CN109536689B - 一种轴承钢制零件的热加工工艺方法 - Google Patents

一种轴承钢制零件的热加工工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，包括坯料锻造、锻后冷却、保温、球化退火、以及机加工后进行淬火和回火，通过在多个步骤中配合进行优化控制，使制得的轴承钢零件中的碳化物颗粒更加细小，并且碳化物颗粒的数量更多，晶粒度也能得到提升，从而能够使零件的强度、冲击韧性、硬度均匀性和使用寿命都得到提升，多方面的提升了轴承钢制零件的综合性能，从而能够满足轴承等领域对轴承钢在高温工况下的使用性能要求，适于推广运用。

Description

一种轴承钢制零件的热加工工艺方法
技术领域
本发明涉及热加工工艺领域，尤其涉及一种轴承钢制零件的热加工工艺方法。
背景技术
轴承钢是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的钢，具有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限，主要运用于轴承等领域，通常对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一，是重要的力学性能材料。为了保证轴承钢的使用性能，必须对轴承钢进行热加工处理，轴承钢的常规热加工工艺中，通常为先对坯料进行锻造，在锻造成的零件冷却后，再对零件进行退火处理，然后对零件进行机加工，再对机加工后的零件进行淬火和回火处理，就完成了所有热加工工艺的处理。轴承钢的常规热加工工艺生产出的轴承钢制零件，虽然使用性能较高，但在实际运用中仍然经常会遇到无法满足轴承钢在高温工况下的使用性能要求的情况，对轴承等零件的制造和保证性能质量造成困难，因此，对轴承钢制零件的热加工工艺进行优化，从而提升轴承钢制零件在热加工处理后的使用性能，是具有重要意义的。
发明内容
本发明提供了一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，能够提升轴承钢制零件在热加工处理后的使用性能。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，包括以下步骤：
步骤一、坯料锻造
将坯料加热后锻造成型，控制锻造比为1.8-2.8，锻造开始温度不低于1050℃，终锻温度高于950℃；
步骤二、锻后冷却
将锻造成型的零件在锻造结束后立即放入冷却介质中，以25-50℃/s的降温速率冷却至零件表面温度640-660℃，然后将零件从冷却介质中取出，使零件空冷至390-410℃，再将零件放入冷却介质中，以5-15℃/s的降温速率冷却至240-260℃；
步骤三、保温
将步骤二冷却后的零件放置于加热炉内保温，控制炉内的温度为250-400℃，保温时间4-6h，然后将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，备用；
步骤四、球化退火
将步骤三空冷后的零件置于炉内加热至720-750℃，保温3-6h，然后在炉内以不低于20℃/ h的降温速率冷却至240-260℃，再将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，备用；
步骤五、对步骤四空冷后的零件进行机加工，备用；
步骤六、淬火及回火
将步骤五加工后的零件加热至800-820℃，保温40-70min，然后将零件放入淬火冷却介质进行冷却，淬火冷却后将零件置于炉内回火3-6h，回火温度200-240℃，然后将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，即完成零件的热加工。
优选的，步骤一中，将坯料放入中频感应加热炉中加热至1050-1150℃。
进一步的，坯料在中频感应加热炉中的加热时间为5-15min。
优选的，步骤二中，将锻造成型的零件放入冷却介质中，以50℃/s的降温速率冷却至零件表面温度650℃，然后使零件空冷至400℃，再将零件放入冷却介质中，以5℃/s的降温速率冷却至250℃。
优选的，步骤四中，使保温后的零件在炉内以25℃/ h的降温速率冷却至250℃。
