CN105714190B - 一种耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法 - Google Patents

一种耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法 Download PDF

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Abstract

一种耐冲击载荷轴承用钢，它的化学成分重量百分比为：C：0.18～0.30、Si：1.50～1.80、Mn：0.20～1.00、Cr：1.50～2.00、Ni：0.10～0.30、Al：0.05～0.80、Mo：0.20～0.40、W:0.20～0.50、N：0.0065～0.01，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其制备方法主要是首先对渗碳钢进行表面渗碳处理，渗碳后表面碳含量0.80‑1.10wt.％，然后进行球化退火处理，再进行最终热处理：加热到840‑880℃保温1～3h，然后将其冷却至Ms表层‑(10～30)℃，保温2～5分钟，随后放到Ms表层+(10～30)℃炉中等温3～5h，继续升温至Ms表层+(50～70)℃保温1～2h，最后空冷至室温。本发明能够大幅度降低轴承钢中的Ni含量、节约能源、降低成本，还可以保证心部的高韧性。

Description

一种耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程领域，特别涉及一种轴承用钢及其制备方法。
背景技术
轴承是在机械设备中的关键基础零部件，其服役条件十分复杂，要求轴承不仅要具有优良耐磨性，同时还要具有高的抗滚动接触疲劳性能。而对于一些在服役过程中还受到较大载荷冲击的轴承，如轧机轴承、矿山机械轴承、风电轴承等，除要求轴承具有高耐磨性、抗接触疲劳性能外，还要求轴承内部具有高的韧性，可以抵抗冲击载荷。因此这类轴承通常选用渗碳轴承钢制造。
传统最常用的渗碳轴承钢为G20Cr2Ni4A钢，经过马氏体淬、回火处理后为马氏体轴承钢，具有高硬度、优异的耐磨性和滚动接触疲劳性能，因此在世界范围内获得最为广泛的应用。然而，G20Cr2Ni4A钢中Ni含量高达3.25～3.75wt％，轴承钢的原材料成本非常高，降低轴承钢的成本，一直是轴承行业的需求。因此，我国也开发了一些低Ni含量或无Ni的渗碳轴承钢，如G20CrMo，G20CrNiMo，G20CrNi2Mo，G10CrNi3Mo，G20Cr2Mn2Mo等钢种，这些渗碳轴承经最终热处理工艺处理后均为马氏体轴承。
近年来，新型渗碳轴承钢不断发展。专利ZL201110156392.7公开了一种化学成分为C：0.16～0.24、Si≦0.1、Mn≦0.1、Cr：0.3～1.5、Ni：1.50～4.50、Mo：0.3～1.5、Nb：0.02～0.10、V：0.3％～0.9，的轴承钢，最终的热处理工艺为油淬加低温回火处理。专利ZL201110156409.9公开了一种高速铁路用渗碳轴承钢及其制备方法，其所研发轴承钢的成分为C：0.18～0.24、Si≦0.1、Mn≦0.1、Cr：0.5～2.0、Ni：1.50～4.50、Mo：0.3～1.5、Nb：0.02～0.10、V：0.3％～0.9，热处理工艺为淬火+深冷处理+低温回火处理。公开号为CN102653843A的专利公开了一种渗碳轴承钢，其主要化学成分为C：0.10～0.16、Si:0.15～0.40、Mn：0.40～0.90、Cr：1.3～1.8、Ni：3.10～3.80、Mo：0.02～0.09、Al：0.015～0.04。专利CN104694847A公开了一种含Ni渗碳轴承钢，其最终热处理工艺为淬火温度800-900℃，回火温度150-170℃。这些渗碳轴承钢热处理后组织均为马氏体组织。同时为了保证马氏体轴承钢具有足够的韧性，在这些轴承钢组织中均加入了不少于1.5wt.％的Ni元素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够大幅度降低Ni的含量、节约能源、降低成本的耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法。本发明主要通过在轴承钢原材料中加入Si合金元素抑制碳化物析出，加入Al合金元素，既保证形成足够的AlN细化晶粒，又起到加快贝氏体转变、抑制碳化物析出，减少了残余奥氏体的含量，同时保证轴承的表面硬度和心部的韧性。
本发明的技术方案如下：
一种耐冲击载荷轴承用钢，它是一种表面为以纳米尺寸为主的多尺度贝氏体、结合少量马氏体、少量残余奥氏体和保留的未溶碳化物组成的混合组织，心部为低碳马氏体与下贝氏体组成的混合组织的轴承用钢；它的化学成分质量百分比为C：0.18～0.30、Si：1.50～1.80、Mn：0.20～1.00、Cr：1.50～2.00、Ni：0.10～0.30、Al：0.05～0.80、Mo：0.20～0.40、W:0.20～0.50、N：0.0065～0.01，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其余为Fe和正常杂质。
