一种高碳铬轴承钢长寿命双细化热处理工艺

摘要

一种高碳铬轴承钢长寿命双细化热处理工艺，属于材料热处理技术领域。步骤：热处理材料为高碳铬轴承钢GCr15，球化退火热处理，第一次淬火热处理，第一次回火热处理，第二次淬火热处理，第三次淬火热处理，第二次回火热处理。优点在于，经上述热处理后高碳铬轴承钢GCr15可获得晶粒度≤10级的基体组织和最大颗粒尺寸≤2μm的残留碳化物，接触疲劳寿命L10≥5×107次。

说明书

技术领域

本发明属于材料热处理技术领域，特别是涉及一种高碳铬轴承钢长 寿命双细化热处理工艺。

背景技术

高碳铬轴承钢GCr15广泛应用于各类机械装备用滚动轴承的内外套 圈及滚动体等零部件中，其冶金质量和热处理后性能的优劣，直接决定 轴承乃至主机的使用性能、寿命及可靠性等。随着高端制造业的发展， 包括高速精密机床主轴轴承、风力发电机主轴轴承、高速铁路轴箱轴承 等均要求超长的使用寿命和高的可靠性，这就要求所用的高碳铬轴承钢 要具有10⁷次以上的超长接触疲劳寿命。

目前，采用真空脱气工艺生产的高碳铬轴承钢GCr15经常规的淬回 火热处理后，4.5GPa高应力载荷下的接触疲劳额定疲劳寿命L₁₀通常在0.5>6次～1.0×10⁷的水平，无法满足高端装备10⁷次以上的超长寿命使用>10在10⁷次以下时，是以>10达到10⁷次以上超长寿命阶段，钢中的残留碳化物和基体组织则起到决定性的作>

国内外在提高高碳铬轴承钢GCr15的纯净度，控制非金属夹杂物方 面开展了大量的研究工作。同时也研究通过二次淬火和表面喷丸处理等 细化高碳铬轴承钢的晶粒度，提高其疲劳寿命的方法。但是通过同时细 化高碳铬轴承钢的晶粒度和残留碳化物，从而提高其疲劳寿命的方法则 未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高碳铬轴承钢长寿命双细化热处理工艺， 使高碳铬轴承钢GCr15能够在4.5GPa高应力载荷下的接触疲劳额定疲劳 寿命L₁₀达到1.0×10⁷次以上。

本发明提供双细化热处理工艺，即同时细化晶粒和残留碳化物，从 而获得超长的接触疲劳寿命。具体步骤及控制的技术参数如下：

热处理材料：高碳铬轴承钢GCr15，满足GB/T18254-2016标准要求。

球化退火热处理：将高碳铬轴承钢GCr15钢材，放入退火炉中加热 到790～810℃，保温时间2～4小时，以15℃/h降低到745℃，再以5℃/h降 低到680℃后空冷。

第一次淬火热处理：将球化退火的高碳铬轴承钢GCr15钢制部件， 放入淬火炉中加热到830～850℃，保温时间30～60分钟，然后进入30～80℃ 油中淬火。

第一次回火热处理：将第一次淬火后的部件，放入回火炉中加热到 160～180℃，保温时间2～4h回火，回火后空冷。

第二次淬火热处理：将第一次回火后的部件，放入淬火炉中加热到 850～870℃，保温时间30～60分钟，然后进入30～80℃油中淬火。

第三次淬火热处理：将第一二次淬火后的部件清洗干燥后，再次放 入淬火炉中加热到830～850℃，保温时间30～60分钟，然后再进入30～80℃ 油中淬火。

第二次回火热处理：将第三次淬火后的部件，放入回火炉中加热到 160～180℃，保温时间2～4h回火，回火后空冷。

经上述热处理后高碳铬轴承钢GCr15可获得晶粒度≤10级的基体组 织和最大颗粒尺寸≤2μm的残留碳化物，接触疲劳寿命L₁₀≥5×10⁷次。

本发明的优点在于，通过多次淬回火热处理工艺使高碳铬轴承钢的 组织晶粒度和残留碳化物颗粒尺寸进行双细化，使高碳铬轴承钢具有超 长接触疲劳寿命和高可靠性。

附图说明

图1为双细化淬回火热处理工艺曲线图。

图2为传统淬回火热处理工艺曲线图。

图3为热处理后晶粒度照片图(双细化热处理)。

图4为热处理后晶粒度照片图(传统热处理)。

图5为热处理后晶粒度残留碳化物照片图(双细化热处理)。

图6为热处理后晶粒度残留碳化物照片图(传统热处理)。

图7为接触疲劳寿命P-N曲线图。

具体实施方式

具体实施所用的高碳铬轴承钢GCr15的化学成分见表1。

首先将GCr15钢材进行球化退火，加热温度805℃，保温3h，以15℃ /h降低到745℃，再以5℃/h降低到680℃后空冷。将球化退火后的棒材加 工成φ52mm(外园)×φ20mm(内园)×5mm(高度)的推力片试样。 选取20个GCr15推力片试样进行双细化热处理。

首先将球化退火的GCr15推力片试样，放入淬火炉中加热到840℃， 保温时间30分钟，然后进入30℃油中，进行第一次淬火热处理；再将第 一次淬火后的试样，放入回火炉中加热到170℃，保温时间3h后空冷，进 行第一次回火热处理；再将第一次回火后的试样，放入淬火炉中加热到 860℃，保温时间30分钟，然后进入30℃油中，进行第二次淬火热处理；再将第二次淬火后的试样清洗干燥后，再次放入淬火炉中加热到840℃， 保温时间30分钟，然后再进入30℃油中进行第三次淬火热处理；最后将 第三次淬火后的试样，放入回火炉中加热到170℃，保温时间3h空冷，进 行第二次回火。具体工艺见图1。

另取20个GCr15推力片试样按照GCr15常规淬回火热处理工艺进行 处理，具体工艺见图2。两种热处理工艺处理后的试样经磨削加工后进行 接触疲劳试验。接触疲劳试验条件：最大接触应力4.5GPa、试验机转速 1500rpm、试验温度25℃、润滑介质4010润滑油、试验钢球GCr15。

高碳铬轴承钢GCr15经双细化热处理后的晶粒度为10级，典型金相照 片见图3(a)。经传统热处理后的晶粒度为8级，典型的金相照片见见图4(b)。双细化热处理使高碳铬轴承钢GCr15的晶粒度明显的细化。

高碳铬轴承钢GCr15经双细化热处理后的残留碳化物最大颗粒尺寸 为1.56μm，每平方微米碳化物的个数为0.046个，典型扫描电镜照片见 图5(a)。经传统热处理后的碳化物最大颗粒尺寸为2.68μm，同时存在 粘连碳化物，最大尺寸达到5μm以上，每平方微米碳化物的个数为0.375 个，典型扫描电镜照片见图6(b)。双细化热处理使高碳铬轴承钢GCr15的残留碳化物颗粒尺寸明显细化，数量也明显的减少。

高碳铬轴承钢GCr15热处理后的接触疲劳寿命试验结果见表2和图5。 试验表明：经双细化热处理后的接触疲劳额定寿命L₁₀达到5.90×10⁷次，>50达到12.65×10⁷次，斜率参数为2.47。经传统热处理后的接触>10为1.07×10⁷次，中值寿命L₅₀为3.34×10⁷次，斜率参数为>10和L₅₀分别约是传统热处>

表1试验钢的化学成分/重量％，余量Fe

表2热处理后的接触疲劳寿命