CN114990447B - 一种合金材料、扩孔模及加工处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合金材料,所述合金材料的化学成分按重量百分比计为:碳1.06~1.20%,铬1.30~2.00%,锰0.30~0.49%,硅0.10~0.25%,稀土铈0.106~0.120%,稀土镝0.053~0.060%,稀土铽0.053~0.060%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。所述碳、稀土铈、稀土镝和稀土铽的质量之比为(16~24):(1.6~2.4):(0.8~1.2):(0.8~1.2)。还公开了一种由所述合金材料制备得的扩孔模及其加工处理工艺。加工处理工艺:将所述合金材料进行球化退火,然后加工成型制成目标结构的模具,所得模具经淬火、冷处理、回火、时效处理去应力,得到所述扩孔模。所述扩孔模具有成本低,不易断裂,不易表面磨损,使用寿命长的特点,并且其加工处理工艺简单,对加热设备要求低,在轴承加工领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于轴承加工设备技术领域,具体涉及一种合金材料,一种由所述合金材料加工制备得的扩孔模,所述扩孔模的加工处理工艺以及所述扩孔模在制作通过热变形加工的轴承套圈锻件扩孔模中的应用。
背景技术
套圈是轴承的重要部件之一,是一种精密工业产品,在生产中一般需要经过中频感应加热、下料、镦粗、成型、切底、扩孔、整径等工序。
扩孔的工作原理是:将环形毛坯锻件套在碾压辊上,电机带动旋转的碾压轮在摩擦力的作用下带动毛坯锻件和碾压辊一起旋转,在气缸压力的作用下将环形毛坯锻件置于旋转的扩孔模中轧制,使毛胚锻件壁厚减薄,环的内外圆直径增大,经过辗扩制成锻件成品。
目前扩孔模主要使用H13、H21等热作模具钢制造,材料价格昂贵,热处理工艺要求苛刻,对加热炉要求较高,这导致了用这类钢制造扩孔模并不经济。
GCr15钢是高碳铬轴承钢的代表钢种,综合性能良好,以重量百分比计,其组成包括:碳0.95~1.05%,铬1.40~1.65%,锰0.25~0.45%,硅0.15~0.35%,钼≤0.10%,硫≤0.025%,磷≤0.025%,镍≤0.30%,铜≤0.25%,其余为铁及不可避免的杂质,其中,镍与铜的重量百分比不大于0.50%。GCr15钢淬火和回火后硬度高而均匀,耐磨性、抗接触疲劳强度高,热加工性好,球化退火后有良好的可加工性,但对形成白点敏感。主要用于制造内燃机、电机车、机床、拖拉机、轧钢设备、钻探机、铁道车辆以及矿山机械等传动轴上的钢球、滚子和轴套等。
与H13、H21钢等热作模具钢相比,价格低廉,易加工,GCr15钢常作为冷作模具材料使用,但直接使用GCr15替代热作模具钢制造扩孔模还具有一定挑战。这是因为碾压扩孔时环形毛坯锻件的温度在800℃以上,扩孔模被动升温,这会导致以GCr15制造的扩孔模硬度下降,耐磨性降低,并容易出现脆性断裂。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供了一种合金材料,一种由所述合金材料加工制备得的扩孔模及所述扩孔模的加工处理工艺。使用该合金材料制备得的扩孔模具有成本低,不易断裂,不易表面磨损,使用寿命长的特点,并且所述扩孔模的加工处理工艺简单,对加热设备要求低。使用该合金材料制造扩孔模在轴承加工领域具有重要的应用价值。
具体技术方案如下:
一种合金材料,所述合金材料的化学成分按重量百分比计为:碳1.06~1.20%,铬1.30~2.00%,锰0.30~0.49%,硅0.10~0.25%,稀土铈0.106~0.120%,稀土镝0.053~0.060%,稀土铽0.053~0.060%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。所述碳、稀土铈、稀土镝和稀土铽的质量之比为(16~24):(1.6~2.4):(0.8~1.2):(0.8~1.2)。
本发明还提供了所述的合金材料在制备用于轴承套圈锻件扩孔模中的应用。
作为一个总的发明构思,本发明还提供了一种扩孔模,由所述的合金材料加工制成。
本发明还提供了所述扩孔模的加工处理工艺,包括步骤:将所述的合金材料进行球化退火,然后加工成型制成目标结构的模具,所得模具经淬火、冷处理、回火、时效处理去应力,得到所述扩孔模。
优选地,在所述扩孔模的加工处理工艺中,所述球化退火工艺具体为:加热至780~800℃,保温8~10h,再冷却到710~730℃,保温3~4h后,冷却到600℃以下。
优选地,所述淬火工艺具体为:淬火温度840~860℃,保温20~60min,油冷。
优选地,在所述扩孔模的加工处理工艺中,所述冷处理工艺具体为:温度0~-50℃,保温1~3h。
优选地,在所述扩孔模的加工处理工艺中,所述回火工艺具体为:温度140~200℃,保温1~4h,空冷。
优选地,在所述扩孔模的加工处理工艺中,所述时效处理工艺具体为:温度100~125℃,保温5~10h。
