一种中碳轴承钢贝氏体等温淬火热处理工艺方法

摘要

本发明涉及一种中碳轴承钢贝氏体等温淬火热处理工艺，首先要进行正火处理，得到片状珠光体组织，然后进行球化退火处理，得到细小均匀的球化组织，球化退火后的钢件进行贝氏体等温淬火和低温回火处理。采用该工艺方法处理后的轴承具有高硬度、高耐冲击韧性、高耐磨性和长疲劳寿命，较好地满足了耐冲击、重载荷的冶金矿山、石油等轴承性能需要，具有较好的经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于耐冲击、重载荷工况的中碳轴承钢热处理工艺，具体涉及一种 中碳轴承钢贝氏体等温淬火热处理工艺方法。

背景技术

目前国内生产制造耐冲击、重载荷的轴承大多采用两种制造工艺，一种是采用 GCr18Mo、GCr15、GCr15SiMn等高碳铬轴承钢并经常规马氏体淬火工艺，最终获得金相 组织为回火马氏体和均匀分布的细粒状碳化物。由于马氏体组织硬且脆，所以热处理后轴 承虽具有高的硬度，但韧牲不足。另一种是采用G20Cr2Ni4A渗碳钢等经渗碳、淬火加低 温回火，表层坚硬耐磨，心部保持高强韧性。不足之处是热处理工艺复杂，时间长(几十 小时到百小时以上)、成本高，有时会因渗碳控制不当或使用过程中受到冲击出现渗层剥落， 影响使用寿命。

从目前普遍采用的钢种和热处理工艺看，存在着工艺复杂，生产周期长、成本能耗高 或综合性能不理想等不同问题。

CN 100587099C公开了一种中碳轴承钢及其制造方法，该发明钢化学成分范围按重量 百分比计为：C 0.50～1.0％、Si 0.60～1.50％、Mn 0.50～1.20％、Mo 0.15～1.0％、V 0.15～1.0％、 Cr、Ni≤0.30％、Cu≤0.15％、S≤0.025％、P≤0.025％、B 0.0005～0.0035％、[O]≤0.0015％、 [H]≤0.0002％，余为Fe和不可避免的杂质。

CN102108433A公开了一种轴承钢淬火的方法，本方法的步骤为：(1)淬火加热温度： 830～880℃，(2)保温时间：根据工件壁厚每100mm，保温0.6～1.5h；(3)淬火冷却方式是 淬火油或盐浴，并进行搅拌，确保工件以大于临界冷却速度的冷速冷到Ms点与Mf点之间 某一温度Md，Md为150～250℃，并等温1～120min，在工件心部冷到Md温度后，将工件 转入到热油或盐浴内加热到下贝氏体转变温度180～280℃，并等温4～12h。

CN1287183公开了一种适用于大载荷、重冲击工况下的轴承钢，其特征是它的热处理 工艺：为如轴承钢零件车加工后，采取直接高温淬火工艺，则车加工前的轴承钢，要对零 件先进行球化退火，得到球状珠光体组织；球化退火工艺为：将钢件加热到730℃±10℃后 进行保温，保温时间根据装炉量多少控制在6-8小时，然后以10-15℃/小时炉内冷却至550℃ 后出炉空冷；球化退火后的零件进行车加工后，直接进行淬火和回火处理；直接淬火工艺 为：将轴承零件加热到845℃～875℃±10℃保温，保温时间按有效壁厚1.0-1.3min/mm控制， 保温时间到后。将轴承零件进行淬火(快速油)；淬火后轴承零件进行油回火，回火温度为 170℃～200℃，回火时间按零件有效厚度控制在3～5小时，出炉后空冷。

CN102108433A发明是关于高碳铬轴承钢的马贝复合组织淬火方法，该发明限于高碳 铬轴承钢。CN1287183发明是一种适用于大载荷、重冲击工况下的轴承钢的热处理工艺方 法，具体是钢件先进行调质热处理，再进行表面高频淬火处理，钢件的疲劳寿命不及渗碳 轴承钢。

