CN114908245B - 高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法，其包括如下步骤：S1、通过冷轧成形工艺对残余奥氏体组织进行预调控；S2、通过分级淬火工艺对残余奥氏体组织进行多次分割；S3、通过冷处理工艺对残余奥氏体组织的残奥含量进行控制；S4、通过低温回火工艺增加残余奥氏体组织的残奥碳含量，提高残余奥氏体组织的残奥稳定性。本发明还提供一种采用上述方法获得的轴承。本发明能获得含量适合、尺寸细小、稳定性高的残余奥氏体组织，能满足轴承不同服役工况下抗疲劳性能和尺寸稳定性需求。
Description
技术领域
本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法。
背景技术
轴承是机械装备承载负荷和传递运动的核心部件，其抗疲劳性能和尺寸稳定性直接影响主机的工作寿命和运转精度。轴承基本结构由套圈、滚动体和保持架组成，其中，套圈是决定轴承整体服役性能的最关键组件，如何获得高疲劳耐性和尺寸稳定性的轴承套圈是保障高端装备可靠服役所面临的关键问题。
亚稳相残余奥氏体(简称残奥)是轴承套圈材料在淬回火热处理后的必然产物，对轴承的抗疲劳性能和尺寸稳定性有重要影响。一方面，残奥相由于韧性较佳，在服役过程中能够起到抑制疲劳裂纹萌生和扩展的作用，保留一定含量的残奥对轴承抗疲劳性能起着积极作用；另一方面，残奥相是一种亚稳定相，在一定应力和温度条件下会发生分解转变，引起轴承体积膨胀，降低轴承精度，因此，残奥的存在不利于轴承尺寸的稳定性。
综上可知，残奥的含量和稳定性是影响轴承抗疲劳性能和尺寸稳定性的关键。因残奥稳定性又与残奥相尺寸、碳含量、形态等紧密相关，因此，通过成形制造来调控残奥组织状态是解决当前轴承服役寿命问题的必要途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法，该方法能获得含量适合、尺寸细小、稳定性高的残余奥氏体组织，能满足轴承不同服役工况下抗疲劳性能和尺寸稳定性需求；该轴承具有抗疲劳性能和尺寸稳定性的优点。
本发明所采用的技术方案是：
一种高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法，其包括如下步骤：
S1、通过冷轧成形工艺对残余奥氏体组织进行预调控，增加淬回火后残余奥氏体组织的残奥含量和碳含量，细化晶内残奥组织；
S2、通过分级淬火工艺对残余奥氏体组织进行多次分割，获得更细小弥散分布的残奥组织，促使低碳的奥氏体优先转变，未转变的残奥碳含量更高；
S3、通过冷处理工艺对残余奥氏体组织的残奥含量进行控制；
S4、通过低温回火工艺增加残余奥氏体组织的残奥碳含量，提高残余奥氏体组织的残奥稳定性。
更进一步的方案是，S1中通过冷轧成形工艺对残余奥氏体组织进行预调控的步骤为：
采用冷轧环成形工艺，利用冷轧形变对奥氏体化阶段碳化物溶解的影响，调控淬火后的残奥碳含量；
其中，冷轧环成形过程中的轧制变形速度为0.2～1mm/s，轧制变形量为ε，
式中：C0为标准碳含量1％；CS为轴承钢实测含碳量；R和r分别为轴承套圈的内径和外径。冷轧成形能够促进奥氏体化阶段的碳化物溶解行为，从而增加淬回火后残奥含量和碳含量。同时，冷轧成形显著的细化晶粒效果能够进一步细化晶内残奥组织。
更进一步的方案是，S2中通过分级淬火工艺对残余奥氏体组织进行多次分割的步骤为：
1)奥氏体化
采用分段加热的方式使轴承材料奥氏体化：首先以较慢的速度V1对轴承材料进行加热，短暂保温后，以较快的速度V2继续对轴承材料进行加热；
2)一级淬火
将加热后的轴承材料放入盐浴中进行一级组织分割淬火；
3)二级淬火
将轴承材料放入另一盐浴炉中进行二级组织分割淬火；
4)三级淬火
将两次盐浴后的轴承材料放入油中淬火，最后取出轴承材料冷却至室温。
通过合适的分级淬火能够实现原奥氏体晶粒内组织的多次分割，从而获得更细小弥散分布的残奥组织。同时，多次组织分割能够促使低碳的奥氏体优先转变，未转变的残奥碳含量更高，具有更高的稳定性。
更进一步的方案是，步骤1)中，以较慢的速度V1对轴承进行加热，加热至AC1-(30～50℃)；以较快的速度V2继续对轴承进行加热，加热至TA，TA通过AC1+(50～90℃)计算获得；其中，AC1为轴承材料加热初始奥氏体化温度，V1为2～5℃/min,V2为20℃/min～50℃/min，TA为奥氏体化温度。
