CN116926290A - 一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理工艺，包括三次淬火、三次回火以及一次补充回火处理。采用本发明技术方案处理后的轴承钢GCr4Mo4V晶粒度级别达到13级～13.5级，最大颗粒残留碳化物尺寸在1.28μm～1.41μm，残余奥氏体体积分数在1%～1.8%，室温旋转弯曲疲劳极限为1215MPa～1267MPa，实现了高温轴承钢GCr4Mo4V晶粒组织和大颗粒残留碳化物的同时细化，残余奥氏体的体积分数也达到极低的水平，轴承钢的旋转弯曲疲劳强度显著提升。
Description
技术领域
本发明属于金属材料热处理领域，具体涉及一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法。
背景技术
GCr4Mo4V钢是一种基于二次硬化的全淬硬型轴承钢，其凭借良好的淬透性、优异的热硬性以及在120℃～320℃温度范围出色的硬度保持能力，被广泛应用于316℃以下航空发动机主轴轴承的套圈与滚动体，也成为了我国目前航空发动机上用量最大的高温轴承钢。
轴承钢典型的服役失效形式就是疲劳失效，因此其疲劳特性直接决定了轴承钢的服役寿命。旋转弯曲疲劳试验是最常见的表征金属材料疲劳特性的方式之一，与滚动接触疲劳试验相比，旋转弯曲疲劳试样最终以断裂形式失效，因此可以明确在特定交变载荷作用下试样的循环周次，进而通过统计学计算得到疲劳极限（即疲劳强度），作为轴承钢服役性能改进的参考指标。
大量研究表明，GCr4Mo4V钢中非金属夹杂物尺寸形貌分布、大颗粒碳化物形貌及尺寸以及晶粒尺寸及均匀性均对疲劳性能有显著影响，其中非金属夹杂物以氧化物夹杂为主，在现有的特种冶金技术条件下，钢液中氧元素可以控制到6ppm以下，先进国家甚至可以达到3ppm～5ppm的水平，因此决定GCr4Mo4V钢疲劳性能的关键在于大颗粒碳化物（主要为一次碳化物）及晶粒尺寸的大小与分布，尤其是大颗粒碳化物对疲劳寿命的影响最为显著。由于GCr4Mo4V合金元素含量高达9%，碳元素含量0.8%左右，在凝固结晶过程中不可避免的受元素偏析影响，极易出现块状、网状、大颗粒碳化物，合金元素与碳元素在枝晶组织中局部富集，造成铸锭化学成分的不均匀性，在后续加工过程中逐步遗传至钢材形成白蚀区甚至蝴蝶组织，进一步引发钢材服役寿命的缩短与性能的不稳定。
国产GCr4Mo4V在碳化物、晶粒组织的尺寸与分布方面普遍存在均匀性较差的问题，对最终轴承零件的产品质量影响显著，直接表现为我国航空发动机主轴轴承服役寿命波动性大，平均服役寿命分别为俄罗斯同类产品的一半，美国同类产品的十分之一。实现GCr4Mo4V组织细化与均匀化控制对于解决我国航空发动机“卡脖子”难题、早日实现航空发动机技术自主化意义重大。
国内***绕改善GCr4Mo4V疲劳寿命的手段主要以大颗粒碳化物尺寸细化为出发点，从控制偏析和塑性加工等方面进行探索，前者包括连续定向凝固（“滚动轴承钢冶金质量与疲劳性能现状及高端轴承钢发展方向”，《金属学报》，2020年第56卷第4期，513-522页）、增材制造（“Mechanical Properties of High‐Speed Steel AISI M50 Produced byLaser Powder Bed Fusion”，《Steel Research International》,2020年第91卷第5期，1900562）等，后者包括多向锻造（“Microstructure evolution and mechanicalanisotropy of M50 steel ball bearing rings during multi-stage hot forging”，《Chinese Journal of Aeronautics》，2021年第34卷第11期，254-266页；“多向锻造对M50钢一次碳化物破碎机制的影响”，《中国冶金》，第30卷第9期，98-103，135页）。尽管对于碳化物尺寸分布的改善起到了一定积极作用，但是连续定向凝固和增材制造存在工艺复杂、成本较高等缺点，多向锻造存在火次较多、控制难度大且晶粒尺寸控制难度较大等问题。因此亟需通过采取适当的技术方案同时改善轴承钢中碳化物和晶粒组织的尺寸分布，进而实现疲劳性能的显著改善。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，可以实现高温轴承钢GCr4Mo4V晶粒组织和大颗粒残留碳化物的同时细化，残余奥氏体的体积分数也达到极低的水平，轴承钢的旋转弯曲疲劳强度显著提升。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，包括三次淬火、三次回火以及一次补充回火处理，具体操作步骤如下：
