CN116497262B - 一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，属于材料热处理技术领域，所述方法包括如下步骤：准备低碳高合金马氏体轴承材料试样，采用真空感应与真空自耗的方式熔炼制得铸锭试样；对铸锭试样进行热加工，得到热轧棒材试样；渗碳：将所述热轧棒材试样进行抽真空、升温阶段、渐进脉冲式渗碳，得到渗碳后试样；将渗碳后试样进行真空高温淬火；冷处理；真空回火处理；重复冷处理；重复真空回火处理。本发明能有效提高材料表面硬度进而改善其耐磨性，提高材料使用安全性，具有广阔的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于材料热处理技术领域，特别涉及一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法。
背景技术
因低碳高合金马氏体轴承钢具有高强韧性、高硬度及良好的耐腐蚀性被广泛应用于制造航空航天轴类零部件。而由于轴类零件在使用过程中长期接触摩擦，因此对于结构材料其自身的力学性能就提出了更高的要求，其性能极大影响结构件使用寿命和可靠性。传统提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方式是采用气氛渗碳。气氛渗碳主要是将金属工件置于密闭渗碳炉中，并通入甲烷或乙烷等渗碳介质，然后加热到奥氏体化温度以上进行渗碳，经过这种方式处理的金属工件表面无可避免的会存在表面脱碳、晶界内氧化、淬火畸变大等问题。为了解决这个问题，继而使用真空低压渗碳技术，该现有技术主要是在超低真空、低压条件下对金属零件进行渗碳处理，一般采用乙炔作为渗碳介质，这种方法不仅能够有效避免金属工件表面脱碳及晶界内氧化，且淬火畸变小。
现有技术中，针对低碳马氏体轴承钢表面真空低压渗碳的技术尚在少数，比如专利CN109457212A公开了一种CSS-42L材料低压真空渗碳方法，通过脉冲强渗方式对渗碳表面进行多次循环渗碳，通过严格控制乙炔强渗的时间≤60s和脉冲扩散时间/脉冲强渗时间≥120来使CSS-42L材料渗碳渗层深度满足要求的同时，保证金相组织不出现魏氏一次碳化物针状组织。执行该工艺后，1060℃淬火+-80℃冰冷+500℃时效+-196℃深冷+500℃二次时效后，维氏显微硬度为580HV，渗层深度为1.06mm。但表面硬度低，其耐磨性较低。
本发明提供了一种低碳马氏体轴承钢及能够有效提高其表面硬度进而改善其耐磨性能的方法，还提高了低碳马氏体轴承钢的使用安全性，整体性能有着质的提升。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，包括如下步骤：
准备低碳高合金马氏体轴承材料试样，采用真空感应与真空自耗的方式熔炼制得铸锭试样；所述低碳高合金马氏体轴承钢材料的成分按质量分数计为：C0.1~0.15%，Cr10~15%，Co10~14%，Mo4~6%，Ni1.5~3%，V0.5~0.8%，Nb0.01~0.05%，其余为Fe及不可避免杂质；
对铸锭试样进行热加工，得到热轧棒材试样；
渗碳：将所述热轧棒材试样进行抽真空、升温阶段、渐进脉冲式渗碳，得到渗碳后试样；
将渗碳后试样进行真空高温淬火；
冷处理：冷处理温度≤-75℃，保温时间≥2h；
真空回火处理；
重复冷处理；
重复真空回火处理。
进一步地，回火温度450~600℃，保温时间1~2h。
进一步地，所述热加工包括高温均质化处理与锻造轧制工艺，所述高温均质化处理温度1050~1200℃，保温时间48~72h，所述锻造轧制工艺开锻温度1050℃~1100℃，终锻温度≥900℃；所述热轧棒材试样晶粒度7~10级。
进一步地，所述渐进脉冲式渗碳包括多个脉冲，每个所述脉冲包含强渗阶段与扩散阶段，所述渐进脉冲式渗碳总时间≥10h，循环周次≥20，总所述扩散阶段的时间与总强渗阶段的时间比≥15：1。
进一步地，所述强渗阶段渗碳介质为高纯乙炔，渗碳压力500~1000Pa，渗碳介质流量≥1500L/h，强渗时间30~200s。
进一步地，扩散阶段介质为氮气，扩散时间3~60min。
进一步地，后一个所述脉冲工艺时间≥前一个所述脉冲工艺时间。
