高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝的製作方法

2023-10-28 09:25:07 2

專利名稱：高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於軸承熱處理技術領域，主要涉及的是一種高氮不鏽軸承鋼熱處理工 藝。
背景技術：
目前，在涉及航空航天等工作條件十分惡劣的行業中使用的軸承除要求其具有高 的斷裂韌性、高的接觸疲勞壽命、高的耐磨性外，還必須滿足鹽霧，黴菌和溼熱的「三防」試 驗要求，但是國內使用的傳統高碳鉻不鏽軸承鋼無法滿足使用性能要求。由於高碳鉻不鏽 軸承鋼(9Crl8，9Crl8Mo)這兩種鋼具有高的碳含量和鉻含量，所以不可避免地會產生大塊 的共晶碳化物，這些碳化物分布不均勻形成帶狀，大部分在晶界上析出，而且熱處理時無法 消除，往往對軸承套圈的磨削和超精工序產生不利的影響。9Crl8鋼製軸承不能滿足噪音及 精度的要求，同時當軸承承受較大載荷時，易在共晶碳化物處造成應力集中而產生疲勞裂 紋源，從而使軸承的使用性能和接觸疲勞壽命受到損害。基於這種情況，FAG、NSK等企業於 八、九十年代開發了高氮耐腐蝕軸承鋼，在傳統的高碳馬氏體不鏽鋼中降低了碳含量並添 加了氮元素。該耐腐蝕軸承鋼中均勻分布著氮和碳形成很小的的粒狀碳氮化合物，類似於 高碳鉻軸承鋼的球化退火組織，而不出現高碳鉻不鏽軸承鋼中粗大的共晶碳化物和針片狀 共晶碳化物。另外，由於氮對馬氏體起強化作用，其耐蝕性及疲勞性能均優於傳統的高碳不 鏽鋼。因此，急需開發研製新的材料來解決這項技術難題。在研究過程中發現， 40Crl5Mo2VN高氮不鏽軸承鋼具有碳化物分布均勻、細小，經過本工藝熱處理後，與傳統 的高碳鉻不鏽軸承鋼(9Crl8，9Crl8Mo)相比，具有硬度高，耐磨性好和高的接觸疲勞壽 命的特性，並且耐蝕性能遠遠優於9Crl8鋼，能夠滿足高耐蝕性的技術性能要求。但是 40Crl5Mo2VN鋼在採用常規熱處理工藝出來後殘餘奧氏體含量很高，殘餘奧氏體含量愈高 對於軸承的尺寸穩定性愈大，為了解決這個難題，我們採用降低淬火溫度和深冷處理，但是 研究發現淬火溫度降低後，淬火後硬度不符合產品要求，需採用深冷處理，為了防止裂紋產 生和變形，在深冷處理前增加一次預冷處理。

發明內容
本發明的目的由此產生，提出一種高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝。有效解決熱處理 技術難題，使生產出的軸承不僅具有高斷裂韌性、高接觸疲勞壽命、高耐磨性的特性，同時 還能滿足鹽霧，黴菌和溼熱的「三防」試驗要求，並且耐腐蝕性優於傳統的高碳鉻不鏽軸承 鋼(9Crl8)。本發明實現上述目的採取的技術方案是一次預熱溫度650士 10°C，保溫25 35min ； 二次預熱溫度850士 10 °C，保溫20 45min，；淬火溫度1060士 10 °C，保溫50 60min ；淬火後冷至室溫半小時內應立即進行冷處理，冷處理溫度_196士5°C，2 3h，2次； 冷處理後升至室溫後立即進行回火，回火溫度160士5°C，4 4. 5h，2次。
淬火溫度的確定按照工藝實驗方案，採用一系列淬火溫度(1020°C，1040°C， 1050°C,1060°C, 1080°C, IlOO0C )，一次冷凍處理_55°C，170°C回火，分別檢測試樣的硬度 和殘餘奧氏體含量。從圖1可以看出，隨著淬火溫度的升高，硬度也隨之升高，但殘餘奧氏 體含量也隨之升高。為了兼顧工件的尺寸穩定性和硬度，最終確定淬火溫度為1060 士 10°C， 冷卻方式油冷。冷處理溫度的確定考慮到殘餘奧氏體對工件尺寸穩定性的影響，決定儘可能把 殘餘奧氏體降到最低。對此採用不同的冷處理溫度(-55°C，-80°C，-196°C )進行試驗。從 圖2可以看出，隨著冷處理溫度的降低，殘餘奧氏體的含量逐漸降低。