（1）第一次淬火处理：加热至1090℃～1100℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1030℃～1060℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1000℃～1020℃，保温30分钟～60分钟油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至540℃～560℃，保温2小时～4小时后空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至300℃～400℃，保温2小时～4小时后，空冷至室温。
本发明所述高温轴承钢为GCr4Mo4V，满足GB/T 38886-2020中所规定的技术要求。
经本发明所述方法热处理后，轴承钢的晶粒度级别达到13级～13.5级，最大颗粒残留碳化物尺寸在1.28μm～1.41μm，残余奥氏体体积分数在1%～1.8%，室温旋转弯曲疲劳极限为1215MPa～1267MPa。
如背景技术所述，高温轴承钢GCr4Mo4V含有较大量的Cr、Mo、V等碳化物易形成元素，导致组织中大颗粒残留一次碳化物成为疲劳裂纹形核的主要位置，因此现有提高高温轴承钢疲劳性能的技术手段主要以大颗粒碳化物尺寸细化为出发点，忽视了晶粒细化这一传统的全面提升材料强韧性的有效手段，并且在采取多向锻造等控制手段过程中，不可避免地导致晶粒尺寸长大甚至混晶，因此一定程度掩盖了碳化物颗粒细化的延寿效应。
另一方面，高温轴承钢GCr4Mo4V淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体在后续回火中会进一步发生马氏体转变，但是转变程度受到回火工艺限制，较多的残余奥氏体在轴承钢服役过程中会继续发生马氏体转变，由于两种组织的比容差异，造成零件尺寸发生波动，进而缩短了疲劳寿命。
本发明的设计思路为：
基于晶粒长大动力学、碳化物析出动力学以及碳化物转变反应等基础理论，结合马氏体转变以及残余奥氏体稳定性的影响因素，创新性地设计了阶梯式淬回火工艺以及补充回火热处理工艺，各步骤的具体作用如下：
（1）第一次淬火回火处理：第一次淬火选择1090℃～1100℃保温30分钟～60分钟后油淬至室温，目的是通过较高的淬火温度实现二次碳化物的充分回溶以及发生相对充分的马氏体转变；第一次回火处理采取500℃～520℃保温2小时～4小时后空冷至室温，目的是实现部分残余奥氏体的马氏体转变，适当在基体中弥散析出部分二次碳化物。
（2）第二次淬火回火处理：第二次淬火选择1030℃～1060℃保温30分钟～60分钟后油淬至室温，目的是奥氏体化过程中保证一定量的残留二次碳化物在晶界处，抑制原始奥氏体晶粒的长大，并在油淬后发生马氏体板条的细化，为第三次淬火实现晶粒细化做准备，同时在这一过程中残留的一次碳化物会通过碳化物反应分解为尺寸细小、边界圆滑的碳化物颗粒，减缓应力集中效应；第二次回火的作用同第一次回火。
（3）第三次淬回火处理：第三次淬火选择1000℃～1020℃保温30分钟～60分钟油淬至室温，目的是在第二次淬火后细化的马氏体组织基础上通过低温淬火实现原始奥氏体晶粒的极限细化，并减少残余奥氏体的比例；第三次回火采取540℃～560℃保温2小时～4小时后空冷至室温并循环3次，目的是充分实现残余奥氏体向马氏体的转变，提升组织稳定性，同时加大碳化物弥散析出的程度，降低马氏体转变引入的体积应力。经过第三次淬回火处理后，已经实现了晶粒组织与碳化物颗粒的同步细化。
（4）补充回火处理：采取300℃～400℃保温2小时～4小时后空冷至室温，其目的是进一步促进残余奥氏体向马氏体的转变，避免轴承钢在服役过程中由于残余奥氏体不稳定带来的尺寸精度偏差，进而影响轴承钢的使用寿命。经过补充回火后，轴承钢同时实现了晶粒组织与碳化物颗粒的双重细化以及残余奥氏体比例的最小化。
基于以上设计思路，本发明可同时达到晶粒组织细化、大颗粒残余碳化物细化以及回火组织稳定性提升等目的，进而带来旋转弯曲疲劳强度大幅提升的有益效果：晶粒度级别达到13级～13.5级，最大颗粒残留碳化物尺寸在1.28μm～1.41μm，残余奥氏体体积分数在1%～1.8%，室温旋转弯曲疲劳极限为1215MPa～1267MPa。
附图说明
图1为实施例1轴承钢碳化物分布金相照片（放大倍数200倍）；
图2为实施例1轴承钢晶粒组织金相照片（放大倍数1000倍）；
图3为实施例1轴承钢旋转弯曲疲劳曲线；
图4为对比例轴承钢碳化物分布金相照片（放大倍数200倍）；
图5为对比例轴承钢晶粒组织金相照片（放大倍数200倍）。
图6为对比实施例轴承钢旋转弯曲疲劳曲线。
实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
各实施例及对比例使用的GCr4Mo4V轴承钢均采取“真空感应+真空自耗”冶炼的φ300mm×700mm规格铸锭经过锻造开坯、热轧、球化退火等处理方式制备而成，技术条件满足GB/T 38886-2020的相关要求，化学成分为：C 0.80%，Si 0.35%，Mn 0.35%，P 0.008%，S0.005%，Cr 4.00%，Mo 4.2%，V 0.90%，W 0.25%，Ni 0.20%，Cu 0.10%，Co 0.25%，Ti0.0025%，Ca 0.001%，O 0.0006%，N 0.002%。在各实施例及对比实施例中不再赘述。