更进一步的方案是，步骤2)中，一级淬火的盐浴温度为MS-(10～50℃)C0/CS，保温时间为2～10min，其中MS为轴承材料冷却过程马氏体相变起始温度，C0为参考碳含量0.8％，CS为轴承钢实测含碳量。
更进一步的方案是，步骤2)中，二级淬火的盐浴温度为BS-(30～80℃)C0/CS，保温时间为5～30min，其中BS为轴承材料冷却过程贝氏体相变鼻尖温度，C0为参考碳含量0.8％，CS为轴承钢实测含碳量。
更进一步的方案是，步骤2)中，三级淬火中，油温为60～80℃，保温时间5～20min后取出轴承材料冷却至室温。
更进一步的方案是，S3中冷处理的温度TC可通过计算获得，其中，T0为冷处理参考温度，TA为奥氏体化温度，CRA为目标残奥含量，CRA0为参考残奥含量，数值为15％；冷处理时间随冷处理温度变化，通过/>计算获得，其中tC0为参考冷处理时间，待冷处理完成后取出轴承材料即完成残奥含量控制冷处理过程。通过冷处理能够使残余奥氏体组织的温度降至Mf(Mf是残余奥氏体向马氏体相变的终止温度)点以下，残余奥氏体组织在低于Mf时会发生明显转变，进而可以针对残奥含量要求选择合适的冷处理参数(冷处理温度根据目标残奥含量CRA、奥氏体化温度TA来确定。根据公式来看，当目标残奥含量CRA越低，冷处理温度越低。同样，冷处理时间也与冷处理温度进行匹配)。
更进一步的方案是，S4中，低温回火的温度Tt为其中T1为回火参考温度，CRA0为参考残奥含量，CRA为目标残奥含量；回火时间也随回火温度变化，为其中t0为回火参考时间。低温回火过程中，残奥将发生部分转变，更重要的是马氏体中的碳将部分向残奥转移，从而增加残奥碳含量，起到使残奥稳定化的作用。
本发明还提供一种轴承，该轴承采用上述高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法制得。
本发明面向轴承抗疲劳性能和尺寸稳定性关键性能，以残余奥氏体为组织调控目标，通过组织预调控冷轧成形、残奥超细化分级淬火、残奥含量控制冷处理和残奥稳定化低温回火工艺条件的优化控制，获得含量适合、尺寸细小、稳定性高的残余奥氏体组织，以满足轴承不同服役工况下抗疲劳性能和尺寸稳定性需求。
本发明的有益效果在于：
通过合理调整冷轧变形量促进奥氏体化阶段碳化物的溶解行为，从而调控淬回火后的残奥碳含量，有利于提升残奥稳定性；
通过采用分级淬火能够实现原奥氏体晶粒内组织的多次分割，从而获得更细小弥散分布的残奥组织；同时，多次组织分割作用能够促使低碳的奥氏体优先转变，未转变的残奥碳含量更高，具有更高的稳定性；
通过合理控制冷处理温度和保温时间，能够进一步实现对残奥含量的精准控制，从而实现不同服役工况采用对应的理想残奥含量；此外，冷处理过程会在基体内产生大量位错，这些位错为后续回火碳配分过程提供碳扩散通道，更有利于增加残奥碳含量，提升残奥稳定性；
通过合理控制低温回火温度和保温时间，能够进一步消除掉不稳定的残奥组织，利用碳配分效应起到残奥稳定化的作用；
本发明基于成形制造工艺条件与残奥组织状态之间的对应关系，精准控制成形制造工艺参数，调控残奥含量和状态，获得合理含量的残奥并提升其稳定性，提高轴承抗疲劳性能和尺寸稳定性。
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。
一种高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法，其包括如下步骤：
S1、通过冷轧成形工艺对残余奥氏体组织进行预调控，增加淬回火后残余奥氏体组织的残奥含量和碳含量，细化晶内残奥组织；
采用冷轧环成形工艺，利用冷轧形变对奥氏体化阶段碳化物溶解的影响，调控淬火后的残奥碳含量；其中，冷轧环成形过程中的轧制变形速度为0.2～1mm/s，轧制变形量为ε，
式中：C0为标准碳含量0.8％；CS为轴承钢实测含碳量；R和r分别为轴承套圈的内径和外径。
S2、通过分级淬火工艺对残余奥氏体组织进行多次分割，获得更细小弥散分布的残奥组织，促使低碳的奥氏体优先转变，未转变的残奥碳含量更高。具体为：
1)奥氏体化
采用分段加热的方式使轴承材料奥氏体化：首先以较慢的速度V1对轴承进行加热，加热至AC1-(30～50℃)；短暂保温后，以较快的速度V2继续对轴承进行加热，加热至TA，TA通过AC1+(50～90℃)计算获得；其中，AC1为轴承材料加热初始奥氏体化温度，V1为2～5℃/min,V2为20℃/min～50℃/min，TA为奥氏体化温度；
