一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法

摘要

本发明公开了一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法，包括如下步骤：S1、将轴承基体加热至Acm以上某一温度进行奥氏体化；S2、待奥氏体化结束后，进行马氏体淬火或者贝氏体等温淬火；S3、待淬火结束后，迅速将轴承基体置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器对轴承基体进行脉冲电流处理，使淬火后轴承基体内残留的块状残余奥氏体继续形核生产细小的片状马氏体组织；S4、最后将轴承基体进行常规回火热处理。本发明能够通过细化高碳铬钢轴承基体组织显著地提升其强韧性，而且易于实施，绿色无污染，具有显著的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法。

背景技术

轴承是各类重大机械设备的支撑零部件，直接决定着整个装备制造业的发展水平。轴承的基本结构由轴承基体(包含内圈和外圈)、滚动体和保持架组成，其中，轴承基体是滚动轴承主动承载和最容易失效的核心组件。提升轴承的性能和寿命，其技术核心在于改善轴承基体的组织状态。

高碳铬轴承钢由于其良好的淬透性和综合力学性能，使得其成为目前应用最为广泛的轴承基体材料。目前，高碳铬轴承钢的最终热处理以常规淬回火为主，热处理后可以获得高碳马氏体、残余奥氏体和碳化物的复相组织，这种组织虽然能够使轴承基体具备高强度和高硬度，但是在当前更加严苛和复杂的服役工况条件下，其强韧性匹配已不能满足精度轴承的服役需求。

为了解决轴承基体韧性差的问题，申请号为201810117501的中国发明专利申请公开了一种提高M50轴承基体强韧性和尺寸稳定性的成形制造方法，它将贝氏体等温淬火与冷处理相结合，起到提高轴承基体强韧性的效果。该方法虽然能使轴承材料的基体有所提升，但其提升效果有限甚至已达到瓶颈，无法实现轴承性能和寿命的大幅度改进。在上述背景下，亟需开发新技术来实现轴承基体材料组织的优化，从而达到提升轴承性能和寿命的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法，它将热处理温度场和电场相结合，合理匹配热处理温度场和电场的工艺条件，实现轴承基体组织的细化及强韧性的提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法，包括以下步骤：

S1、将轴承基体加热至Acm以上某一温度进行奥氏体化；

S2、待奥氏体化结束后，对轴承基体进行马氏体淬火或者贝氏体等温淬火；

S3、待淬火结束后，迅速将轴承基体置于一脉冲电流发生器内，启动脉冲电流发生器对轴承基体进行脉冲电流处理，使淬火后轴承基体内残留的块状残余奥氏体继续形核生产细小的片状马氏体组织；

S4、最后将轴承基体进行常规回火热处理。

按上述技术方案，步骤S1中，若为低温轴承基体，则将轴承基体加热至Acm以上20～60℃保温一段时间，进行奥氏体化；

若为高温轴承基体，则先将轴承基体加热至Acm以上30～80℃保温一段时间，进行低温奥氏体化，再将轴承基体继续加热至Acm以上250～350℃保温一段时间，进行高温奥氏体化。

按上述技术方案，步骤S2中，若为低温轴承基体，则将轴承基体冷却至Ms点以下进行马氏体淬火，或者先将轴承基体冷却至Ms以下进行预淬火热处理，再将轴承基体加热至Ms以上，进行贝氏体淬火；

若为高温轴承基体，则将轴承基体冷却至Ms点以下，进行马氏体淬火，或者先将轴承基体快速冷却至Ms点以上20～80℃保温一段时间，进行贝氏体淬火，再将轴承基体冷却至Ms点以下，进行马氏体淬火。

按上述技术方案，步骤S3中，将轴承基体沿周向分为若干个分区，通过脉冲电流发生器对轴承基体每个分区进行多次连续脉冲电流处理，相邻两次连续脉冲电流处理之间的时间间隔为1～60s，单次连续脉冲电流处理参数为：单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s，脉冲电流密度为(0.4～1)j_max，单次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为(0.1～1)N_max，其中，j_max为最大脉冲电流密度，式中c_p、d和ρ分别为轴承基体材料的比热容、密度和电阻率；N_max为最大连续输入脉冲次数，式中D₁和D₂分别为轴承基体的外径和内径。

按上述技术方案，步骤S3中，所述脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承基体的某个分区进行脉冲电流处理前，将轴承基体该分区装夹在两个电极棒之间，并使该分区上下两个端面分别与对应的电极棒接触。

按上述技术方案，步骤S3中，所述轴承基体沿周向均分为8～64个区域。

按上述技术方案，步骤S3中，对轴承基体每个分区均进行2～60次连续脉冲电流处理。

按上述技术方案，步骤S3中，相邻两次连续脉冲电流处理之间的时间间隔为3～30s。

本发明产生的有益效果是：本发明通过将脉冲电场与热处理温度场有机结合，利用脉冲电流的焦耳热效应，在淬火初始组织的基础上进一步形核生产细小的马氏体组织，从而实现轴承基体组织的细化。本发明易于实施，绿色无污染，具有显著的实际应用价值。