上述轴承钢的热处理方法：
(1)对上述成分的轴承用钢加工成轴承后，对其表面进行常规渗碳处理，渗碳后表面碳含量为0.80-1.10wt.％，有效渗碳硬化层深度1.0～8.0mm，硬度不低于HRC58渗碳层深度0.6～3.2mm，随后进行常规球化退火处理；
(2)对步骤(1)的轴承进行最终热处理，加热到840-880℃保温1～3h，然后将其冷却至Ms表层-(10～30)℃，保温时间2～5min，随后放到Ms表层+(10～30)℃等温3～5h，继续升温至Ms表层+(50～70)℃保温1～2h，最后空冷至室温。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)原材料中高的(Si+Al)含量可以有效地抑制贝氏体相变过程中碳化物析出，获得高强韧性的贝氏体组织，同时高的Si含量还可以提高材料的淬透性，使得该轴承钢适合于制造大壁厚轴承；
(2)原材料中加入合金元素Al元素加快贝氏体相变，同时通过三阶段等温处理，第一阶段的短时等温，缩短贝氏体转变孕育期，促进贝氏体形核，第三阶段的短时等温，加快剩余奥氏体向贝氏体转变，减少残余奥氏体含量，缩短转变时间。另外不需要最后进行回火处理，节省热处理成本。
(3)原材料中大幅度降低Ni的含量至≤0.3wt.％，降低成本，同时结合等温处理还可以进一步保证心部的高韧性。
附图说明
图1为本发明实施例1获得轴承钢表层的扫描电镜图。
图2为本发明实施例1获得轴承钢心部的金相图。
图3为本发明实施例2获得轴承钢表层的透射电镜图。
图4为本发明实施例3获得轴承钢心部的透射电镜图。
具体实施方式
实施例1
采用轴承用钢的化学成分(wt.％)为：C 0.18，Mn 0.35，Si 1.54，Cr 1.72，Mo0.38，W 0.21，Ni 0.12，Al 0.68，O 0.00075，P 0.011，S 0.005，H 0.00002、其余为Fe和正常杂质。对上述轴承钢进行渗碳处理，渗碳后轴承表面的碳含量为0.85wt.％，Ms表层为190℃，有效渗碳硬化层深度1.3mm，硬度不低于HRC58渗碳层深度0.6mm。将轴承钢进行球化退火处理后，加热至850℃保温2h，后放入175℃盐浴中进行等温，等温时间2分钟后，随后放入到205℃的盐浴中继续等温5h，最后转入250℃炉中等温1.5h后空冷。得到表层的组织如附图1所示，可见表层的碳化物尺寸细小，且分布均匀，贝氏体尺寸跨度较大；心部组织以低碳马氏体组织为主如附图2所示。处理后轴承表面硬度HRC58.5，表层的残余奥氏体含量8.5％，心部冲击韧性aku为115J/cm2，心部硬度为HRC38。
实施例2
采用轴承用钢的化学成分(wt.％)为：C 0.23，Mn 0.60，Si 1.60，Cr 1.59，Mo0.31，W 0.32，Ni 0.12，Al 0.08，O 0.00068，P 0.011，S 0.008，H 0.00005、其余为Fe和正常杂质。对上述轴承钢进行渗碳处理，渗碳后轴承表面的碳含量为0.96wt.％，Ms表层为193℃，有效渗碳硬化层深度4.1mm，硬度不低于HRC58渗碳层深度1.7mm。将轴承钢进行球化退火处理后，加热至840℃保温2.5h，放入180℃盐浴中进行等温，等温时间3分钟后，随后放入到215℃的盐浴中继续等温3h，最后转入245℃炉中等温2h后空冷。得到表层的组织如附图3所示，可以看到少量的孪晶马氏体组织，大部分贝氏体板条厚度小于100nm。处理后轴承表面硬度HRC60.5，表层的残余奥氏体含量9.3％，心部冲击韧性aku为125J/cm2，心部硬度为HRC40。
实施例3
采用轴承用钢的化学成分(wt.％)为：C 0.29，Mn 0.95，Si 1.66，Cr 1.43，Mo0.23，W 0.46，Ni 0.25，Al 0.40，O 0.00063，P 0.009，S 0.007，H 0.00003、其余为Fe和正常杂质。对上述轴承钢进行渗碳处理，渗碳后轴承表面的碳含量为1.08wt.％，Ms表层为180℃，有效渗碳硬化层深度7.5mm，硬度不低于HRC58渗碳层深度3.1mm。将轴承钢进行球化退火处理后，加热至870℃保温1h，放入170℃盐浴中进行等温，等温时间4分钟后，随后放入到210℃的盐浴中继续等温4h，最后转入250℃炉中等温1h后空冷。得到心部的组织为以低碳马氏体组织为主和少量贝氏体的混合组织，如附图4所示。处理后轴承表面硬度HRC61，表层的残余奥氏体含量7.8％，心部冲击韧性aku为139J/cm2，心部硬度为HRC41。
表1实施例与G20Cr2Ni4A钢力学性能对比
性能指标 G20Cr2Ni4A 实施例1 实施例2 实施例3
表面硬度HRC 61 58.5 60.5 61
心部韧性J/cm2 113 115 125 139
心部硬度HRC 45.5 38 40 41
对于渗碳轴承，要求经过热处理后表层的硬度不低于HRC58，心部硬度不低于HRC32。表1给出了本发明实施例与G20Cr2Ni4A钢的性能对比。可以看出，本发明实施例中的性能完全满足渗碳轴承的要求，同时心部在满足硬度的同时，冲击韧性比G20Cr2Ni4A钢还有进一步的提高，说明本发明轴承钢及其热处理方法适合于制造耐冲击载荷的轴承。

