一种钢轴承套圈的热处理方法与流程

1.本发明涉及轴承制造技术领域，具体涉及一种钢轴承套圈的热处理方法。


背景技术：

2.统计表明，轴承精度丧失己取代疲劳成为精密轴承工作性能丧失的主要原因，而轴承套圈工作面耐磨性与整体尺寸稳定性降低是导致轴承精度丧失的关键因素。轴承套圈组织状态是决定轴承套圈性能的根本，是影响轴承精度与服役寿命的关键因素，然而耐磨性和尺寸稳定性对轴承基体组织的需求存在明显差异。轴承基体通常以广泛使用的gcr15轴承钢为材料，经历以冷轧环、马氏体淬火和低温回火为代表的成形制造环节，基体组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。从轴承套圈工作面的耐磨性考虑希望在滚道工作面保留大量残余奥氏体(12～16vol.％)且碳化物细小弥散，而从轴承套圈径向整体的尺寸稳定性考虑则希望仅有少量残余奥氏体存在(≤4vol.％)且对碳化物尺寸形貌无特殊要求。传统低温回火作为决定轴承基体组织性能的关键工艺环节，仅能整体性改变轴承基体组织含量却不能调控其分布，无法同时满足耐磨性和尺寸稳定性的组织需求。
3.目前，为了提高gcr15钢精密轴承的精度寿命，通常在低温回火之前补充冷处理或在之后补充稳定化回火。然而传统工艺周期长，综合效果差。通过表面改性可以显著提高了轴承套圈工作面的耐磨性和疲劳寿命，但对控制残余奥氏体含量以提高尺寸稳定性的影响可以忽略不计。此外，与高氮不锈钢带螺纹轴承零件的结构特征、性能要求和零件材料微观组织特性不同，gcr15钢精密轴承套圈壁厚相对较薄(多为12mm以内)，套圈整体硬度变化范围窄(5hrc以内)，在500℃以上回火处理后gcr15轴承钢硬度与耐磨性急剧降低，现有高频感应局部回火工艺无法满足gcr15钢精密轴承组织性能要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种钢轴承套圈的热处理方法，解决现有技术中钢轴承套圈的尺寸稳定性差和冲击韧性较低的技术问题。
5.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
6.s1、将钢轴承套圈淬火处理，升温速度为10～30℃/min，奥氏体化保温温度为870～910℃，保温结束后油冷至室温；
7.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为50～90℃/s，升温至350～400℃；在套圈非工作面的平均加热速度为40～60℃/s，升温至250～350℃，加热后空冷；
8.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理，冷处理的温度范围为-110～-79℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为120～140℃。
9.进一步地，在步骤s1中，所述奥氏体化保温的时间为10-40min。
10.进一步地，在步骤s2中，所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热。
11.进一步地，在步骤s2中，感应加热的时间为4～7s。
12.进一步地，在步骤s2中，所述感应加热方式中感应电源频率为10-60khz。
13.进一步地，在步骤s2中，所述感应加热方式中电流密度为108～109a/m2。
14.进一步地，在步骤s2中，采用纯铜圆制仿形感应器进行所述感应加热。
15.进一步地，在步骤s3中，所述冷处理的时间为30-120min。
16.进一步地，在步骤s3中，所述回火保温处理的时间为60～180min。
17.进一步地，在步骤s1中，所述油冷的温度为60～70℃。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采用较高的奥氏体化温度保证淬火后轴承套圈有足够的高碳含量的残余奥氏体，之后冷却，之后在步骤s2的梯度回火及步骤s3的稳定热处理后具有较高的热稳定性和机械稳定性，同时保证了滚道工作面上无粗大聚集的碳化物；利用感应加热集肤效应和金属固体内高效热传导，在轴承套圈有限壁厚上构建了回火梯度温度场，充分利用gcr15钢回火组织转变随回火加热温度-时间变化的动力学关系，实现了轴承套圈径向上残余奥氏体非同步转变，有效解决了轴承套圈滚道工作面和径向整体对残余奥氏体含量的差异化需求，感应加热为轴承套圈梯度回火提供了整体较快的升温速度，使得回火碳化物更加细小弥散，既为提高滚道工作面耐磨性提供了积极的组织状态，也缩小了梯度回火后轴承套圈径向整体的硬度偏差，稳定热处理改善了轴承套圈的残余应力分布，并进一步提高了残余奥氏体的热稳定性和机械稳定性，本发明能够有效调控轴承套圈残余奥氏体的含量与分布，在降低整体残余奥氏体含量的前提下维持了轴承套圈滚道工作面的高残余奥氏体含量与适当硬度，提高了轴承套圈的滚道耐磨性和径向整体的尺寸稳定性，并最终提高钢轴承套圈的平均寿命和冲击韧性。