具体的，本发明在淬火结束后迅速对轴承基体进行脉冲电流处理，通过采用合理的脉冲电场参数，使轴承基体中产生焦耳热效应，由于在脉冲电流处理作用下轴承基体的升温、降温通常在毫秒时间数量级内完成，因此在这样“急冷急热”的效应下，淬火后残留的块状残余奥氏体继续形核生成了细小的片状马氏体组织，这些细小的片状马氏体硬相组织分割了残余奥氏体基体，使其以薄膜状存在，从而整体细化了轴承基体的组织，使轴承基体在回火后具有更好的强度和韧性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中对轴承基体进行脉冲电流处理的示意图；

图2a为本发明实施例中轴承基体在脉冲电流处理前的组织形貌图；

图2b为本发明实施例中轴承基体在脉冲电流处理后的组织形貌图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法，包括以下步骤：

S1、将轴承基体加热至Acm以上某一温度进行奥氏体化；

S2、待奥氏体化结束后，对轴承基体进行马氏体淬火或者贝氏体等温淬火；

S3、待淬火结束后，迅速将轴承基体置于一脉冲电流发生器内，根据轴承基体内外径尺寸和材料特性，合理设置脉冲电流密度及连续输入电脉冲的次数，启动脉冲电流发生器对轴承基体进行脉冲电流处理，使淬火后轴承基体内残留的块状残余奥氏体继续形核生产细小的片状马氏体组织；

S4、最后将轴承基体进行常规回火热处理。

在本发明的优选实施例中，步骤S1中，若为低温轴承基体，则将轴承基体加热至Acm以上20～60℃(可以是20℃、21℃、22℃、…、60℃)保温一段时间(保温时间一般为20～60min)，进行奥氏体化；

若为高温轴承基体，则先将轴承基体加热至Acm以上30～80℃(可以是30℃、31℃、32℃、…、80℃)保温一段时间(保温时间为20～60min)，进行低温奥氏体化，再将轴承基体继续加热至Acm以上250～350℃(可以是250℃、251℃、252℃、…、350℃)保温一段时间(保温20～60min)，进行高温奥氏体化。

在本发明的优选实施例中，步骤S2中，若为低温轴承基体，则将轴承基体冷却(可直接用油浴冷却)至Ms点以下进行马氏体淬火，或者先将轴承基体冷却至Ms以下进行预淬火热处理，再将轴承基体加热至Ms以上，进行贝氏体淬火(参考申请号为201711394897.0的中国发明专利申请)；

若为高温轴承基体，则将轴承基体冷却(直接用油浴冷却)至Ms点以下，进行马氏体淬火，或者先将轴承基体快速冷却至Ms点以上20～80℃(可以是20℃、21℃、22℃、…、80℃)保温一段时间，进行贝氏体淬火，再将轴承基体冷却至Ms点以下，进行马氏体淬火(参考申请号为201810117501.6的中国发明专利申请)。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，步骤S3中，将轴承基体沿周向分为若干个分区，通过脉冲电流发生器对轴承基体每个分区进行多次连续脉冲电流处理(单次连续脉冲电流处理过程中可能有多个脉冲电流，该多个脉冲电流之间无时间间隔)，相邻两次连续脉冲电流处理之间的时间间隔为1～60s(可以为1s、2s、…、60s)以产生急冷急热的效果，单次连续脉冲电流处理参数为：单个脉冲电流的作用时间t为0.01s～1s(可以为0.01s、0.02s、…、1s)，脉冲电流密度为(0.4～1)j_max，可以是0.4j_max、0.5j_max、…、j_max，单次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为(0.1～1)N_max，可以是0.1N_max、0.2N_max、…、N_max，其中，j_max为最大脉冲电流密度，式中c_p、d和ρ分别为轴承基体材料的比热容、密度和电阻率；N_max为最大连续输入脉冲次数，式中D₁和D₂分别为轴承基体的外径和内径。通过合理设置脉冲电场参数，一方面使轴承环件产生一定的焦耳热，另一方面是产生一定的电子风效应，利用脉冲电流的焦耳热效应和电子风效应，在淬火初始组织的基础上使淬火后轴承基体内残留的块状残余奥氏体继续形核生成细小的片状马氏体组织，以分割残余奥氏体基体，使其以薄膜状存在。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，脉冲电流发生器包括上下相对设置的两个电极棒，当对轴承基体的某个分区进行脉冲电流处理前，将轴承基体该分区装夹在两个电极棒之间，并使该分区上下两个端面分别与对应的电极棒接触。脉冲电流处理的核心是局部高能电场作用在金属材料上，采用电极棒可以保证较高的电流密度，产生高能电场作用，同时，可以保证各分区能被均匀处理。