這是由於隨著溫度的 降低，奧氏體與馬氏體的自由能差增大，促使殘餘奧氏體轉變為馬氏體。同時，經過兩次冷 處理後的殘餘奧氏體含量，比只經過一次冷處理後的殘餘奧氏體含量更低。經對比最終選 擇冷處理溫度-196士5°C，2 3h，2次，帕運含量平均為5%。可能滿足產品尺寸穩定性的 需要，尺寸穩定性試驗也恰恰驗證了這一結論。回火溫度的確定淬火溫度採用1060 士 10°C ；冷卻方式油冷；冷處理溫 度，-196士5°C，2 3h，二次；按照回火試驗方案，採用三種不同回火溫度(120°C、16(TC、 200°C)進行回火。檢測結果發現，回火組織均為回火馬氏體+少量一次碳化物+彌散分布 的二次碳化物，金相組織變化差異較小；回火後硬度變化較大，2000C回火後硬度較其它溫 度回火的低約1HRC。考慮到淬火和冷處理後熱應力和組織應力較大，最終確定回火溫度為 160士5°C，4 4. 5h，2 次。熱處理工藝的確定由於40Crl5Mo2VN鋼是高合金軸承鋼，導熱性差，預熱可以 使工件表面和心部溫度均勻一致，淬火後硬度均勻性符合要求，且減小工件變形。根據上 述工藝試驗及結果分析，並結合產品的特殊結構，為確保加工後軸承尺寸的穩定性，首先用 ZC2-65真空爐對40Crl5Mo2VN工件進行預熱，在650士 10°C和850士 10°C各進行一次預熱， 溫度升至650°C後保溫25 35min，然後繼續升溫至850°C後在保溫20 45min，保溫結束 後快速升溫至淬火溫度；淬火溫度1060士 10°C，保溫50 60min ；淬火保溫結束後由料車 將工件從真空爐加熱室送到油淬室進行淬火，淬火介質快速淬火油。淬火後採用流動水冷 至室溫，然後進行_55°C冷處理20min，最後進行在_196°C液氮中深冷處理120min。這樣即 可以減少殘餘奧氏體量，同時避免了急冷導致工件開裂。回火採用控溫精度為士 1°C的回火 油爐進行，回火共進行二次，工藝曲線見圖3。在第一次回火後增加一次冷處理，目的是獲得 較穩定的馬氏體，並使殘餘奧氏體進一步轉變和穩定化，以達到穩定尺寸。為降低裂紋產生的冷處理後立即進行回火，這樣避免了巨大的淬火應力和冷處理 應力的疊加，淬火開裂的可能性變小。經過兩次冷處理可以達到降低殘餘奧氏體量和穩定 尺寸的目的。組織檢驗零件經此工藝熱處理後，硬度平均為58 59HRC，殘餘奧氏體含量不大 於5%，回火組織(見圖3)由回火馬氏體+少量一次碳化物+彌散分布的二次碳化物+少 量的殘餘奧氏體，晶粒度見圖4。尺寸穩定性為了驗證本工藝處理後尺寸穩定性，將粗磨後的工件進行人工時 效，檢驗其尺寸變化情況。結果(見圖6)表明，該產品尺寸穩定性良好。人工時效溫度 140士5°C，時間5. 5 6. Oh。取樣數量54件。本發明在大量實驗基礎上最終確定的40Crl5Mo2VN高氮不鏽軸承鋼的最佳熱處理工藝，不但有效控制殘餘奧氏體的含量，保證了 40Crl5Mo2VN鋼製工件的尺寸穩定性問 題，而且解決熱處理的變形問題和裂紋問題。


圖1為本發明硬度及殘餘奧氏體分布圖。圖2為本發不同冷處理溫度兩次冷處理後殘餘奧氏體分布圖。圖3為本發明工藝曲線圖。圖4為本發明40Crl5Mo2VN鋼淬回火組織圖。圖5為本發明40Crl5Mo2VN鋼淬火晶粒度圖。圖6為本發明40Crl5Mo2VN鋼製工件尺寸變化圖。
具體實施例方式本發明以實施例的方式進一步詳細說明。本發明所述的40Crl5Mo2VN高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝流程為淬火一冷處理一 回火。加工設備包括:ZC2-65真空爐、冷凍機(型號=D-O. 8)和回火油爐(型號=130174)。 具體為首先用ZC2-65真空爐對40Crl5Mo2VN工件進行預熱，在650士 10°C和850士 10°C 各進行一次預熱，溫度升至650°C後保溫25 35min，然後繼續升溫至850°C後在保溫20 45min，保溫結束後快速升溫至淬火溫度；淬火溫度1060士 10°C，保溫50 60min ；淬火保 溫結束後由料車將工件從真空爐加熱室送到油淬室進行淬火，淬火介質快速淬火油。