优选的，步骤六中，淬火冷却介质采用油或硝盐溶液。
优选的，步骤六中，控制回火温度为200℃，回火时间为4h。
本发明的步骤一中，控制锻造比为1.8-2.8，而轴承钢的常规热加工工艺中，锻造比通常小于1.8，在锻造过程中，坯料内部原本聚集分布的碳化物组织会变得分散，并且颗粒较大的碳化物会被打碎成为颗粒较小的碳化物，本发明中提高了锻造比，增强了锻造过程对碳化物组织分散和打碎的作用，使步骤一中锻造成型的零件内部的碳化物组织更为细小并均匀的分布。
本发明的步骤一中，控制终锻温度高于950℃，而轴承钢的常规热加工工艺中，终锻温度为850℃左右，在锻造开始时，坯料内部原本呈带状或网状的碳化物组织会因为高温而融解成碳化物颗粒，而随着锻造过程中坯料向终锻温度冷却，会有部分融解生成的碳化物颗粒再次聚集成带状或网状的碳化物组织，本发明中提高了终锻温度，能够降低碳化物颗粒因坯料冷却而再次聚集的程度，增强了锻造过程对带状或网状的碳化物组织融解的作用，使步骤一中锻造成型的零件内部的碳化物组织更为细小并均匀的分布。
本发明的步骤二中，先将零件放入冷却介质中，以25-50℃/s的降温速率冷却至零件表面温度640-660℃，在此过程中，锻造加热后的零件中的奥氏体会转化为珠光体，同时抑制网状碳化物析出，并且因为冷却速率不低于25℃/s，所以奥氏体组织会转化为细小的珠光体颗粒；同时因为零件的冷却速率较快，所以零件的内部和表面会具有一定的温差，并使珠光体颗粒在零件内的分布不均，因此将零件空冷至390-410℃，通过冷却速率缓慢的空冷过程，消除零件内部和表面的温差，也使珠光体颗粒在零件内的分布更为均匀；空冷后再次将零件放入冷却介质中，以5-15℃/s的降温速率冷却至240-260℃，在此过程中，零件中的奥氏体会进一步转化为颗粒更为细小的极细珠光体（屈氏体）和贝氏体，而现有的轴承钢热加工工艺中经锻造冷却后，零件内的奥氏体主要会转化为粗片状珠光体组织和断续网状碳化物组织。
本发明的步骤三中，将冷却后零件置于炉内保温，使零件内经锻后冷却所生成的碳化物颗粒更加均匀的分布，同时消除零件因锻后冷却过程而产生的内应力，使零件的内部组织更为稳定。
本发明的步骤四中，对保温后的零件进行球化退火，使零件内的极细珠光体（屈氏体）和贝氏体颗粒转变为利于进行机加工的球状珠光体组织，降低零件的硬度，改善零件的切削加工性；球化退火工艺的普遍特性为，需要加热至足够的温度，才能使零件内原有组织球化转变，并且，零件内原有组织越粗大，球化退火所需的加热温度就越高，而退火后零件内生成的球化物的颗粒会越大、数量会越少；轴承钢的常规热加工工艺中，对零件进行球化退火的加热温度为790-810℃，而本发明中因为在球化退火前所做的优化处理，使球化退火前零件中分布的是颗粒更为细小的极细珠光体（屈氏体）和贝氏体，所以球化退火的加热温度也随之降低为720-750℃，使球化退火后零件内生成的球状珠光体的颗粒也随之减小，并且球状珠光体的颗粒数量增加，从而使零件在球化退火后的组织更加细化。
本发明的步骤六中，对机加工后的零件进行淬火和回火，使零件内转变生成马氏体组织，从而使零件获得高力学性能；淬火工艺的普遍特性为，需要加热至足够的温度，才能使零件内原有组织向马氏体转变，并且，零件内原有组织越粗大，淬火所需的加热温度就越高，而淬火后零件内生成的马氏体组织的颗粒会越大、数量会越少；轴承钢的常规热加工工艺中，也是对退火后的零件进行机加工，然后再进行淬火和回火，并且对零件进行淬火的加热温度为830-850℃，而本发明中因为在淬火前所做的优化处理，所以球化退火后零件中的球状珠光体组织较常规工艺更加细化，使淬火前零件中分布的是颗粒更为细小的球状珠光体，所以淬火的加热温度也随之降低为800-820℃，使淬火后零件内生成的马氏体组织的颗粒也随之减小，并且马氏体组织的颗粒数量增加，从而使零件在淬火和回火后的组织更加细化。