2)一级淬火
将加热后的轴承材料放入盐浴中进行一级组织分割淬火；一级淬火的盐浴温度为MS-(10～50℃)C0/CS，保温时间为2～10min，其中MS为轴承材料冷却过程马氏体相变起始温度，C0为参考碳含量0.8％，CS为轴承钢实测含碳量；
3)二级淬火
将轴承材料放入另一盐浴炉中进行二级组织分割淬火；二级淬火的盐浴温度为BS-(30～80℃)C0/CS，保温时间为5～30min，其中BS为轴承材料冷却过程贝氏体相变鼻尖温度，C0为参考碳含量0.8％，CS为轴承钢实测含碳量；
4)三级淬火
将两次盐浴后的轴承材料放入油中淬火，油温为60～80℃，保温时间5～20min后取出轴承材料冷却至室温。
S3、通过冷处理工艺对残余奥氏体组织的残奥含量进行控制；
通过合理匹配冷处理温度和保温时间，实现残奥含量的精准控制；其中，冷处理的温度TC为其中，T0为冷处理参考温度，数值为-70℃；TA为奥氏体化温度，CRA为目标残奥含量，CRA0为参考残奥含量，数值为15％；冷处理时间随冷处理温度变化，通过/>计算获得，其中tC0为参考冷处理时间，待冷处理完成后取出轴承材料即完成残奥含量控制冷处理过程。
S4、通过低温回火工艺增加残余奥氏体组织的残奥碳含量，提高残余奥氏体组织的残奥稳定性；
通过合理控制回火温度和保温时间，进一步实现残奥稳定化；其中，低温回火的温度Tt为其中T1为回火参考温度数值为160℃；CRA0为参考残奥含量，数值为15％；CRA为目标残奥含量；回火时间也随回火温度变化，为/>其中t0为回火参考时间，数值为1h。
一种轴承，该轴承采用上述高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法制得。
实施例1
以GCr15材质某型号高速机床轴承外圈为例，其内径为60mm，外径为68mm，测试其碳含量为1.05％，AC1温度为792℃、MS温度为225℃、Bs温度为310℃。其面向抗疲劳性能和尺寸稳定性的高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法按如下步骤实现：
(1)组织预调控冷轧成形
根据轴承钢碳含量控制轧制变形量为25％，轧制变形速度为0.5mm/s。
(2)残奥超细化分级淬火
1)奥氏体化。采用分段加热的方式使轴承材料奥氏体化，首先以5℃/min速度加热至760℃，保温5min后以30℃/min速度继续加热至860℃，保温30min。
2)一级淬火。将加热后的轴承材料放入盐浴中进行一级组织分割淬火，盐浴温度为205℃，保温时间为5min。
3)二级淬火。继续将轴承材料放入另一盐浴炉中进行二级组织分割淬火，盐浴温度为245℃，保温时间为10min。
4)三级淬火。将两次盐浴后的轴承材料放入油中冷却，油温为80℃，保温15min，最后取出轴承材料冷却至室温。
(3)残奥含量控制冷处理
冷处理的温度TC设置为-102℃，冷处理时间设置为1.5h。待冷处理完成后取出轴承材料即完成残奥含量控制冷处理过程。
(4)残奥稳定化低温回火
低温回火温度Tt设置为217℃，回火时间设置为2.4h。待回火完成后取出轴承材料即完成残奥稳定化低温回火过程。
上述实施例所获得轴承套圈与传统马氏体热处理轴承套圈进行技术效果对比，发现本发明实施例的GCr15轴承套圈残奥含量为2.8％，残奥碳含量为1.25％，残奥形态大多为薄膜状，机械稳定性和热稳定性均提升。同时，对本实施例所获轴承套圈进行疲劳性能和尺寸稳定性分析，相比于传统成形制造工艺，滚动接触疲劳额定寿命从0.528×107提升至1.03×107，高低温时效试验中尺寸变化率由0.0043％下降至0.0012％。由此说明：本发明方法通过对残奥组织状态的精准调控，能够实现抗疲劳性能和尺寸稳定性的提升。
实施例2
以GCr15材质某型号新能源汽车轴承外圈为例，其内径为74mm，外径为86mm，测试其碳含量为1.02％，AC1温度为803℃、MS温度为212℃、Bs温度为322℃。其面向抗疲劳性能和尺寸稳定性的高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法按如下步骤实现：
(1)组织预调控冷轧成形
根据轴承钢碳含量控制轧制变形量为32％，轧制变形速度为0.8mm/s。
(2)残奥超细化分级淬火