具体实施方式
19.本具体实施方式提供了一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
20.s1、将钢轴承套圈在气氛炉进行淬火处理，升温速度为10～30℃/min，奥氏体化保温温度为870～910℃，保温结束后采用60～70℃的油冷至室温；所述奥氏体化保温的时间为10-40min；
21.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为50～90℃/s，升温至350～400℃，在套圈非工作面的平均加热速度为40～60℃/s；升温至250～350℃，加热后空冷；所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热，加热时间为4-7s，进一步地，采用纯铜圆制仿形感应器进行；所述感应加热方式中感应电源频率为10-60khz，电流密度为108～109a/m2；
22.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理30-120min，冷处理的温度范围为-110～-79℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为120～140℃，时间为60～180min。
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.需要说明的是，下述实施例或者对比例中的钢轴承套圈为gcr15钢轴承套圈，gcr15钢轴承套圈，按照质量百分比计算，包括c 0.95～1.05％；cr1.40～1.65％；si 0.15
～0.35％；mn0.25～0.45％，下述实施例中的gcr15钢轴承套圈，按照质量百分比计算，包括c 1.05％；cr1.55％；si 0.35％；mn0.4％。
25.实施例1
26.本实施例提出一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
27.s1、将钢轴承套圈在气氛炉进行淬火处理，升温速度为10℃/min，钢轴承套圈的厚度为9.2mm，奥氏体化保温温度为890℃，保温时间为27min，保温结束后立刻采用70℃的油冷至室温；淬火后钢轴承套圈的整体残余奥氏体含量为18vol.％；
28.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为80℃/s，升温至373.4℃，在套圈非工作面的平均加热速度为58℃/s，升温至313.1℃，加热后空冷；所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热，加热时间为4.5s，进一步地，采用纯铜圆制仿形感应器进行；所述感应加热方式中感应电源频率为50khz，电流密度为3.8
×
108a/m2；
29.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理80min，冷处理的温度为-79℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为140℃，时间为90min。
30.实施例2
31.本实施例提出一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
32.s1、将钢轴承套圈在气氛炉进行淬火处理，升温速度为20℃/min，钢轴承套圈的厚度为9.2mm，奥氏体化保温温度为870℃，保温时间为35min，保温结束后立刻采用65℃的油冷至室温；淬火后钢轴承套圈的整体残余奥氏体含量为19.1vol.％；
33.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为90℃/s，升温至375.7℃，在套圈非工作面的平均加热速度为60℃/s，升温至250.7℃，加热后空冷；所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热，加热时间为4s，进一步地，采用纯铜圆制仿形感应器进行；所述感应加热方式中感应电源频率为60khz，电流密度为8
×
108a/m2；
34.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理120min，冷处理的温度为-105℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为120℃，时间为180min。
35.实施例3
36.本实施例提出一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
37.s1、将钢轴承套圈在气氛炉进行淬火处理，升温速度为30℃/min，钢轴承套圈的厚度为9.2mm，奥氏体化保温温度为910℃，保温时间为10min，保温结束后立刻采用60℃的油冷至室温；淬火后钢轴承套圈的整体残余奥氏体含量为17.8vol.％；