实施例1
对轴承钢采取以下工艺进行热处理：
（1）第一次淬火处理：加热至1090℃，保温30分钟，油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至500℃，保温2小时，空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1030℃，保温30分钟，油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至500℃，保温2小时，空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1000℃，保温30分钟，油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至540℃，保温2小时，空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至300℃，保温2小时，空冷至室温。
轴承钢碳化物分布金相照片如图1所示，晶粒组织金相照片如图2所示，旋转弯曲疲劳曲线如图3所示；最大颗粒残留碳化物尺寸、晶粒度级别、残余奥氏体体积分数以及旋转弯曲疲劳强度见表1。
实施例2
对轴承钢采取以下工艺进行热处理：
（1）第一次淬火处理：加热至1100℃，保温60分钟后，油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至520℃，保温4小时后，空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1060℃，保温60分钟后，油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至520℃，保温4小时后，空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1020℃，保温60分钟，油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至560℃，保温4小时后，空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至400℃，保温4小时后，空冷至室温。
轴承钢碳化物分布金相照片、晶粒组织金相照片以及旋转弯曲疲劳曲线与实施例1相似，不再重复展示。最大颗粒残留碳化物尺寸、晶粒度级别、残余奥氏体体积分数以及旋转弯曲疲劳强度见表1。
实施例3
对轴承钢采取以下工艺进行热处理：
（1）第一次淬火处理：加热至1095℃，保温50分钟后，油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至510℃，保温3小时后，空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1040℃，保温50分钟后，油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至510℃，保温3小时后，空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1010℃，保温50分钟后，油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至550℃，保温3小时后，空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至350℃，保温3小时后，空冷至室温。
轴承钢碳化物分布金相照片、晶粒组织金相照片以及旋转弯曲疲劳曲线与实施例1相似，不再重复展示。最大颗粒残留碳化物尺寸、晶粒度级别、残余奥氏体体积分数以及旋转弯曲疲劳强度见表1。
实施例4
对轴承钢采取以下工艺进行热处理：
（1）第一次淬火处理：加热至1090℃，保温30分钟后，油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至500℃，保温2小时后，空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1060℃，保温60分钟后，油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至520℃，保温4小时后，空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1000℃，保温30分钟，油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至540℃，保温2小时后，空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至350℃，保温3小时后，空冷至室温。