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，对锻造、锻后冷却、球化退火、淬火和回火的工艺过程都进行了优化控制，与轴承钢的常规热加工工艺相比，先对锻造和锻后冷却过程进行控制，使锻造冷却后的零件内部组织更加细化均匀，并通过保温控制消除内应力，使零件内部组织稳定，然后配合锻后零件组织的细化而降低了球化退火的加热温度，使球化退火后零件内的球化物组织更加细化均匀，最后配合退火后零件组织的细化而降低了淬火的加热温度，使本发明热加工工艺处理后的零件与常规热加工工艺处理的零件相比，零件内部分布有更加细化均匀的马氏体组织，从而使零件内的碳化物颗粒减小、碳化物数量增加，并且零件内的晶粒度能够从通常的8级提升至9级，即能够使零件内的晶粒更加细化；因为上述对轴承钢零件内部组织的优化，会使轴承钢零件的强度、冲击韧性、硬度均匀性和使用寿命都得到提升，多方面的提升了轴承钢制零件的综合性能，从而能够满足轴承等领域对轴承钢在高温工况下的使用性能要求，适于推广运用。
具体实施方式
实施例：
一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，包括以下步骤：
步骤一、坯料锻造
将坯料放入中频感应加热炉中加热至1100℃，加热时间10min，然后将坯料在辗环机上锻造成φ100×φ86×25mm的环形零件，控制锻造比为1.8-2.8，锻造开始温度不低于1050℃，终锻温度高于950℃；
步骤二、锻后冷却
将锻造成型的零件在锻造结束后立即放入冷却介质中，以50℃/s的降温速率冷却至零件表面温度650℃，使零件中的奥氏体转化为细小的珠光体颗粒；然后将零件从冷却介质中取出，使零件空冷至400℃，以消除零件内部和表面的温差，并使珠光体颗粒在零件内的分布更为均匀；再将零件放入冷却介质中，以5℃/s的降温速率冷却至250℃，使零件中的奥氏体进一步转化为颗粒更为细小的极细珠光体（屈氏体）和贝氏体；
步骤三、保温
将步骤二冷却后的零件在冷却过程结束后立即放置于加热炉内保温，控制炉内的温度为280℃，保温时间5h，使零件内经锻后冷却所生成的碳化物颗粒更加均匀的分布，同时消除零件因锻后冷却过程而产生的内应力，使零件的内部组织更为稳定，然后将零件从炉内取出，使零件空冷至室温；
步骤四、球化退火
将步骤三空冷后的零件置于炉内加热至730℃，保温6h，然后在炉内以不低于20℃/ h的降温速率冷却至250℃，使零件内的极细珠光体（屈氏体）和贝氏体颗粒转变为利于进行机加工的球化珠光体组织，再将零件从炉内取出，使零件空冷至室温；
步骤五、对步骤四空冷后的零件进行机加工，得到φ96×φ82×22mm的环形零件；
步骤六、淬火及回火
将步骤五加工后的零件加热至800℃，保温60min，同时控制零件的碳势在0.75%，然后将零件放入硝盐溶液中进行冷却，淬火冷却后将零件置于炉内回火4h，回火温度200℃，使零件内转变生成马氏体组织，从而使零件获得高力学性能，然后将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，即完成零件的热加工，再对零件进行磨削等加工处理，就能制得φ96×φ82×22mm的环形轴承钢零件成品。
对比例：
采用轴承钢的常规热加工工艺，并与实施例采用相同的坯料，先将坯料锻造成φ100×φ86×25mm的环形零件，控制开始锻造温度1150℃，终锻温度850℃，锻后空冷至室温，锻造比1.5-1.8；然后进行球化退火，加热至800℃，保温6h；对零件机进行加工，得到φ96×φ82×22mm的环形零件；然后进行淬火，加热至840℃，保温60min，再回火4h，回火温度200℃，最后经磨削等加工处理，制得φ96×φ82×22mm的环形轴承钢零件成品。
对实施例和对比例中制得的φ96×φ82×22mm的环形轴承钢零件在相同条件下进行轴承性能试验以及金相组织与硬度对比试验，结果如下表所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
上述数据均是在同等试验的条件下进行实验所得的实验数据对比，上述数据均是严格按照GB/T34891-2017《 滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》、GB/T229-2007《 金属夏比冲击试验方法》的标准进行的相关检测所得的试验数据。
由上表可知：
1、实施例中制得的轴承钢零件中的碳化物颗粒更加细小，并且碳化物颗粒的数量更多，就能提升轴承钢零件的强度和使用寿命；