38.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为50℃/s，升温至360.4℃，在套圈非工作面的平均加热速度为49℃/s，升温至298.2℃，加热后空冷；所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热，加热时间为7s，进一步地，采用纯铜圆制仿形感应器进行；所述感应加热方式中感应电源频率为20khz，电流密度为1
×
108a/m2；
39.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理30min，冷处理的温度为-90℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为140℃，时间为60min。
40.实施例4
41.本实施例提出一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
42.s1、将钢轴承套圈在气氛炉进行淬火处理，升温速度为30℃/min，钢轴承套圈的厚度为9.2mm，奥氏体化保温温度为900℃，保温时间为40min，保温结束后立刻采用70℃的油冷至室温；淬火后钢轴承套圈的整体残余奥氏体含量为18.6vol.％；
43.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为60℃/s，升温至372.5℃，在套圈非工作面的平均加热速度为55℃/s，升温至340.6℃，加热后空冷；所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热，加热时间为6s，进一步地，采用纯铜圆制仿形感应器进行；所述感应加热方式中感应电源频率为45khz，电流密度为1
×
109a/m2；
44.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理60min，冷处理的温度为-85℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为125℃，时间为80min。
45.实施例5
46.本实施例提出一种钢轴承套圈的热处理方法，包括以下步骤：
47.s1、将钢轴承套圈在气氛炉进行淬火处理，升温速度为15℃/min，钢轴承套圈的厚度为9.2mm，奥氏体化保温温度为880℃，保温时间为10min，保温结束后立刻采用70℃的油冷至室温；淬火后钢轴承套圈的整体残余奥氏体含量为17.4vol.％；
48.s2、将步骤s1处理后的钢轴承套圈进行梯度回火热处理，控制梯度回火温度场在滚道工作面的平均加热速度为70℃/s，升温至397.1℃，在套圈非工作面的平均加热速度为50℃/s，升温至283.8℃，加热后空冷；所述梯度回火热处理的加热方式为感应加热，加热时间为5.5s，进一步地，采用纯铜圆制仿形感应器进行；所述感应加热方式中感应电源频率为50khz，电流密度为5
×
108a/m2；
49.s3、对步骤s2处理后的钢轴承套圈进行冷处理30min，冷处理的温度为-90℃，之后对冷处理的轴承套圈进行回火保温处理，回火保温处理的温度为130℃，时间为100min。
50.对比例1
51.本对比例的热处理方法与实施例1的区别仅在于：在步骤s1和步骤s2之间还包括冷处理，具体地，将步骤s1处理后的钢轴承套圈在-198℃下保温24h，之后进入步骤s2。
52.对比例2
53.本对比例的热处理方法与实施例1的区别仅在于：在步骤s1和步骤s2之间还包括低温回火处理，具体地，将步骤s1处理后的钢轴承套圈在回火温度180℃下，回火处理2h，之后进入步骤s2。
54.将上述实施例1-5及对比例1-2所获得的轴承套圈的残余奥氏体含量、硬度、尺寸稳定性等在相同测试条件下的结果如表1所示。其中，尺寸稳定性测试条件为将轴承套圈至110℃恒温环境中等温400h后测量轴承套圈等效直径变化率。平均寿命为达到疲劳为止的应力循环次数的平局值。室温冲击韧性采用非标无缺口矩形试样。
55.表1实施例1-5及对比例1-2所获得轴承套圈的组织性能比较
[0056][0057]
可见，对比例1和对比例2通过降低轴承基体整体的残余奥氏体含量以提高尺寸稳定性和硬度，未能充分发挥残余奥氏体对耐磨性能和疲劳寿命的积极作用，可能造成轴承套圈冲击韧性偏低等问题，削弱了gcr15轴承钢的潜力。本发明能够有效调控轴承套圈残余奥氏体的含量与分布，在降低整体残余奥氏体含量的前提下维持了轴承套圈滚道工作面的高残余奥氏体含量与适当硬度，提高了轴承套圈的滚道耐磨性和径向整体的尺寸稳定性，并最终提高精密轴承的精度保持性。
[0058]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。