轴承钢碳化物分布金相照片、晶粒组织金相照片以及旋转弯曲疲劳曲线与实施例1相似，不再重复展示。最大颗粒残留碳化物尺寸、晶粒度级别、残余奥氏体体积分数以及旋转弯曲疲劳强度见表1。
实施例5
对轴承钢采取以下工艺进行热处理：
（1）第一次淬火处理：加热至1100℃，保温60分钟后，油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至520℃，保温4小时后，空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1030℃，保温30分钟后，油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至500℃，保温2小时后，空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1020℃，保温60分钟，油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至560℃，保温4小时后，空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至350℃，保温3小时后，空冷至室温。
轴承钢碳化物分布金相照片、晶粒组织金相照片以及旋转弯曲疲劳曲线与实施例1相似，不再重复展示。最大颗粒残留碳化物尺寸、晶粒度级别、残余奥氏体体积分数以及旋转弯曲疲劳强度见表1。
对比实施例
对轴承钢的淬火工艺采取1120℃保温30分钟后油淬；回火处理采取530℃保温2小时空冷回火，循环3次。
轴承钢碳化物分布金相照片如图4所示，晶粒组织金相照片如图5所示，旋转弯曲疲劳曲线如图6所示，最大颗粒残留碳化物尺寸、晶粒度级别、残余奥氏体体积分数以及旋转弯曲疲劳强度见表1。
表1 各实施例及对比实施例技术指标
显而易见，对于相同技术条件下制备的GCr4Mo4V高温轴承钢，本发明提供的技术方案可将最大颗粒残留碳化物尺寸降低94.4%～94.9%，晶粒度级别提高5级～5.5级，残余奥氏体体积分数降低77.5%～87.5%，旋转弯曲疲劳极限提高35.9%～41.7%。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，其特征在于，包括三次淬火、三次回火以及一次补充回火处理，具体如下：
（1）第一次淬火处理：加热至1090℃～1100℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；
（2）第一次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；
（3）第二次淬火处理：加热至1030℃～1060℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；
（4）第二次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；
（5）第三次淬火处理：加热至1000℃～1020℃，保温30分钟～60分钟油淬至室温；
（6）第三次回火处理：加热至540℃～560℃，保温2小时～4小时后空冷至室温，循环3次；
（7）补充回火处理：加热至300℃～400℃，保温2小时～4小时后，空冷至室温。
2.一种如权利要求1所述的提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，其特征在于，所述轴承钢为GCr4Mo4V，满足GB/T 38886-2020所规定的技术要求。
3.如权利要求1所述的提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，其特征在于，经所述热处理工艺处理后，所述轴承钢的晶粒度级别达到13级～13.5级，最大颗粒残留碳化物尺寸在1.28μm～1.41μm，残余奥氏体体积分数在1%～1.8%，室温旋转弯曲疲劳极限为1215MPa～1267MPa。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310858258.4A CN116926290A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117620210A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-03-01 | 天津大学 | 电弧增材制造和热处理提升铁素体马氏体钢疲劳性能方法 |
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2023
- 2023-07-13 CN CN202310858258.4A patent/CN116926290A/zh active Pending
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