CN115341077B

CN115341077B - 一种轴承钢及其球化退火方法

Info

Publication number: CN115341077B
Application number: CN202210880043.8A
Authority: CN
Inventors: 胡斌; 吴限; 罗海文
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2042-07-25
Also published as: CN115341077A

Abstract

本发明涉及一种轴承钢及其球化退火方法，电脉冲处理将钢坯升温至一定温度下保温进行奥氏体化，然后空冷到室温；之后进行电脉冲低温回火，空冷至室温；再进行二次退火：将以上步骤所得钢坯通过传统加热方式使其随炉升温至一定温度，并进行渗碳体等温转变；将所得转变后的钢坯随炉冷却，冷却至650℃后出炉空冷至室温。本发明采用电脉冲处理进行奥氏体化和回火，具有绿色高效的特点，且对显微组织和力学性能具有显著影响，使碳的扩散加快，促进碳化物的溶解，还能使钢中碳含量分布均匀。因此，本发明所述的电脉冲处理+传统热处理协同作用的工艺缩短了轴承钢的球化退火时间，节省了能源消耗，提高了生产效率。

Description

一种轴承钢及其球化退火方法

技术领域

本发明属于轴承钢的生产技术领域，具体涉及一种轴承钢及其球化退火方法。

背景技术

轴承钢被广泛应用于冶金设备、精密机械和高铁动车等大型装备领域，主要集中在各类滚动轴承的零部件上，例如滚珠和轴承套圈。轴承用钢的好坏是决定轴承质量的关键因素，高质量轴承钢所具有的优良抗塑性变形、抗摩擦磨损、耐热冲击性能以及可靠性强、使用寿命长等方面的杰出特性，是轴承能在复杂应力状态和高应力值的恶劣工作环境下长时间运行的重要保障。近年来，我国轴承钢产量逐年提高，呈大幅增长的趋势，更加彰显了轴承钢在现代工业体系之中的重要性。

由于GCr15轴承钢中碳含量可达1％左右，较高的碳含量使其在经过热轧空冷后会形成片状珠光体和网状碳化物的混合组织，这种组织硬度高、塑性差，会增加淬火开裂的倾向，并且不适合进行冷加工处理。因此，轴承钢制备过程需要进行长时间的球化退火处理，退火过程中能将热轧态中的片层状珠光体和网状碳化物溶解，最终得到在铁素体基体上细小、均匀且弥散分布的渗碳体颗粒，从而降低硬度、提高塑性、改善其冷加工性能以及为后续淬火工艺提供良好的初始组织状态，有利于得到理想的马氏体、均匀分布的碳化物和少量的残余奥氏体组织，其中碳化物的大小、数量、形貌以及分布情况会对最终轴承钢的服役性能产生显著影响。

轴承钢的球化退火工艺主要有连续球化退火、等温球化退火和循环球化退火三种。现阶段，工业上最常用GCr15轴承钢的球化退火方式为等温球化退火工艺，其具体的球化退火工艺为：将钢加热到略高于A_C1保温一段时间，随后快冷至略低于A_r1的某一温度范围内进行等温转变，结束后随炉冷却至650℃出炉空冷。与低温球化退火和连续球化退火工艺相比，等温球化退火所需的时间较短，但受传统热处理过程中碳化物溶解行为的热力学和动力学限制，其处理时间一般情况下仍高于20小时，生产周期普遍较长，并由此带来生产过程中能耗高、效率低以及设备承受负荷大等一系列问题。在节能减排的大背景下，对轴承钢的制备工艺提出了更严苛的要求。

发明内容

为了克服现在技术存在的问题，本发明提供一种轴承钢及其球化退火方法，通过设计电脉冲+传统感应/电阻炉协同作用的热处理工艺来获得理想硬度的球状珠光体组织。

一种轴承钢球化退火方法，所述方法包括如下步骤：(1)电脉冲奥氏体化：通过电脉冲处理的方式将钢坯升温至一定温度下保温进行奥氏体化，然后空冷到室温；

(2)电脉冲低温回火：将步骤(1)中奥氏体化后空冷的钢坯通入电脉冲使其升温，在一定温度下保温进行回火，然后空冷至室温；

(3)二次退火：将步骤(2)所得钢坯通过传统感应加热方式使其随炉升温至一定温度，并进行渗碳体等温转变；

(4)随炉冷却：将步骤(3)所得钢坯随炉冷却，冷却至650℃后出炉空冷至室温。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％，所述电脉冲奥氏体化的电流密度为20～40A·mm^-2，所述电脉冲低温回火的电流密度为10～15A·mm^-2。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(1)中的一定温度为780～805℃，保温时间为5～30min。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(2)中的一定温度为200～400℃，保温时间为5～10min。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述步骤(3)中的一定温度为680～710℃，转变时间为1～2.5h。

