CN114592113A - 一种诱导马氏体相生成的微型钢球及深冷处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种诱导马氏体相生成的微型钢球及深冷处理工艺，微型钢球球坯在淬火处理后，经过充分沥油并冷却至室温；迅速放入温度低于‑70℃的冷冻机内并停留不低于1.5h，进行深冷处理，待全部钢球温度达到低于‑70℃时取出，放到空气中，进行空冷；待全部钢球都恢复到室温后，立即进行回火；回火后自然空冷至室温，热处理完毕。其中，所述微型钢球的直径小于2mm；所述淬火后钢球表面温度不高于60℃，所述回火温度在140℃～160℃，回火时间在2h～3h。采用深冷处理工艺，加速奥氏体向马氏体的转变，获得均匀稳定的马氏体组织，减少钢球内部组织中的残余奥氏体，提高显微组织的均匀性，提高钢球的尺寸稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微型钢球加工技术领域，具体涉及一种诱导马氏体相生成的微型钢球及深冷处理工艺。
背景技术
超精密微型钢球(直径小于2mm的钢球)专供微型轴承使用，广泛应用于机器人、高端医疗器械、微型电机的转动系统及5G基站和大规模集成电路控制系统等高端装备的散热系统，此外还应用于空间探测、飞行控制等高精密测控仪器中转动系统。而决定其精度和使用寿命最核心的零部件就是超精密微型轴承钢球。
长期以来，日本等先进国家在该领域技术领先，椿中岛等极少数企业在技术和价格上形成垄断。而国内企业在原材料、设备和工艺等方面均存在明显短板，国产钢球的各项指标均落后于进口产品。虽部分企业使用了进口原材料，但无专用设备和针对性工艺，产品精度仍达不到G5级标准，更无法实现G3级钢球国产化。
目前，超精密微型钢球的加工生产存在几点难点，其中之一：超精密微型钢球的显微组织控制。轴承钢淬火是一种不完全淬火，轴承钢球在淬火后存在着大量的残余奥氏体，正常回火后残余奥氏体虽然会有所减少，但是仍然会有20％左右的残余奥氏体存在。因为马氏体组织的转变温度为-50-250℃，因此在常温下，轴承零件中的这些残余奥氏体仍然会发生马氏体组织转变。残余奥氏体在向马氏体组织转变时，工件的尺寸或体积会发生改变，这种情况会导致滚动体的早期磨损或失效，是精密级轴承(超精密级)零件和5/6G通讯设备中钢球及航空航天轴承和高铁(动车、城铁)轴承零件不允许的。
另外由于微型钢球直径过小，在热处理过程中容易发生抱团现象，从而造成不同钢球的温度变化差异过大，不同钢球间的组织差异性较大，严重影响钢球的品质。
目前采用锻后或者轧后空冷、深冷处理工艺以期望获得以贝氏体/马氏体为主要组织的钢球的研究技术近年来也逐渐增多，如中国专利申请CN1189542公开了一种多元微合金化空冷贝氏体钢，该材料不需要复杂的热处理工艺，锻后或者轧后空冷即可获得以贝氏体/马氏体为主要组织的磨球，因无等温处理工艺，基体组织中贝氏体/马氏体复相组织的比例存在差异，导致最终性能产生波动。专利CN202010299242.0公开了一种复相析出TiC粒子的回火马氏体耐磨钢球的制备方法，通过锻造余热淬火(无需再次加热)+低温回火工艺，得到高硬度的回火马氏体组织，但是其主要是利用钛元素，在液相中析出大尺寸TiC颗粒，在固态转变过程中二次析出纳米级TiC粒子，即可得到综合性能优异的复相析出组织，加入了微合金元素Ti，增加了生产成本。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明的一个目的在于提供一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，具体步骤如下：
(1)所述微型钢球球坯在淬火处理后，经过充分沥油并冷却至室温；
(2)迅速放入温度低于-70℃的冷冻机内并停留不低于1.5h，进行深冷处理，待全部钢球温度达到低于-70℃时取出，放到空气中，进行空冷；
(3)待全部钢球都恢复到室温后，立即进行回火；
(4)回火后自然空冷至室温，热处理完毕。
其中，所述微型钢球的直径小于2mm；所述淬火后钢球表面温度不高于60℃，所述回火温度在140℃～160℃，回火时间在2h～3h。
进一步地，所述深冷处理的停留时间在1.5～2h。
进一步地，所述深冷处理的温度条件在-70℃至-80℃。
根据权利要求1所述的一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，所述回火温度在150℃±5℃，回火时间在2.5h。
进一步地，所述步骤1)冷却至室温后迅速进行深冷处理，时间控制在20min之内。
进一步地，所述步骤3)钢球恢复到室温后立即进行回火，间隔时间必须控制在25min之内。
本发明的另一目的在于，提供一种采用如上所述的诱导马氏体相生成的深冷处理工艺制备得到的微型钢球。
优选的，所述微型钢球中残余奥氏体相含量体积分数<5％。
优选的，所述微型钢球的球直径变动量≤0.11μm；球形误差≤0.11μm；表面粗糙度≤0.010μm；球批直径变动量≤0.13μm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，采用深冷处理工艺，加速奥氏体向马氏体的转变，获得均匀稳定的马氏体组织，减少钢球内部组织中的残余奥氏体，提高显微组织的均匀性。
第二，深冷处理后，钢球自然升温后，立即进行回火处理，去除钢球残留的组织应力和热应力，提高钢球的尺寸稳定性。
第三，本发明对微型钢球的原料、辅料均无特殊要求，以国产轴承钢制备的微型钢球为对象，采用本发明方法即可获得高精密的微型轴承钢球，大大降低相关产业制造成本，应用推广价值巨大。
附图说明
图1为本发明实施例1原钢球内部残余奥氏体的微观组织电镜图片；