进一步地，所述渗碳包括以下步骤：
去除热轧棒材试样表面氧化层；
去除热轧棒材试样表面油污；
低温烘干；低温处理温度40~60℃；
送入炉膛并抽真空，绝对压力≤2Pa；
热轧棒材试样随炉升温至渗碳温度900~1000℃；
重复强渗阶段与扩散阶段。
进一步地，所述真空高温淬火温度1000℃~1150℃，保温时间≥1h，保温结束后进行油淬处理，得到油淬试样。
进一步地，将所述油淬试样进行超声波去除表面油污，清洗烘干后置于深冷箱中进行冷处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明能有效提高材料表面硬度进而改善其耐磨性，提高材料使用安全性，具有广阔的应用场景。
2)本发明的表面具有很高的硬度，心部良好的韧性，塑性和较高的疲劳强度，其使用温度可超过400℃，具有良好的综合性能，能满足航空发动机附件齿轮或轴承高速、高温和承载能力强的要求。
3)本发明在抽真空并进行升温后采用渐进脉冲式渗碳，能够使碳元素充分扩散至基体，不至于在表层形成大尺寸碳化物影响后续使用性能。
4)本发明中后一个脉冲工艺时间大于等于前一个脉冲工艺时间，能使表层碳原子尽可能向心部扩散，使得心部有良好的韧性。
5)本发明中第一次进行冷处理是为了尽可能的降低淬火后试样内部残余奥氏体含量，提高材料尺寸稳定性，并且使马氏体晶格收缩，进而促使碳原子位错附近富集，进一步在回火过程中形成纳米尺度的纳米碳化物，提高材料强韧性的同时进一步提高其硬度，而第二次冷处理能使其硬度再次得到提升。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例一的渗层硬度分布情况图；
图2示出了根据本发明实施例一的渗层组织形貌；
图3示出了根据本发明实施例二的渗层硬度分布情况图；
图4示出了根据本发明实施例二的渗层组织形貌
图5示出了根据本发明实施例三的渗层硬度分布情况图；
图6示出了根据本发明实施例三的渗层组织形貌。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
在本实施例中，首先，制备低碳高合金马氏体轴承钢材料试样，其成分按质量分数计为：C0.14%、Cr13%；Co14%；Mo5%；Ni1.5%；V0.5%；Nb0.01%，其余为Fe及不可避免杂质。然后利用真空感应与真空自耗的方式熔炼制得铸锭试样，将铸锭试样放入电阻炉内进行高温均质化处理，处理温度温度1200℃，保温48h，再进行锻造轧制工艺，在锻造轧制工艺中，开锻温度1050℃~1100℃，终锻温度≥900℃，得到热轧棒材试样，此时热轧棒材试样晶粒度7~8级。再将热压棒试样加工以去除表面氧化，并置于超声波清洗器中清洗器中清洗以去除表面油污，进行温度40~60℃的低温烘干后，送入炉膛抽真空，调整绝对压力1Pa，低碳高合金马氏体轴承钢材料试样随炉升温至渗碳温度960℃。
进行渐进脉冲式渗碳，强渗阶段与扩散阶段循环周次20次，总渗碳时间11h，总强渗阶段时间41min，总扩散阶段620min，总扩散阶段的时间与总强渗阶段的时间比15：1，即向炉膛内充入高纯乙炔气体，调整渗碳压力700Pa，调整渗碳介质流量2000L/h，进入强渗阶段，强渗结束后，向炉膛内充入氮气，进入扩散阶段，再不断重复强渗阶段与扩散阶段，直至20次，同时，使后一个脉冲工艺时间≥前一个所述脉冲工艺时间。完成渗碳后，将渗碳后试样进行真空高温淬火，淬火温度1050℃，保温时间1h，保温结束后进行油淬处理，再利用超声波去除油淬试样表面油污，清洗烘干后置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h，紧接着进行真空回火处理，回火温度500℃，保温时间2h，将经过真空回火后的试样再次置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h，紧接着进行真空回火处理，回火温度500℃，保温时间2h。图2示出了根据本发明实施例一的渗层组织形貌。如图2所示，最终得到表面硬度高且渗碳层碳化物分布均匀的低碳高合金马氏体轴承钢。