1)奥氏体化。采用分段加热的方式使轴承材料奥氏体化，首先以3℃/min速度加热至780℃，保温5min后以50℃/min速度继续加热至880℃，保温15min。
2)一级淬火。将加热后的轴承材料放入盐浴中进行一级组织分割淬火，盐浴温度为190℃，保温时间为3min。
3)二级淬火。继续将轴承材料放入另一盐浴炉中进行二级组织分割淬火，盐浴温度为260℃，保温时间为20min。
4)三级淬火。将两次盐浴后的轴承材料放入油中淬火，油温为70℃，保温10min，最后取出轴承材料冷却至室温。
(3)残奥含量控制冷处理
冷处理的温度TC设置为-140℃，冷处理时间设置为2h。待冷处理完成后取出轴承材料即完成残奥含量控制冷处理过程。
(4)残奥稳定化低温回火
低温回火温度Tt设置为174℃，回火时间设置为2.1h。待回火完成后取出轴承材料即完成残奥稳定化低温回火过程。
上述实施例所获得轴承套圈与传统马氏体热处理轴承套圈进行技术效果对比，发现本发明实施例的GCr15轴承套圈残奥含量为12％，残奥碳含量为0.95％，机械稳定性和热稳定性均提升。同时，对本实施例所获轴承套圈进行疲劳性能和尺寸稳定性分析，相比于传统成形制造工艺，滚动接触疲劳额定寿命从0.751×107提升至1.24×107，高低温时效试验中尺寸变化率由0.0073％下降至0.0036％。由此说明：本发明方法通过对残奥组织状态的精准调控，能够实现抗疲劳性能和尺寸稳定性的提升。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过冷轧成形工艺对残余奥氏体组织进行预调控，增加淬回火后残余奥氏体组织的残奥含量和碳含量，细化晶内残奥组织；
采用冷轧环成形工艺，利用冷轧形变对奥氏体化阶段碳化物溶解的影响，调控淬火后的残奥碳含量；
其中，冷轧环成形过程中的轧制变形速度为0.2～1mm/s，轧制变形量为ε，
式中：C0为参考碳含量，数值为0.8％；CS为轴承钢实测含碳量；R和r分别为轴承套圈的外径和内径；
S2、通过分级淬火工艺对残余奥氏体组织进行多次分割，获得更细小弥散分布的残奥组织，促使低碳的奥氏体优先转变，未转变的残奥碳含量更高；
其中通过分级淬火工艺对残余奥氏体组织进行多次分割的步骤为：
1)奥氏体化
采用分段加热的方式使轴承材料奥氏体化：首先以较慢的速度V1对轴承材料进行加热，短暂保温后，以较快的速度V2继续对轴承材料进行加热；
以较慢的速度V1对轴承进行加热，加热至AC1-(30～50℃)；以较快的速度V2继续对轴承进行加热，加热至奥氏体化温度TA，TA通过AC1+(50～90℃)计算获得；其中，AC1为轴承材料加热初始奥氏体化温度，V1为2～5℃/min,V2为20℃/min～50℃/min；
2)一级淬火
将加热后的轴承材料放入盐浴中进行一级组织分割淬火；
一级淬火的盐浴温度为MS-(10～50℃)C0/CS，保温时间为2～10min，其中MS为轴承材料冷却过程马氏体相变起始温度,C0为参考碳含量，数值为0.8％，CS为轴承钢实测含碳量；
3)二级淬火
将轴承材料放入另一盐浴炉中进行二级组织分割淬火；
二级淬火的盐浴温度为BS-(30～80℃)C0/CS，保温时间为5～30min，其中BS为轴承材料冷却过程贝氏体相变鼻尖温度，C0为参考碳含量，数值为0.8％，CS为轴承钢实测含碳量；
三级淬火
将两次盐浴后的轴承材料放入油中淬火；
三级淬火中，油温为60～80℃，保温时间5～20min后取出轴承材料冷却至室温；
S3、通过冷处理工艺对残余奥氏体组织的残奥含量进行控制；其中，冷处理的温度TC通过计算获得，T0为冷处理参考温度，数值为-70℃；TA为奥氏体化温度，CRA为目标残奥含量，CRA0为参考残奥含量，数值为15％；冷处理时间tC随冷处理温度变化，通过/>计算获得，其中tC0为参考冷处理时间，数值为1h；
S4、通过低温回火工艺增加残余奥氏体组织的残奥碳含量，提高残余奥氏体组织的残奥稳定性；其中，低温回火的温度Tt由计算获得，T1为参考回火温度，数值为160℃；CRA0为参考残奥含量，CRA为目标残奥含量；回火时间也随回火温度变化，为其中t0为回火参考时间，数值为1h。
2.一种轴承，其特征在于：所述轴承采用权利要求1所述的高疲劳耐久和尺寸稳定轴承残余奥氏体成形制造调控方法制得。
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