Claims (2)

1.一种耐冲击载荷轴承用钢，其特征在于：它是一种表面为以纳米尺寸为主的多尺度贝氏体、结合少量马氏体、少量残余奥氏体和保留的未溶碳化物组成的混合组织，心部为低碳马氏体与下贝氏体组成的混合组织的轴承用钢；它的化学成分质量百分比为：C 0.18～0.30、Si 1.50～1.80、Mn 0.20～1.00、Cr 1.50～2.00、Ni 0.10～0.30、Al 0.08～0.80、Mo0.20～0.40、W 0.20～0.50、N 0.0065～0.01，S≦0.010、P≦0.015、O≦0.0008、Ti≦0.003、H≦0.00015，其余为Fe和正常杂质。
2.权利要求1所述的耐冲击载荷轴承用钢的热处理方法，其特征在于：
(1)对上述成分的轴承用钢加工成轴承后，对其表面进行常规渗碳处理，渗碳后表面碳含量为0.80-1.10wt.％，有效渗碳硬化层深度1.0～8.0mm，硬度不低于HRC58渗碳层深度0.6～3.2mm，随后进行常规球化退火处理；
(2)对步骤(1)的轴承进行最终热处理，加热到840-880℃保温1～3h，然后将其冷却至Ms表层-(10～30)℃，保温时间2～5min，随后放到Ms表层+(10～30)℃炉中等温3～5h，继续升温至Ms表层+(50～70)℃保温1～2h，最后空冷至室温。
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