CN114395687B - 一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺 - Google Patents

一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺，涉及轴承材料热处理技术领域。本发明的处理工艺是将在球磨铸铁加工成型后进行多次循环淬火热处理，从而进一步细化球磨铸铁的晶粒，同时提高球磨铸铁的硬度。本发明所制备的球磨铸铁材料晶粒可以降低至12.5μm，硬度达到60HRC，完全满足轴承用材的要求。

Description

一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺
技术领域
本发明涉及轴承材料热处理技术领域，具体涉及一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺。
背景技术
轴承是各种装备的关键基础件，决定着装备的寿命与可靠性。而制造轴承的轴承钢则质量与性能则是保障轴承寿命与可靠性的关键。为了保障轴承的良好运转，传统轴承需要添加润滑油或润滑脂以降低轴承的磨损失效。但在食品、卫生、航空航天的某些场合，无法使用润滑介质，导致轴承过早疲劳失效，从而大幅度降低了装备的寿命与可靠性。
球墨铸铁中含有的石墨可以在没有润滑介质的情况下实现轴承的良好运转。同时由于良好的韧性，高耐疲劳性，可切削性和相对较低的成本已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。迄今为止，球铁在汽车、机车车辆、机械机床及配件、铸铁管等生产中获得了广泛的应用被认为是在不同行业中具有广泛应用的钢的合适替代品，实现了所谓的“以铁代钢”。但是球墨铸铁的铸态组织粗大，基体较软，不满足轴承结构材料的性能要求。因此将球磨铸铁进行晶粒细化和硬化处理方能满足轴承用材的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺，该工艺将石墨铸铁的晶粒从铸态的70μm细化到热处理后的12.5μm，硬度也由48HRC提高到了60HRC，达到了轴承内外圈对轴承材料的晶粒尺寸与硬度要求，实现了赫兹应力3.0GPa下的推力片方式测定的接触疲劳性能L10≥0.23×107次，满足轴承疲劳寿命要求。
本发明所述可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺，包括以下步骤：
S1、调整铁水成分，主要元素的质量百分数如下：
C:3.4％-3.7％，Si:2.75％-2.9％，Mn:0.3％-0.5％，S:0.05％，P:0.05％，Mg:0.03％-0.045％，Fe和其他杂质为余量；
铁水中碳当量常控制为共晶成分或稍高于共晶成分，这样有利于球化和避免产生白口组织。调节C含量可调整基体组织。增加C含量虽然使石墨量增多，但是石墨球的数量增多，球径缩小和圆整度变好，仍有利于塑性和韧性的提高。为了防止白口组织和减少基体中的珠光体量，Si量要适当控制，不宜过高，否则会因大量Si溶入铁素体而降低塑性。球墨铸铁一般含碳量为3.6～4.0％，含硅量为2.0～2.8％。
Mn在球墨铸铁中会发生严重偏析，共晶团晶界上的含Mn量比晶内高3～4倍，使晶界上易产生珠光体。球状石墨周围含Mn量比奥氏体晶界处的含Mn量低数倍，对珠光体体积分数影响最显著的是Mn。
S干扰石墨球化，最好控制在0.05％以下。
P容易产生偏析，共晶转变结束后，晶间残留溶液含磷量显著提高，严重时能在晶界上出现磷共晶，降低塑性和韧性，通常把P含量控制在0.08％以下。
S2、将铁水倒入内径为60mm-150mm的结晶器中进行铸造成型，所述铸造时铁水出炉温度为1480℃，所述铁水在结晶器中的凝固温度为1250-1300℃；
S3、将铸造成型的铸件进淬火热处理，其中淬火热处理是先在温度为890℃-1100℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为820℃-1000℃温度下保温1h，冷却至室温；
S4、重复步骤S3的淬火热处理3次，得到超细球墨铸铁。
在一些实施例中本发明步骤S3中淬火热处理是先在温度为1000℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为880℃温度下保温1h，冷却至室温。
本发明的另一目的是提供了一种超细化和超硬度的球磨铸铁材料，其是利用本发明的循环淬火热处理的方法制备而成。
本发明还提供了所述超细化和超硬度的球磨铸铁材料的应用，具体是将所述球磨铸铁材料用于制备轴承套圈。