本发明就是以CN 100587099C发明钢为基础，进一步开展的关于该发明钢的热处理工 艺方法，具体是贝氏体等温淬火热处理工艺方法。

发明内容

本发明目的是提供一种中碳轴承钢的贝氏体等温淬火热处理工艺方法，使其等温淬火 后得到下贝氏体与马氏体复合组织，并具有高的硬度、耐磨性、良好的强韧性及较好的疲 劳寿命。

为达到上述目的，本发明提供一种中碳轴承钢贝氏体等温淬火热处理工艺方法，轴承 零件采用贝氏体等温淬火工艺，首先要进行正火处理，得到片状珠光体组织，然后进行球 化退火处理，得到细小均匀的球化组织，球化退火后的钢件进行贝氏体等温淬火和低温回 火处理。

球化退火主要为了改变钢的组织，为最终热处理做组织准备；同时降低硬度，改 善钢材切削性能及加工塑性。

本发明所述的适用于耐冲击、重载荷的中碳轴承钢，其组成按质量百分数为：C 0.50～1.0％、Si 0.60～1.50％、Mn 0.50～1.20％、Mo 0.15～1.0％、V 0.15～1.0％、Cr、Ni≤0.30％、 Cu≤0.15％、S≤0.025％、P≤0.025％、B 0.0005～0.0035％、[O]≤0.0015％、[H]≤0.0002％， 余为Fe和不可避免的杂质。

优选的，

正火工艺为：将钢件加热到860～890℃后保温20～40min，出炉空冷；

球化退火工艺为：将钢件加热到750～780℃，保温4～6小时，随炉冷到600℃后空冷。

贝氏体等温淬火工艺为：将轴承零件加热到920～940℃保温，保温时间按有效壁厚 1.0～1.3min/mm控制；保温时间到后，将零件在260～270℃在等温淬火介质中进行等温淬火， 等温时间20～30min；等温淬火介质为KNO₃+NaNO₂，KNO₃+NaNO₂比例为1∶1.1～1∶1.3； KNO₃+NaNO₂在中高温有较强的冷却能力，作为本次试验的淬火介质。

等温淬火后进行低温回火，回火温度为190～210℃，回火时间按零件有效壁厚控制在 2～4h，出炉后冷却。

本发明通过在一定范围内调整热处理温度和保温时间，以及淬火介质配比，能够处理 轴承零件的最大尺寸(有效壁厚)为40mm。

本发明的有益效果：

1、采用本发明工艺，一种中碳轴承钢可获得下贝氏体/马氏体混合组织；最优的综合 性能：硬度≥56HRC，冲击韧度αk≥40J/cm²，耐磨性能良好。

2、所述中碳轴承钢贝氏体等温淬火后接触疲劳寿命和渗碳轴承钢水平基本相当，具体 见附表1、图2。目前，适用于耐冲击、重载荷工况的轴承广泛采用是渗碳轴承钢材料，并 经渗碳、淬火加低温回火，渗碳热处理后表层坚硬耐磨，心部保持高强韧性，具有高的接 触疲劳寿命；CN 100587099C发明钢制造成本约是渗碳轴承钢材料制造成本的1/2；并且由 于渗碳热处理工艺复杂，时间长(几十小时到百小时以上)，本发明的贝氏体等温淬火热处 理工艺成本约为渗碳热处理工艺成本的1/3；因此所述中碳轴承钢贝氏体等温淬火后接触疲 劳寿命和渗碳轴承钢水平基本相当，使得在更多的耐冲击、重载荷工况的轴承制造成本降 低和寿命提高，在例如国外引进轧钢机的轴承配套领域替代了进口轴承配件，促进了配件 的国产化。