本发明还提供了一种轴承钢，所述轴承钢采用本发明所述的球化退火方法制得。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述轴承钢为GCr15轴承钢。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述轴承钢的成分按照质量百分比包括：C：0.95～1.00％，Cr：1.45～1.50％，Mn：0.30～0.40％，Si：0.25～0.35％，Ni：0.04～0.05％，Cu：0.02～0.03％，P≤0.020％，S≤0.020％，其余为Fe及不可避免的不纯物。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述轴承钢的组织特征以铁素体为基体，渗碳体颗粒均匀且弥散分布在所述基体上，所述轴承钢硬度为170～207HBW。

本发明的有益效果

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

本发明的轴承钢球化退火方法，首先电脉冲处理将钢坯升温至一定温度下保温进行奥氏体化，然后空冷到室温；之后进行电脉冲低温回火，空冷至室温；

再进行二次退火：将所得钢坯通过传统电阻和感应加热方式使其随炉升温至一定温度，并进行渗碳体等温转变；将所得转变后的钢坯随炉冷却，冷却至650℃后出炉空冷至室温。本发明采用电脉冲处理工艺，具有绿色高效的特点，且对显微组织和力学性能具有显著影响。GCr15轴承钢球化退火时所进行的电脉冲处理，可以使碳的扩散加快，促进碳化物的溶解；此外，电脉冲处理还能使钢中碳含量分布均匀。因此，本发明所述的电脉冲处理+传统热处理协同作用的工艺缩短了GCr15轴承钢球化退火时间，节省了能源消耗，提高了生产效率。此外，电脉冲处理能使钢坯以300～500℃/min的加热速率快速升温，缩短了加热时间；电脉冲奥氏体化还能够使片状珠光体和网状碳化物快速的溶解，加快了轴承钢的奥氏体化过程，大大缩短了奥氏体化时间；然后在传统电阻/感应加热炉中二次退火，以及随后的随炉冷却有利于球状渗碳体的析出，从而获得优良的球状珠光体组织，根据国家标准(GB/T 18254-2016)中的球化退火组织评级，可达到1级，硬度不大于207HBW，在GB/T18254-2016标准范围内。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例1中GCr15轴承钢球化退火的热处理工艺曲线；

图3为本发明实施例1中GCr15轴承钢球化退火后显微组织SEM图；

图4为本发明实施例2中GCr15轴承钢球化退火的热处理工艺曲线图；

图5为本发明实施例2中GCr15轴承钢球化退火后显微组织SEM图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的轴承钢球化退火方法，所述方法包括如下步骤：(1)电脉冲奥氏体化：通过电脉冲处理的方式将钢坯升温至一定温度下保温进行奥氏体化，然后空冷到室温；

(3)二次退火：将步骤(2)所得钢坯通过电阻/感应加热等传统加热方式使其随炉升温至一定温度，并进行渗碳体等温转变；

(4)随炉冷却：将步骤(3)所得钢坯随炉冷却，冷却至650℃后出炉空冷至室温。其中，650℃为该钢种渗碳体等温转变的鼻尖温度，此时相变孕育时间最短，在此温度进行渗碳体等温转变能有效缩短球化退火时间。

在钢坯被脉冲电流处理前，通过机磨的方式将钢坯表面的杂质污染物除去，并打磨至光滑，使钢坯能与电极之间充分接触。通过夹持装置的一端夹头连接脉冲发生器，另一端夹头夹持钢坯，让二者相连接，使其产生的持续电脉冲直接作用于钢坯上，再利用计算机控制脉冲电流的输出与否和改变电脉冲的电流大小、电流频率等不同参数，并通过网线将指令传输至脉冲电流的发生装置。最终利用电脉冲的焦耳热效应和电效应完成钢坯的升温和保温，实现对显微组织的控制。