本发明还提供了所述的扩孔模在制作通过热变形加工的轴承套圈锻件扩孔模中的应用。
在一优选例中,采用本发明的合金材料制作轴承套圈锻件扩孔模,对其依据设计的工艺进行热处理,将制造的扩孔模安装于D51型碾扩机上,进行轴承套圈(外径90mm)的生产,记录扩孔模的使用寿命。
本发明可获得成本低、不易断裂、不易磨损、使用寿命长的扩孔模。
与现有技术相比,本发明具有如下显著的技术效果:
1)本发明在原始GCr15钢的成分基础上,通过提高含碳量(以重量百分比计为碳1.06~1.20%),提高了钢的硬度,保证扩孔模具有高的硬度,同时弥补扩孔模在热处理时表面氧化脱碳导致表面含碳量下降,表面容易磨损的不足,提高扩孔模耐磨损的性能。
2)本发明添加了适量的稀土铈、镝和铽,以重量百分比计,其中稀土铈0.106~0.120%,稀土镝0.053~0.060%,稀土铽0.053~0.060%,并且所述碳、稀土铈、稀土镝和稀土铽的质量之比为(16~24):(1.6~2.4):(0.8~1.2):(0.8~1.2)。通过稀土元素铈将钢材内部的氧化物和硫化物等夹杂物级别降低到低于0.5级,点状不变形夹杂物级别低于0.5级,提升钢材的纯净度,改善扩孔模的韧性和热疲劳抗力,解决GCr15钢制造扩孔模在辗扩孔工作温度下容易断裂的不足,其中当稀土元素铈含量是碳含量的10%时效果最好;通过稀土元素镝和铽的微合金化作用解决扩孔模在辗扩孔工作温度下晶粒容易长大的问题,保证扩孔模在高温下高的强度与韧性,其中当稀土元素镝和铽的比例是1:1,且镝和铽的总量是碳含量的10%时,强化效果最好。在提高模具寿命方面,稀土元素铈和稀土元素镝、铽具有协同作用,同时使用,当所述碳、稀土铈、稀土镝和稀土铽的质量之比为(16~24):(1.6~2.4):(0.8~1.2):(0.8~1.2)时,模具性能良好。进一步地,当碳、稀土铈、稀土镝和稀土铽的质量之比为10:1:0.5:0.5时,性能最佳。
3)通过合金成分和特定热处理工艺的匹配,解决了常规淬火工艺扩孔模淬不透的难题,提高扩孔模芯部强度;通过特定的淬火工艺和特定的冷处理工艺的设计降低扩孔模内部残余奥氏体的数量,提高扩孔模硬度,避免扩孔模在使用时由于残留奥氏体转变产生较大的内应力而引发的变形与开裂;通过特定的时效处理进一步降低扩孔模的内应力,提高扩孔模的承载能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
一种用于轴承套圈锻件扩孔模的合金材料,包括以下重量百分比的物质:碳1.16%,铬1.7%,锰0.35%,硅0.15%,稀土铈0.116%,稀土镝0.058%,稀土铽0.058%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。
对合金材料进行球化退火,首先加热到795℃,保温9h,然后冷却到725℃,保温3.5h,随炉冷却到600℃以下出炉。将该合金材料机加工成常规结构与尺寸的扩孔模。
对加工好的扩孔模进行淬火,加热温度855℃,保温40min,油冷。冷却到室温后冷处理,放入-10℃的环境,冷冻2h。接着进行低温回火,回火温度160℃,回火时间2.5h,空冷。最后进行时效处理,时效温度120℃,时间9h。
将扩孔模安装于D51型碾扩机上进行轴承套圈(外径90mm)的生产,连续生产10小时25分钟后断裂。
对比例1
与实施例1的区别仅在于使用商品GCr15钢,所述GCr15钢的化学成分按重量百分比计为:碳0.99%,铬1.46%,锰0.35%,硅0.30%,硫≤0.025%,磷≤0.025%,其余为铁及不可避免的杂质。
采用与实施例1相同工艺制造相同规格的扩孔模,进行相同条件下的生产,连续生产2小时40分钟后断裂。
实施例2
一种用于轴承套圈锻件扩孔模的合金材料,包括以下重量百分比的物质:碳1.10%,铬1.7%,锰0.35%,硅0.15%,稀土铈0.110%,稀土镝0.055%,稀土铽0.055%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。
对合金材料进行球化退火,首先加热到790℃,保温9h,然后冷却到720℃,保温3.5h,随炉冷却到600℃以下出炉。将该合金材料机加工成与实施例1相同结构与尺寸的扩孔模。
对加工好的扩孔模进行淬火,加热温度850℃,保温40min,油冷。冷却到室温后冷处理,放入-6℃的环境,冷冻2h。接着进行低温回火,回火温度155℃,回火时间2.5h,空冷。最后进行时效处理,时效温度115℃,时间9h。
将扩孔模安装于D51型碾扩机上进行轴承套圈(外径90mm)的生产,连续生产9小时10分钟后断裂。
对比例2
与实施例2的区别仅在于使用商品GCr15钢,所述GCr15钢的化学成分与对比例1相同。
采用与实施例2相同工艺制造相同规格的扩孔模,进行相同条件下的生产,连续生产2小时25分钟后断裂。
实施例3