附图说明

图1为优选的一种中碳轴承钢贝氏体等温淬火工艺示意图。

图2为一种中碳轴承钢贝氏体等温淬火后的接触疲劳寿命P-N曲线。其中，横坐标为疲 劳寿命N，即在一定的接触应力下，试样产生疲劳剥落时的循环次数；纵坐标表示在该循 环次数下的破坏概率P(N)_s。

图3、4、5分别为实施例1、2、3形成的金相组织。

具体实施方式

以下以具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

轴承壁厚40mm。贝氏体等温淬火工艺，包括以下工序：

下料后的轴承钢，首先进行锻造，在车底式燃气炉中加热，加热温度1140～1160℃， 保温时间0.3～0.8min/mm，始锻温度在1090～1110℃，终锻温度控制在890～910℃。锻后进 行正火+球化退火；正火温度为860～890℃，保温20～40min，出炉空冷，形成片状珠光体 组织；正火后进行球化退火，球化退火温度750～780℃，保温4～6小时，随炉冷到600℃ 后空冷，形成细小均匀的球化组织。球化退火后的钢件进行贝氏体等温淬火和低温回火处 理；贝氏体等温淬火工艺为：将轴承零件加热到920～940℃保温，保温时间按有效壁厚 1.0～1.3min/mm控制；保温时间到后，将零件在260℃进行等温淬火，采用淬火介质 KNO₃+NaNO₂比例为1∶1.15，等温时间为30min；等温淬火后进行回火，回火温度为190℃， 回火时间4h，出炉后冷却，最后形成下贝氏体/马氏体混合组织，金相组织见附图3。

实施例2：

轴承壁厚30mm。贝氏体等温淬火工艺，包括以下工序：

下料后的轴承钢，首先进行锻造，在车底式燃气炉中加热，加热温度1140～1160℃， 保温时间0.3～0.7min/mm，始锻温度在1090～1110℃，终锻温度控制在890～910℃。锻后进 行正火+球化退火；正火温度为860～890℃，保温20～40min，出炉空冷，形成片状珠光体 组织；正火后进行球化退火，球化退火温度750～780℃，保温4～6小时，随炉冷到600℃ 后空冷，形成细小均匀的球化组织。球化退火后的钢件进行贝氏体等温淬火和低温回火处 理；贝氏体等温淬火工艺为：将轴承零件加热到920～940℃保温，保温时间按有效壁厚 1.0～1.3min/mm控制；保温时间到后，将零件在260℃进行等温淬火，采用淬火介质 KNO₃+NaNO₂比例为1∶1.2，等温时间为25min；等温淬火后进行回火，回火温度为190℃， 回火时间3h，出炉后冷却，最后形成下贝氏体/马氏体混合组织，金相组织见附图4。

实施例3

轴承壁厚20mm。贝氏体等温淬火工艺，包括以下工序：

下料后的轴承钢，首先进行锻造，在车底式燃气炉中加热，加热温度1140～1160℃， 保温时间0.3～0.6min/mm，始锻温度在1090～1110℃，终锻温度控制在890～910℃。锻后进 行正火+球化退火；正火温度为860～890℃，保温20～40min，出炉空冷，形成片状珠光体 组织；正火后进行球化退火，球化退火温度750～780℃，保温4～6小时，随炉冷到600℃ 后空冷，形成细小均匀的球化组织。球化退火后的钢件进行贝氏体等温淬火和低温回火处 理；贝氏体等温淬火工艺为：将轴承零件加热到920～940℃保温，保温时间按有效壁厚 1.0～1.3min/mm控制；保温时间到后，将零件在270℃进行等温淬火，采用淬火介质 KNO₃+NaNO₂比例为1∶1.3，等温时间为20min；等温淬火后进行回火，回火温度为200℃， 回火时间2h，出炉后冷却，最后形成下贝氏体/马氏体混合组织，金相组织见附图5。

实施例1～3的性能见表1和表2。

表1采用本发明工艺轴承接触疲劳寿命结果

表2贝氏体等温淬火后的力学性能