图2为采用本发明方法深冷处理后钢球内部的微观组织电镜图片。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
所述微型钢球的直径1.588mm。微型钢球由下列重量百分比的合金成分制成：
C：0.65～0.9wt.％、Si：1.5～3.0wt.％、Mn：0.5～2.0wt.％、Cr：0.5～1.5wt.％、Ti：1～2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体处理工艺步骤如下：
(1)所述微型钢球球坯在淬火处理后，经过充分沥油并冷却至室温，淬火后钢球表面温度不高于60℃；
(2)冷却至室温后在20min之内，迅速放入温度在-70℃的冷冻机内并停留2h，进行深冷处理，待全部钢球温度达到低于-70℃时取出，放到空气中，进行空冷；
(3)待全部钢球都恢复到室温后，立即进行回火，间隔时间不超过25min，所述回火温度在150℃，回火时间在2.5h；
(4)回火后自然空冷至室温，热处理完毕。
实施例2
微型钢球的成分组成与实施例1相同，处理工艺相同，不同之处在于，实施例2中深冷处理温度在-75℃。
实施例3
微型钢球的成分组成与实施例1相同，处理工艺相同，不同之处在于，实施例3中深冷处理温度在-80℃。
实施例4
微型钢球的成分组成与实施例1相同，处理工艺相同，不同之处在于，实施例4中深冷处理温度在-65℃。
实施例5
所述微型钢球的直径1.588mm。微型钢球由下列重量百分比的合金成分制成：
C：0.33％，Cr：10.5％，Si：0.28％，Mn：0.3％，Mo：2.3％，Nb：0.02％，Cu：0.07％，Co：4.15％，V：0.15％，S≤0.02％，P≤0.02％，Ni：0.61％，余料为Fe.
具体处理工艺步骤如下与实施例1相同。
性能测试：
(1)将上述实施例1-5热处理完成后得到的微型钢球进行性能测试，具体见表1。
由上表可知，采用本发明方法制备得到的微型钢球残余奥氏体含量低于5％，远低于标准的15％，加工生产的微型钢球批次之间稳定性好，钢球整体组织差异性较低，微型钢球品质较高。
(2)对实施例1处理前后钢球的内部微观组织进行观察对比，由附图1、2对比可知，采用本发明方法处理前后微型钢球内部微观组织均匀性较好，残余奥氏体含量明显降低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，具体步骤如下：
(1)所述微型钢球球坯在淬火处理后，经过充分沥油并冷却至室温；
(2)迅速放入温度低于-70℃的冷冻机内并停留不低于1.5h，进行深冷处理，待全部钢球温度达到低于-70℃时取出，放到空气中，进行空冷；
(3)待全部钢球都恢复到室温后，立即进行回火；
(4)回火后自然空冷至室温，热处理完毕；
所述微型钢球的直径小于2mm；所述淬火后钢球表面温度不高于60℃，所述回火温度在140℃～160℃，回火时间在2h～3h。
2.根据权利要求1所述的一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，所述深冷处理的停留时间在1.5～2h。
3.根据权利要求1所述的一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，所述深冷处理的温度条件在-70℃至-80℃。
4.根据权利要求1所述的一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，所述回火温度在150℃±5℃，回火时间在2.5h。
5.根据权利要求1所述的一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，所述步骤1)冷却至室温后迅速进行深冷处理，时间控制在20min之内。
6.根据权利要求1所述的一种诱导马氏体相生成的微型钢球的深冷处理工艺，其特征在于，所述步骤3)钢球恢复到室温后立即进行回火，间隔时间必须控制在25min之内。
7.采用如权利要求1～6任一所述的诱导马氏体相生成的深冷处理工艺制备得到的微型钢球。
8.根据权利要求7所述的采用诱导马氏体相生成的深冷处理工艺得到的微型钢球，其特征在于，所述微型钢球中残余奥氏体相含量体积分数<5％。
9.根据权利要求7所述的采用诱导马氏体相生成的深冷处理工艺得到的微型钢球，其特征在于，所述微型钢球的球直径变动量≤0.11微米；球形误差≤0.11微米；表面粗糙度≤0.010微米；球批直径变动量≤0.13微米。
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| 肖爱武: "热处理对机床轴承用不锈钢组织和力学性能的影响", 热加工工艺, vol. 46, no. 4, pages 200 - 203 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115418554A (zh) * | 2022-10-11 | 2022-12-02 | 钢诺新材料股份有限公司 | 一种耐磨锻球热处理方法 |
| CN115418554B (zh) * | 2022-10-11 | 2023-02-28 | 钢诺新材料股份有限公司 | 一种耐磨锻球热处理方法 |
| CN115896403A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-04-04 | 合肥力和机械有限公司 | 一种淬火后轴承钢球再浸润冷油后的快速回火工艺 |
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