一种用于轴承套圈锻件扩孔模的合金材料,包括以下重量百分比的物质:碳1.06%,铬1.5%,锰0.35%,硅0.15%,稀土铈0.106%,稀土镝0.053%,稀土铽0.053%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。
对合金材料进行球化退火,首先加热到785℃,保温9h,然后冷却到715℃,保温3.5h,随炉冷却到600℃以下出炉。将该合金材料机加工成与实施例1相同结构与尺寸的扩孔模。
对加工好的扩孔模进行淬火,加热温度845℃,保温40min,油冷。冷却到室温后冷处理,放入-2℃的环境,冷冻2h。接着进行低温回火,回火温度150℃,回火时间2.5h,空冷。最后进行时效处理,时效温度110℃,时间9h。
将扩孔模安装于D51型碾扩机上进行轴承套圈(外径90mm)的生产,连续生产8小时40分钟后断裂。
对比例3
与实施例3的区别仅在于使用商品GCr15钢,所述GCr15钢的化学成分与对比例1相同。
采用与实施例3相同工艺制造相同规格的扩孔模,进行相同条件下的生产,连续生产2小时5分钟后断裂。
对比例4
采用实施例1的合金材料制造相同规格的扩孔模,与实施例1的区别仅在于加工处理工艺中没有进行时效处理,其他工艺与实施例1相同。
在与实施例1相同条件下生产,连续生产8小时10分钟后断裂。
对比例5
采用实施例1的合金材料制造相同规格的扩孔模,与实施例1的区别仅在于加工处理工艺中没有进行冷处理和时效处理,其他工艺与实施例1相同。
在与实施例1相同条件下生产,连续生产5小时20分钟后断裂。
对比例6
采用实施例1的合金材料制造相同规格的扩孔模。球化退火与实施例1相同。淬火与回火工艺与GCr15钢的常规工艺相同:淬火加热温度830℃,保温40min,油冷;接着进行低温回火,回火温度155℃,回火时间2.5h,空冷。与GCr15钢的常规工艺相同,不进行冷处理和时效处理。
在与实施例1相同条件下生产,连续生产3小时30分钟后断裂。
对比例7
一种用于轴承套圈锻件扩孔模的合金材料,包括以下重量百分比的物质:碳1.16%,铬1.7%,锰0.35%,硅0.15%,稀土铈0.116%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。制造与实施例1相同规格的扩孔模,进行与实施例1相同的热处理工艺。
在与实施例1相同条件下生产,连续生产6小时5分钟后断裂。
对比例8
一种用于轴承套圈锻件扩孔模的合金材料,包括以下重量百分比的物质:碳1.16%,铬1.7%,锰0.35%,硅0.15%,稀土镝0.058%,稀土铽0.058%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质。制造与实施例1相同规格的扩孔模,进行与实施例1相同的热处理工艺。
在与实施例1相同条件下生产,连续生产5小时40分钟后断裂。
此外应理解,在阅读了本发明的上述描述内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种合金材料,其特征在于,所述合金材料的化学成分按重量百分比计为:碳1.06~1.20%,铬1.30~2.00%,锰0.30~0.49%,硅0.10~0.25%,稀土铈0.106~0.120%,稀土镝0.053~0.060%,稀土铽0.053~0.060%,硫≤0.005%,磷≤0.005%,其余为铁及不可避免的杂质;
所述碳、稀土铈、稀土镝和稀土铽的质量之比为(16~24):(1.6~2.4):(0.8~1.2):(0.8~1.2)。
2.根据权利要求1所述的合金材料在制备用于轴承套圈锻件扩孔模中的应用。
3.一种扩孔模,其特征在于,由权利要求1所述的合金材料加工制成。
4.根据权利要求3所述的扩孔模的加工处理工艺,其特征在于,包括步骤:将权利要求1所述的合金材料进行球化退火,然后加工成型制成目标结构的模具,所得模具经淬火、冷处理、回火、时效处理去应力,得到所述扩孔模。
5.根据权利要求4所述的扩孔模的加工处理工艺,其特征在于,所述球化退火工艺具体为:加热至780~800℃,保温8~10h,再冷却到710~730℃,保温3~4h后,冷却到600℃以下。
6.根据权利要求4所述的扩孔模的加工处理工艺,其特征在于,所述淬火工艺具体为:淬火温度840~860℃,保温20~60min,油冷。
7.根据权利要求4所述的扩孔模的加工处理工艺,其特征在于,所述冷处理工艺具体为:温度0~-50℃,保温1~3h。
8.根据权利要求4所述的扩孔模的加工处理工艺,其特征在于,所述回火工艺具体为:温度140~200℃,保温1~4h,空冷。
9.根据权利要求4所述的扩孔模的加工处理工艺,其特征在于,所述时效处理工艺具体为:温度100~125℃,保温5~10h。
10.根据权利要求3所述的扩孔模在制作通过热变形加工的轴承套圈锻件扩孔模中的应用。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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