淬火 後將工件取出，採用空冷或流動水冷至室溫，然後將工件放入常規冷凍機(型號D_0.8)隨 爐降溫至_55°C，保溫20min，進行預冷處理。隨後將工件取出立即放入自製的不鏽鋼箱子 內(箱子尺寸650mmX550mmX 500mm)，將液氮倒入箱內，直至液氮浸沒工件，由於液氮易 揮發，應隨時保持液氮面高於工件，保溫120min。經過深冷處理的工件在回火油爐(型號 130174)中進行回火，回火油爐採用的是常規的回火油爐，控溫精度為士 1°C。回火溫度為 160士5°C，4h，二次，在第一次回火後進行第二次冷處理(-196士5°C，120min)，將第一次回 火的工件取出，冷至室溫，放入不鏽鋼箱子內，倒入液氮，使液氮面高於工件，保溫120min， 目的是獲得較穩定的馬氏體並使殘餘奧氏體進一步轉變和穩定化，以達到穩定尺寸。第二 次冷處理後進行第二次回火，回火溫度160士5°C，4h。
權利要求
一種高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝，其特徵是高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝包括以下步驟一次預熱溫度650±10℃，保溫25～35min；二次預熱溫度850±10℃，保溫20～45min；淬火溫度1060±10℃，保溫50～60min；淬火後冷至室溫半小時內應立即進行冷處理，冷處理溫度 196±5℃，2～3h，2次；冷處理後升至室溫後立即進行回火，回火溫度160±5℃，4～4.5h，2次。
2.根據權利要求1所述的高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝，其特徵是所述高氮不鏽軸承 鋼是在ZC2-65真空爐進行預熱的。
3.根據權利要求1所述的高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝，其特徵是所述高氮不鏽軸承 鋼的淬火是在油淬室進行淬火的。
4.根據權利要求1所述的高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝，其特徵是所述高氮不鏽軸承 鋼的淬火後採用空冷或流動水冷至室溫，並在冷凍機內進行_55°C冷處理20min，最後進行 在_196°C液氮中深冷處理120min。
5.根據權利要求1所述的高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝，其特徵是所述高氮不鏽軸承 鋼的回火在回火油爐中進行，控溫精度為士 1°C。
全文摘要
本發明公開的高氮不鏽軸承鋼熱處理工藝包括以下步驟一次預熱溫度650±10℃，保溫25～35min；二次預熱溫度850±10℃，保溫20～45min；淬火溫度1060±10℃，保溫50～60min；淬火後冷至室溫半小時內應立即進行冷處理，冷處理溫度-196±5℃，2～3h，2次；冷處理後升至室溫後立即進行回火，回火溫度160±5℃，4～4.5h，2次。本發明在大量實驗基礎上最終確定的40Cr15Mo2VN高氮不鏽軸承鋼的最佳熱處理工藝，不但有效控制殘餘奧氏體的含量，保證了40Cr15Mo2VN鋼製工件的尺寸穩定性問題，而且解決熱處理的變形問題和裂紋問題。
文檔編號C21D11/00GK101935752SQ20101024799
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月3日 優先權日2010年8月3日
發明者於芸, 仵永剛, 劉匯河, 孫偉, 李昭昆, 焦晶明, 王明傑, 龔建勳 申請人:洛陽Lyc軸承有限公司