本发明是将成型铸件加热至稍高于Ac3的温度，在较低的奥氏体化温度下短时保温，然后快速淬火至室温，再多次重复以上过程的热处理方法。本发明采用多次加热-冷却循环来破坏新相与母相之间的取向关系，从而获得细小的奥氏体晶粒。这是因为每经过一次加热和冷却，新相和旧相之间的位向关系就可以遭到一些破环，组织遗传性部分消除，经过多次的循环就能完全消除组织遗传性的影响。每淬火一次，是晶粒的再结晶，因此原奥氏体晶粒大小直接关系到最终晶粒的大小。通过研究不同奥氏体化温度与原奥晶粒大小，组织遗传的关系，不同循环温度，保温时间及循环次数对晶粒大小的影响，从而得出最优的循环淬火工艺。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明是将成型的铸件经过经循环淬火处理，使得基体为细化后的马氏体，少量的残余奥氏体以及石墨，基体硬度高达60HRC，满足轴承疲劳寿命要求。
附图说明
图1为本发明实施例2未进行淬火热处理的铸件晶相结构图；
图2为本发明实施例2一次淬火热处理的铸件晶相结构图；
图3为本发明实施例2循环淬火热处理后的铸件晶相结构图；
图4为本发明实施例1-3制备的超细球墨铸铁材料抗疲劳性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
S1、调整铁水成分，主要元素的质量百分数如下：
C:3.4％，Si:2.75％，Mn:0.3％，S:0.05％，P:0.05％，Mg:0.03％，Fe和其他杂质为余量；
S2、将铁水倒入内径为75mm的结晶器中进行铸造成型，所述铸造时铁水出炉温度为1480℃，所述铁水在结晶器中的凝固温度为1250-1300℃；
S3、将铸造成型的铸件进淬火热处理，其中淬火热处理是先在温度为1000℃℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为880℃温度下保温1h，冷却至室温；
S4、重复步骤S3的淬火热处理3次，得到75#超细球墨铸铁材料。
实施例2
S1、调整铁水成分，主要元素的质量百分数如下：
C:3.7％，Si:2.9％，Mn:0.5％，S:0.05％，P:0.05％，Mg:0.045％，Fe和其他杂质为余量；
S2、将铁水倒入内径为90mm的结晶器中进行铸造成型，所述铸造时铁水出炉温度为1480℃，所述铁水在结晶器中的凝固温度为1250-1300℃，得到成型的铸件，如图1所示；
S3、将铸造成型的铸件进淬火热处理，其中淬火热处理是先在温度为1000℃℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为880℃温度下保温1h，冷却至室温，得到一次淬火热处理的铸件，如图2所示；
S4、重复步骤S3的淬火热处理3次，得到90#超细球墨铸铁材料，如图3所示。
实施例3
S1、调整铁水成分，主要元素的质量百分数如下：
C:3.55％，Si:2.82％，Mn:0.4％，S:0.05％，P:0.05％，Mg:0.37％，Fe和其他杂质为余量；
S2、将铁水倒入内径为120mm的结晶器中进行铸造成型，所述铸造时铁水出炉温度为1480℃，所述铁水在结晶器中的凝固温度为1250-1300℃，得到3#铸件；
S3、将铸造成型的铸件进淬火热处理，其中淬火热处理是先在温度为1000℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为880℃温度下保温1h，冷却至室温；
S4、重复步骤S3的淬火热处理3次，得到120#超细球墨铸铁。
将本发明实施例1-3制备的超细球磨铸铁材料在室温以及3.0GPa下进行接触疲劳寿命试验，如表1和图4所示，表明循环细化热处理后的球墨铸铁接触疲劳寿命达到了L10≥0.23-0.37x107次，完全可以满足轴承套圈对组织、硬度和疲劳寿命要求。本发明超细化和超硬化后的球墨铸铁具有较高的抗疲劳性能。
表1各组铸铁的RCF寿命及weibull分布参数值(最大接触压力3.0GPa)
需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调整铁水成分，主要元素的质量百分数如下：
C:3.4％-3.7％，Si:2.75％-2.9％，Mn:0.3％-0.5％，S:0.05％，P:0.05％，Mg:0.03％-0.045％，Fe和其他杂质为余量；
S2、将铁水倒入内径为60mm-150mm的结晶器中进行铸造成型，所述铸造时铁水出炉温度为1480℃，所述铁水在结晶器中的凝固温度为1250-1300℃；
S3、将铸造成型的铸件进淬火热处理，其中淬火热处理是先在温度为890℃-1100℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为820℃-1000℃温度下保温1h，冷却至室温；
S4、重复步骤S3的淬火热处理3次，得到超细球墨铸铁。
2.根据权利要求1所述可制作轴承套圈的球墨铸铁超细化循环热处理工艺，其特征在于，步骤S3中淬火热处理是先在温度为1000℃条件下保温2h，冷却至室温后，然后在温度为880℃温度下保温1h，冷却至室温。
3.一种超细化和超硬度的球磨铸铁材料，其特征在于，利用权利要求1或权利要求2的方法制备而成。
4.根据权利要求3所述超细化和超硬度的球磨铸铁材料的应用，其特征在于，将所述球磨铸铁材料用于制备轴承套圈。
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