升高而发生转变，第二相颗粒提供的晶格震动会导致材料热膨胀系数有所增大，对于材料尺寸稳定性存在不利影响。若保温温度高于1150℃，材料内部第二相颗粒完全回溶至基体且原始晶粒尺寸大幅增加，大量合金元素以固溶体的形式存在于铁基体中，Mo、Cr等合金元素固溶至铁基体中，会导致基体晶格参数发生变化，进而影响材料的热膨胀系数。另外，该步骤若保温时间不足1h，则会导致材料内部晶界处大量细小的析出相没有足够的时间回溶至基体，而保温时间超过3h则会导致析出相完全回溶。
步骤S2中，保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出冷却至室温，这是为了让完全奥氏体化后的材料快速冷却至室温，而使得到的材料基体组织为马氏体。为了快速冷却，该步骤优选将马氏体轴承钢材料油冷至室温，降温速率控制在50～100℃/min。
步骤S3是为了让材料基体组织中存在的残余奥氏体进一步转变形成马氏体，尽可能减少材料中残余奥氏体的含量，以降低因材料中存在大量残余奥氏体对材料热膨胀系数的不利影响；若步骤S2中的马氏体轴承钢材料冷却至室温后间隔时间超过24h会导致残余奥氏体稳定存在，无法通过冷却处理消除，因此需要在24h之内进行冷却处理。
步骤S4是为了消除材料在冷却过程中由于相转变产生的残余应力，进一步提高材料的稳定性。为了避免马氏体轴承钢材料升温过快，对材料的热膨胀系数产生不利影响，该步骤将马氏体轴承钢材料升温至室温过程中应缓慢升温，优选将升温速率控制在10～50℃/h。为了有效消除残余应力，该步骤中回火处理的过程优选为将马氏体轴承钢材料升温至450～550℃的回火温度，并保温1～2h。回火温度不宜超过600℃，超过600℃合金内部会发生马氏体向奥氏体转变形成逆转变奥氏体，并且会伴随大量第二相颗粒的析出，均会影响材料的热膨胀性能。
实施例1
某次对马氏体轴承钢的热膨胀性能进行调控，过程如下：
S1、将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在10℃/min，升温至1000℃后，保温1h；
S2、步骤S1中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出冷却至室温；
S3、步骤S2中的马氏体轴承钢材料冷却至室温后，在24h之内对其进行冷却处理；冷却处理的过程为冷却至-190℃，并保温30min；
S4、步骤S3中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料随控冷装置升温至室温，再进行回火处理；回火处理的过程为将马氏体轴承钢材料升温至500℃的回火温度，并保温2h。
实施例2
某次对马氏体轴承钢的热膨胀性能进行调控，过程如下：
S1、将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在10℃/min，升温至1100℃后，保温1h；
S2、步骤S1中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出水冷至室温；
S3、步骤S2中的马氏体轴承钢材料冷却至室温后，在24h之内对其进行冷却处理；冷却处理的过程为冷却至-150℃，并保温30min以上；
S4、步骤S3中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料随控冷装置升温至室温，再进行回火处理；回火处理的过程为将马氏体轴承钢材料升温至540℃的回火温度，并保温2h。
对比例1
采用与实施例1相同的马氏体轴承钢材料，该马氏体轴承钢材料为原始热轧态试样未经任何热处理。
对比例2
采用与实施例2相同的马氏体轴承钢材料，将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在10℃/min，升温至950℃后，保温1h。
分别对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2处理后的马氏体轴承钢材料进行检测，测得其在各温度范围的平均线膨胀系数，见下表1。
表1
根据表1可知，经过本发明提供的调控方法处理后，可将其室温至500℃的线膨胀系数αm/10-6℃-1控制在5～6.5，大幅降低了马氏体轴承钢材料的平均线膨胀系数，明显优于现有技术。

Claims (6)

1.马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1、将热轧态的马氏体轴承钢材料置于加热炉中，使之随炉升温，升温速率控制在5～15℃/min，升温至950～1150℃后，保温1～3h，马氏体轴承钢材料完全奥氏体化；其中，热轧态的马氏体轴承钢材料其组织初始晶粒度控制在7～10级，马氏体轴承钢为高Cr和Mo的马氏体轴承钢；
S2、步骤S1中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料取出冷却至室温，得到基体组织为马氏体的材料；
S3、步骤S2中的马氏体轴承钢材料冷却至室温后，在24h之内对其进行冷却处理；冷却处理的过程为冷却至-150～-190℃，并保温30min以上，材料基体组织中存在的残余奥氏体转变形成马氏体；
S4、步骤S3中保温阶段完成后，将马氏体轴承钢材料随控冷装置升温至室温，再进行回火处理，回火温度不超过600℃，消除材料在冷却处理过程中由于相转变产生的残余应力。
2.根据权利要求1所述的马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，其特征在于：所述加热炉为箱式电阻炉。
3.根据权利要求1所述的马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，其特征在于：所述室温为20～25℃。
4.根据权利要求1所述的马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，其特征在于：步骤S2中，将马氏体轴承钢材料油冷至室温，降温速率控制在50～100℃/min。
5.根据权利要求1所述的马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，其特征在于：步骤S4中，将马氏体轴承钢材料升温至室温过程中，升温速率控制在10～50℃/h。
6.根据权利要求1至5任一项所述的马氏体轴承钢热膨胀性能的调控方法，其特征在于：步骤S4中，回火处理的过程为将马氏体轴承钢材料升温至450～550℃的回火温度，并保温1～2h。
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