图1示出了根据本发明实施例一的渗层硬度分布情况图。如图1所示，本实施例中的低碳高合金马氏体轴承钢的表面硬度1000HV（69HRC），心部硬度590~600HV（54.7~55.2HRC），表面硬度高，极大程度上改善了其耐磨性质，还提高了其使用安全性，整体性能有着质的提升。
实施例二
在本实施例中，首先，制备低碳高合金马氏体轴承钢材料试样，其成分按质量分数计为：C0.12%，Cr14%，Co12%，Mo6%，Ni2.5%，V0.8%，Nb0.01%，其余为Fe及不可避免杂质。然后利用真空感应与真空自耗的方式熔炼制得铸锭试样，将铸锭试样放入电阻炉内进行高温均质化处理，处理温度温度1100℃，保温60h，再进行锻造轧制工艺，在锻造轧制工艺中，开锻温度1050℃~1100℃，终锻温度≥900℃，得到热轧棒材试样，此时热轧棒材试样晶粒度8~9级。再将热压棒试样加工以去除表面氧化，并置于超声波清洗器中清洗器中清洗以去除表面油污，进行温度40~60℃的低温烘干后，送入炉膛抽真空，调整绝对压力2Pa，低碳高合金马氏体轴承钢材料试样随炉升温至渗碳温度930℃。
进行渐进脉冲式渗碳，强渗阶段与扩散阶段循环周次30次，总渗碳时间17.5h，总强渗阶段时间50min，总扩散阶段1000min，总扩散阶段的时间与总强渗阶段的时间比20：1，即向炉膛内充入高纯乙炔气体，调整渗碳压力500Pa，调整渗碳介质流量3000L/h，进入强渗阶段，强渗结束后，向炉膛内充入氮气，进入扩散阶段，再不断重复强渗阶段与扩散阶段，直至30次，同时，使后一个脉冲工艺时间≥前一个所述脉冲工艺时间。完成渗碳后，将渗碳后试样进行真空高温淬火，淬火温度1060℃，保温时间1h，保温结束后进行油淬处理，再利用超声波去除油淬试样表面油污，清洗烘干后置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h，紧接着进行真空回火处理，回火温度540℃，保温时间2h，将经过真空回火后的试样再次置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h，紧接着进行真空回火处理，回火温度540℃，保温时间2h。图3示出了根据本发明实施例二的渗层硬度分布情况图。如图3所示，最终得到表面硬度高且渗碳层碳化物分布均匀的低碳高合金马氏体轴承钢 ，其表面硬度997HV（69HRC），心部硬度590~610HV（55~55.7HRC）。
图4示出了根据本发明实施例二的渗层组织形貌。如图4所示，本实施例通过真空低压渗碳，淬火，两次深冷回火的热处理过程中，严格控制渗碳温度、渗碳时间及渗碳介质、淬火温度及时间、深冷温度及时间、回火温度及时间的参数，得到表面硬度及碳化物均匀的最佳低碳高合金马氏体轴承钢，其综合性能符合要求。
实施例三
在本实施例中，首先，制备低碳高合金马氏体轴承钢材料试样，其成分按质量分数计为：C0.15%，Cr14%，Co12%，Mo5%，Ni2%，V0.6%，Nb0.02%，其余为Fe及不可避免杂质。然后利用真空感应与真空自耗的方式熔炼制得铸锭试样，将铸锭试样放入电阻炉内进行高温均质化处理，处理温度温度1050℃，保温72h，再进行锻造轧制工艺，在锻造轧制工艺中，开锻温度1050℃~1100℃，终锻温度≥900℃，得到热轧棒材试样，此时热轧棒材试样晶粒度9~10级。再将热压棒试样加工以去除表面氧化，并置于超声波清洗器中清洗器中清洗以去除表面油污，进行温度40~60℃的低温烘干后，送入炉膛抽真空，调整绝对压力2Pa，低碳高合金马氏体轴承钢材料试样随炉升温至渗碳温度960℃。
进行渐进脉冲式渗碳，强渗阶段与扩散阶段循环周次25次，总渗碳时间17.5h，总强渗阶段时间50min，总扩散阶段1000min，总扩散阶段的时间与总强渗阶段的时间比20：1，即向炉膛内充入高纯乙炔气体，调整渗碳压力750Pa，调整渗碳介质流量2800L/h，进入强渗阶段，强渗结束后，向炉膛内充入氮气，进入扩散阶段，再不断重复强渗阶段与扩散阶段，直至25次，同时，使后一个脉冲工艺时间≥前一个所述脉冲工艺时间。完成渗碳后，将渗碳后试样进行真空高温淬火，淬火温度1050℃，保温时间1h，保温结束后进行油淬处理，再利用超声波去除油淬试样表面油污，清洗烘干后置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h，紧接着进行真空回火处理，回火温度500℃，保温时间2h，将经过真空回火后的试样再次置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h，紧接着进行真空回火处理，回火温度500℃，保温时间2h。图6示出了根据本发明实施例三的渗层组织形貌。如图6所示，最终得到表面硬度高且渗碳层碳化物分布均匀的低碳高合金马氏体轴承钢。