2、实施例中制得的轴承钢零件中随着碳化物颗粒变细小、且碳化物颗粒的数量增加，使得晶粒度能够从常规的8级提升至9级，随着晶粒度提升，轴承钢零件的晶粒更加细化均匀，就能提升轴承钢零件的使用寿命；
3、实施例中制得的轴承钢零件随着内部晶粒更加细化均匀，零件整体的硬度均匀性更低，能够从常规的1HRC降低至0.6HRC，降幅达40%；硬度均匀性是评价轴承零件质量的技术指标，GB/T34891《 滚动轴承高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》中要求同一轴承零件在1HRC以内，对轴承而言，硬度均匀性越小意味着轴承零件各部分的硬度越接近，使轴承钢零件整体的强度性能提升；
4、实施例中制得的轴承钢零件随着内部晶粒更加细化均匀，零件整体能够承受的冲击韧性值增加，与对比例相比能够提升66%，使轴承钢零件的使用强度提升。
综上所述，本发明的轴承钢制零件热加工工艺方法，能够使制得的轴承钢零件的强度、冲击韧性、硬度均匀性和使用寿命都得到提升，多方面的提升了轴承钢制零件的综合性能，从而能够满足轴承等领域对轴承钢在高温工况下的使用性能要求，适于推广运用。

Claims (7)

1.一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、坯料锻造
将坯料加热后锻造成型，控制锻造比为1.8-2.8，锻造开始温度不低于1050℃，终锻温度高于950℃；
步骤二、锻后冷却
将锻造成型的零件在锻造结束后立即放入冷却介质中，以25-50℃/s的降温速率冷却至零件表面温度640-660℃，然后将零件从冷却介质中取出，使零件空冷至390-410℃，再将零件放入冷却介质中，以5-15℃/s的降温速率冷却至240-260℃；
步骤三、保温
将步骤二冷却后的零件放置于加热炉内保温，控制炉内的温度为250-400℃，保温时间4-6h，然后将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，备用；
步骤四、球化退火
将步骤三空冷后的零件置于炉内加热至720-750℃，保温3-6h，然后在炉内以不低于20℃/ h的降温速率冷却至240-260℃，再将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，备用；
步骤五、对步骤四空冷后的零件进行机加工，备用；
步骤六、淬火及回火
将步骤五加工后的零件加热至800-820℃，保温40-70min，然后将零件放入淬火冷却介质进行冷却，淬火冷却后将零件置于炉内回火3-6h，回火温度200-240℃，然后将零件从炉内取出，使零件空冷至室温，即完成零件的热加工。
2.根据权利要求1所述的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于：步骤一中，将坯料放入中频感应加热炉中加热至1050-1150℃。
3.根据权利要求2所述的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于：坯料在中频感应加热炉中的加热时间为5-15min。
4.根据权利要求1所述的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于：步骤二中，将锻造成型的零件放入冷却介质中，以50℃/s的降温速率冷却至零件表面温度650℃，然后使零件空冷至400℃，再将零件放入冷却介质中，以5℃/s的降温速率冷却至250℃。
5.根据权利要求1所述的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于：步骤四中，使保温后的零件在炉内以25℃/ h的降温速率冷却至250℃。
6.根据权利要求1所述的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于：步骤六中，淬火冷却介质采用油或硝盐溶液。
7.根据权利要求1所述的一种轴承钢制零件的热加工工艺方法，其特征在于：步骤六中，控制回火温度为200℃，回火时间为4h。
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