优选地，本发明中的所述电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％。

优选地，本发明中的所述电脉冲奥氏体化的电流密度为20～40A·mm^-2，电脉冲低温回火的电流密度为10～15A·mm^-2。

优选地，本发明中的所述步骤(1)中的一定温度为780～805℃，保温时间为5～30min。

优选地，本发明中的所述步骤(2)中的一定温度为200～400℃，保温时间为5～10min。

优选地，本发明中的所述步骤(3)中的一定温度为680～710℃，转变时间为1～2.5h。

具体地，本发明的过程如下：

本发明通过电脉冲和球化退火相结合的处理工艺，采用电脉冲处理和传统热处理协同作用的处理方法，即用电脉冲处理替代了部分的传统热处理过程，从而提高了GCr15轴承钢球化退火的效率。

本发明通过电脉冲处理和传统热处理协同作用的工艺优化，从电脉冲的电流密度、奥氏体化温度和时间、等温转变温度和时间以及等温转变前的初始组织等方面，提出改善轴承钢球化退火过程的工艺方法，实现缩短GCr15轴承钢球化退火时间的同时，提高了轴承钢中渗碳体颗粒的球化效果。

如图1所示，该方法的具体工艺步骤及工艺参数如下：

(1)电脉冲奥氏体化：通过电脉冲处理的方式将钢坯升温至780～830℃下保温进行奥氏体化，保温时间为5～30min，然后空冷到室温；在奥氏体化时，电脉冲产生的焦耳热效应和脉冲电流形成耦合场，铁素体与渗碳体导电性的差异会使电流分布出现差异，从而促使粗大的网状碳化物和片层状珠光体优先溶解；电脉冲还能促进碳原子的扩散，使基体中碳含量分布更加均匀，最终突破了传统热处理过程中热力学和动力学，促进了轴承钢的奥氏体化。此时施加电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％，电流密度为20～40A·mm^-2。

(2)电脉冲低温回火：将步骤(1)中奥氏体化后空冷的钢坯通入电脉冲使其升温，在200～400℃下保温进行回火，保温时间为5～10min，然后空冷至室温；在钢坯回火过程中通入电脉冲，通过电脉冲的电子风等非热效应来促进位错滑移，打开位错缠结并促使位错平行排列，通过空位移动、异号位错相抵消等位错湮灭行为，使钢坯淬火马氏体中的位错密度降低，降低渗碳体的形核位点，为后续渗碳体长大提供了有利条件。此时施加电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％，电流密度为10～15Amm^-2。

(3)二次退火：将步骤(2)所得钢坯通过传统感应加热方式使其随炉升温至680～710℃，并进行渗碳体等温转变1～2.5h；在二次退火时，作为形核质点而保留的未溶碳化物颗粒粗化，在此过程中周围析出碳化物并长大为球形。

(4)随炉冷却：最后将步骤(3)所得钢坯随炉冷却，冷却至650℃后出炉空冷至室温。

其中，在所述的步骤(1)和步骤(2)中，钢坯的加热及保温采用电脉冲处理的方式进行。电脉冲处理时，设定电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％，10～40A·mm^-2，并由此可得不同电流密度下钢坯的温度。将钢坯通入电脉冲，在脉冲电流的作用下升温，通过调节电脉冲电流密度的方法控制钢的温度，使其在指定的温度下完成相应的热处理步骤。

本发明还提供了一种轴承钢，采用本发明的方法获取，所述轴承钢在化学成分上，按照质量百分比含量包括：C：0.95～1.00％，Cr：1.45～1.50％，Mn：0.30～0.40％,Si：0.25～0.35％，Ni：0.04～0.05％，Cu：0.02～0.03％，P≤0.020％，S≤0.020％，其余为Fe及不可避免的不纯物。

上述方法步骤中用到的热轧态钢坯可根据现有公开的GCr15轴承钢钢坯的轧制工艺制得或可直接通过商业渠道购得。

通过本技术制备的轴承钢，其组织特征是铁素体为基体，细小的球状渗碳体颗粒均匀且弥散分布在基体上，其轴承钢的硬度为170～207HBW。

本发明实施例中，按重量百分比计，GCr15轴承钢的成分为：0.979wt％C，1.469wt％Cr，0.295wt％Si，0.340wt％Mn，0.029wt％Cu，0.046wt％Ni，0.006wt％V，0.001wt％S，0.0095wt％P，余量为Fe。