在本发明的优选实施例中，步骤S3中，轴承基体沿周向均分为8～64个区域，分区的数量与电极棒尺寸、轴承基体的尺寸相关，分区越多，处理效果越好，但相应成本和时间也会增加，故设置合理的分区数量可以保证处理效果，并节约成本。

在本发明的优选实施例中，步骤S3中，对轴承基体每个分区均进行2～60次连续脉冲电流处理。连续脉冲电流处理的次数是依据处理的效果来定的，进行多次处理是为了使整个区域的大部分组织均得到调控(单次处理可能使组织调控不够充分)，从而使整体组织细化。

在本发明的优选实施例中，步骤S3中，相邻两次连续脉冲电流处理之间间隔3～30s。相邻两次连续脉冲电流处理之间需要间隔一定时间，间隔此时间的目的是防止连续脉冲时，焦耳热温升累积过高，导致温度超过相变温度或产生热损伤等等，因此，短时间的间隔能够使环件迅速冷却，保持在低温区进行脉冲电流处理。间隔时间内，环件能快速冷却，同时快速的冷却过程中能够保证残奥快速发生马氏体相变，细化基体组织。间隔时间的长短只是取决于对环件温度的控制，而间歇性的冷却过程对于细化组织有促进作用。

以下列举两个实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

以GCr15材质某型号轴承基体为例，一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法，按如下步骤实施：

S1、将GCr15轴承基体加热至850℃，并进行保温，保温时间为20min，进行奥氏体化，待奥氏体化保温结束后，直接经过60℃的油浴冷却至Ms点以下，进行马氏体淬火；

S2、待淬火结束后，迅速将轴承基体装夹在脉冲电流发生器两电极棒中间位置，使其上下端面与电极棒完全接触后，在常温下对轴承基体进行脉冲电流处理，将轴承基体沿周向均分为16个区域，迅速对GCr15轴承基体各个区域进行脉冲电流处理，设置脉冲电流密度为8kA/cm²，单个脉冲电流的作用时间为0.02s，一次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为6个，对轴承基体进行脉冲电流处理，待一次连续输入电脉冲结束后，间隙5s后继续对轴承基体同一区域进行下一次连续脉冲电流处理，一共进行30次连续脉冲电流处理，当对每个区域均处理后，即完成对轴承基体的脉冲电流处理；

S3、待试样脉冲电流处理完成后，将GCr15轴承基体在空气炉中加热至160℃进行低温回火，保温2h后冷却至室温。

将实施例1最终得到的轴承基体与传统热处理方法获得的GCr15轴承基体的强韧性进行比较，结果如表1所示：

表1

从表1可看出：相比传统热处理工艺，本发明所获得的GCr15轴承基体硬度略有提升，抗拉强度提升了6％，冲击韧性提升了56％，从而证明了本发明能够通过细化GCr15轴承基体组织显著地提升其强韧性。

实施例2

以M50材质某型号轴承基体为例，一种高碳铬钢轴承基体组织强韧性的复合场调控方法，按如下步骤实施：

S1、将M50轴承基体加热至850℃，并进行保温，保温时间为30min，进行低温奥氏体化；然后将M50轴承基体继续加热至1090℃，并保温20min，进行高温奥氏体化，待奥氏体化保温结束后，直接经过60℃的油浴冷却至Ms点以下，进行马氏体淬火；

S2、待淬火结束后，迅速将轴承基体装夹在脉冲电流发生器两电极棒中间位置，使其上下端面与电极棒完全接触后，在常温下对轴承基体进行脉冲电流处理，将轴承基体沿周向均分为32个区域，迅速对M50轴承基体各个区域进行脉冲电流处理，设置脉冲电流密度为20kA/cm²，单个脉冲电流的作用时间为0.02s，一次连续脉冲电流处理中电脉冲作用的个数为8个，对轴承基体进行脉冲电流处理，待一次连续输入电脉冲结束后，间隙5s后继续对轴承基体同一区域进行下一次连续脉冲电流处理，一共进行60次连续脉冲电流处理，当对每个区域均处理后，即完成对轴承基体的脉冲电流处理；

S3、待试样脉冲电流处理完成后，将M50轴承基体在氮气保护炉中加热至530℃进行高温回火，循环两次。

如图2a、图2b所示，对本实施例中M50轴承基体在脉冲电流处理前后的组织进行分析对比，发现本发明能够显著地细化M50轴承钢的组织。

将实施例2最终得到的轴承基体与传统热处理方法获得的M50轴承基体的强韧性进行比较，结果如表2所示：

表2

从表2可看出：相比传统热处理工艺，本发明所获得的M50轴承基体硬度略有提升，抗拉强度提升了8％，冲击韧性提升了51％，从而证明了本发明方法能够通过细化M50轴承基体组织显著地提升其强韧性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。