图5示出了根据本发明实施例三的渗层硬度分布情况图。如图5所示，本实施例中低碳高合金马氏体轴承钢的表面硬度1040HV（70HRC），心部硬度590~615HV（54.5~55.7HRC），其表面具有很高的硬度，心部良好的韧性，塑性和较高的疲劳强度，其使用温度能超越400℃，具有良好的综合性能，能满足航空发动机附件齿轮或轴承高速、高温和承载能力强的要求。
具体的，在实施例一、实施例二、实施例三中，真空感应与真空自耗的方式，锻造轧制工艺，高温均质处理均为现有技术，因此此处不再赘述。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备低碳高合金马氏体轴承材料试样，采用真空感应与真空自耗的方式熔炼制得铸锭试样；所述低碳高合金马氏体轴承钢材料的成分按质量分数计为：C0.1~0.15%，Cr10~15%，Co10~14%，Mo4~6%，Ni1.5~3%，V0.5~0.8%，Nb0.01~0.05%，其余为Fe及不可避免杂质；
对铸锭试样进行热加工，得到热轧棒材试样，所述热轧棒材试样晶粒度7~10级；
渗碳：将所述热轧棒材试样进行抽真空、升温阶段、渐进脉冲式渗碳，得到渗碳后试样；所述渐进脉冲式渗碳包括多个脉冲，每个所述脉冲包含强渗阶段与扩散阶段，所述渐进脉冲式渗碳总时间≥10h，循环周次≥20，总所述扩散阶段的时间与总强渗阶段的时间比≥15：1；后一个所述脉冲工艺时间≥前一个所述脉冲工艺时间；
将渗碳后试样进行真空高温淬火；
冷处理：冷处理温度≤-75℃，保温时间≥2h；
真空回火处理；
重复冷处理：将经过真空回火后的试样再次置于温度-85℃的深冷箱或控冷柜中，保温时间2h；
重复真空回火处理。
2.根据权利要求1所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，所述热加工包括高温均质化处理与锻造轧制工艺，所述高温均质化处理温度1050~1200℃，保温时间48~72h，所述锻造轧制工艺开锻温度1050℃~1100℃，终锻温度≥900℃。
3.根据权利要求1所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，所述渗碳具体包括：
去除热轧棒材试样表面氧化层；
去除热轧棒材试样表面油污；
低温烘干；低温处理温度40~60℃；
送入炉膛并抽真空，绝对压力≤2Pa；
热轧棒材试样随炉升温至渗碳温度900~1000℃；
进行渐进脉冲式渗碳；
得到渗碳后试样。
4.根据权利要求1所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，所述强渗阶段渗碳介质为高纯乙炔，渗碳压力500~1000Pa，渗碳介质流量≥1500L/h，强渗时间30~200s。
5.根据权利要求1所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，扩散阶段介质为氮气，扩散时间3~60min。
6.根据权利要求1所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，所述真空高温淬火温度1000℃~1150℃，保温时间≥1h，保温结束后进行油淬处理，得到油淬试样。
7.根据权利要求6所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，将所述油淬试样进行超声波去除表面油污，清洗烘干后置于深冷箱中进行冷处理。
8.根据权利要求1所述的一种提高低碳高合金马氏体轴承钢表面硬度的方法，其特征在于，回火温度450~600℃，保温时间1~2h。
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