本发明实施例中采用了光学显微镜和扫描电子显微镜(JSM-6701-F)对显微组织进行观测。本发明实施例按照标准的金相制备方法：采用240目、600目、1000目和2000目砂纸对垂直于轧制方向的轴承钢表面进行打磨；采用水溶金刚石研磨膏进行抛光。观察球化退火的显微组织时，采用体积分数为4％的硝酸酒精溶液在室温下进行腐蚀，腐蚀时间为8s。

实施例1：

本实施例试验1通过电脉冲奥氏体化+传统电阻炉二次退火协同处理的轴承钢球化退火方法，包括下述工艺步骤：

将钢坯通入电脉冲，电脉冲的脉冲频率为1000Hz，占空比为8％，电流密度为19.75A·mm^-2。在此脉冲电流的作用下升温，在805℃下保温进行奥氏体化，保温时间为30min，然后空冷到室温；

随后将钢坯置于传统电阻炉中，随炉升温到680℃进行二次退火，等温2.5h；

随后随炉冷却至650℃，冷却速率为5℃/min，再空冷至室温。

如图2所示为实施例1的热处理工艺曲线图，如图3所示为扫描电镜下所观察到的球化组织，硬度为207HBW，球化退火的显微硬度符合国家标准。

实施例2：

本实施例试验2中轴承钢经过电脉冲奥氏体化、电脉冲回火以及传统电阻炉二次退火的协同作用的方法实现球化退火，包括下述工艺步骤：

将钢坯通入电脉冲使其升温，电脉冲的脉冲频率为1000Hz，占空比为8％，电流密度为19.75A·mm^-2。在805℃下进行保温，保温时间为5-30min，然后空冷到室温；

随后钢坯通入电脉冲，电脉冲的脉冲频率为1000Hz，占空比为8％，电流密度为10.0A·mm^-2。在此脉冲电流的作用下升温，在300℃下进行保温，保温时间为5min；

随后钢坯置于传统电阻炉中随炉升温到680℃等温2.5h；

随后随炉冷却至650℃，冷却速率为5℃/min，再空冷至室温。

如图4所示为实施例2的热处理工艺曲线图，如图5所示为扫描电镜下所观察到的球化组织，硬度为171HBW，球化退火的显微硬度略低于国家标准。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种轴承钢球化退火方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)电脉冲奥氏体化：通过电脉冲处理的方式将钢坯升温至一定温度下保温进行奥氏体化，然后空冷到室温，所述一定温度为780～805℃，保温时间为5～30min；

(2)电脉冲低温回火：将步骤(1)中奥氏体化后空冷的钢坯通入电脉冲使其升温，在一定温度下保温进行回火，然后空冷至室温，所述一定温度为200～400℃，保温时间为5～10min；

(3)二次退火：将步骤(2)所得钢坯通过加热使其随炉升温至一定温度，并进行渗碳体等温转变，所述一定温度为680～710℃，转变时间为1～2.5h；

(4)随炉冷却：将步骤(3)所得钢坯随炉冷却，冷却至650℃后出炉空冷至室温，所述轴承钢为GCr15轴承钢。

2.根据权利要求1所述的轴承钢球化退火方法，其特征在于，所述步骤(1)中电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％，电脉冲奥氏体化时的电流密度为20～40A·mm^-2。

3.根据权利要求1所述的轴承钢球化退火方法，其特征在于，所述步骤(2)中电脉冲的脉冲频率为500～2000Hz，占空比为5～15％，电脉冲的电流密度为10～20A·mm^-2。

4.一种轴承钢，其特征在于，所述轴承钢采用权利要求1-3任一项所述的球化退火方法制得。

5.根据权利要求4所述的轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的成分按照质量百分比包括：C：0.95～1.00％，Cr：1.45～1.50％，Mn：0.30～0.40％，Si：0.25～0.35％，Ni：0.04～0.05％，Cu：0.02～0.03％，P≤0.020％，S≤0.020％，其余为Fe及不可避免的不纯物。

6.根据权利要求4所述的轴承钢，其特征在于，所述轴承钢的组织特征以铁素体为基体，渗碳体颗粒均匀且弥散分布在所述基体上，所述轴承钢硬度为170～207HBW。