高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理方法技术

一种高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理方法，属于轴承钢热处理技术领域。工艺包括：高碳轴承钢GCr15的球化热处理工艺、调质热处理工艺、表面感应热处理工艺以及最终回火热处理工艺。优点在于，通过复合热处理可以获得心部硬度≥40HRC和韧性Aku≥40J，同时复合处理后表面硬度≥65HRC和4.5GPa赫兹应力下室温接触疲劳寿命L10≥1x108次；不仅可以在GCr15钢使用提高性能，而且可以在GCr18Mo、440C和M50等轴承钢使用。440C和M50等轴承钢使用。440C和M50等轴承钢使用。

【技术实现步骤摘要】
高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理方法


[0001]本专利技术属于轴承钢热处理
，特别是提供了一种高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理方法。通过调质处理获得心部40HRC硬度和50J冲击韧性，在此基础上进行表面感应处理获得表面淬硬深度不低于1.0mm和表面硬度不低于65HRC，从而实现了一种心部强韧和表面超硬化的复合热处理工艺技术。经过该复合处理的高碳轴承钢，不但可以替代价格昂贵的渗碳轴承钢材料制造高冲击载荷下轴承，降低轴承制造成本，同时可以替代中碳感应轴承钢，大幅提升轴承的抗疲劳性能，延长轴承使用寿命。

技术介绍

[0002]传统轴承钢分为以GCr15为主的高碳轴承钢、以G20CrNi2Mo为代表的渗碳轴承钢、以42CrMo为主的中碳轴承钢、以440C为代表的不锈轴承钢、以M50为代表的高温轴承钢以及以GH05为代表的的无磁轴承钢。其中GCr15量大面广，成本最低和工艺性能最好。渗碳轴承钢则具有较高韧性和表面渗碳后的表面高硬度与心部高韧性。同时中碳轴承钢则是通过调质处理和表面感应相结合获得心部强韧和表面高硬度的复合热处理，以满足轴承承受冲击载荷和交变载荷下的抗疲劳要求。
[0003]相较于传统渗碳轴承G20CrNi2Mo需要长时间高温渗碳处理大幅度增加了轴承制造成本，中碳轴承钢42CrMo中缺乏提供耐磨的碳化物组织导致的疲劳寿命不足等缺点，高碳轴承钢GCr15的表面硬化通过整体淬硬货表面感应就可以获得很高的表面硬度，实现长寿命轴承对轴承表面高硬度要求。同时相较于渗碳轴承钢G20CrNi2Mo通过低碳合金化实现心部强韧化和中碳轴承钢42Cr通过调质处理实现心部强韧性，高碳轴承钢也可以通过球化处理后的调质处理获得心部强韧性。另外从原材料成本的角度，渗碳轴承钢和中碳轴承钢含有较高的合金元素，导致材料成本高于以碳为主要合金元素的高碳轴承钢。因此开发以GCr15为主的高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理工艺具有很重要的应用前景和重大的理论意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理方法，通过球化退火与调质处理相结合实现轴承钢的心部韧性Aku≥40J和硬度≥35HRC；通过最终的表面感应热处理和低温回火处理相结合获得硬化层深度≥1.0mm和表面硬度≥65HRC的表面高硬度。以上心部强韧化和表面高硬化的复合热处理工艺，可以替代价格昂贵的渗碳轴承钢及其渗碳热处理工艺，也代替耐磨性能不足和抗疲劳寿命不择的中碳轴承钢，制造出抗冲击、抗耐磨和长寿命的高端轴承。
[0005]本专利技术采用普通高碳轴承钢GCr15为原材料，通过四步组织性能调控热处理，实现了大幅提升高碳轴承钢心部强韧性和表面耐磨与疲劳性能的预期效果。
[0006]高碳轴承钢的复合钢热处理技术思路，即高碳轴承钢GCr15的球化热处理工艺、调质热处理工艺、表面感应热处理工艺以及最终回火热处理工艺技术思路。具体各步热处理
的作用及工艺如下：
[0007](1)球化热处理：球化退火是本专利技术高碳轴承钢复合热处理工艺中的组织预处理的关键工艺。高碳轴承钢的碳含量超过共析点，一方面导致网状碳化物出现，另一方面导致马氏体基体中出现超过共析点碳含量，降低马氏体基体韧性。因此高碳轴承钢需要通过球化处理，实现碳化物的球化和均匀化。具体球化工艺为780
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820℃保温1
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12小时后缓慢冷却到680
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720℃保温1
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12小时，最后空冷到室温，形成高碳轴承钢的球化退火组织。
[0008](2)调质热处理：调质处理是本专利的获得心部高强韧的关键热处理步骤之一。主要通过调质处理获得高韧性的基体组织。通过对球化退火高碳轴承钢在820
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860℃保温10
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60分钟后油淬形成马氏体基体上分布球形碳化物。然后将该马氏体组织高碳轴承钢加热到500
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700℃保温0.5
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3小时并空冷至室温，进行调质处理，获得回火马氏体基体加球状碳化物的复合组织。
[0009](3)感应热处理：表面感应热处理是继调质热处理后的实现表面高硬度的关键热处理，保证了高碳轴承钢淬硬层厚度分1.0mm。具体工艺为通过采用感应淬火频率为5
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25kHz和功率30
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90kW电源，通过调整感应时间5
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20秒和通过喷水冷却等表面感应处理，实现淬硬层深度不低于1mm。
[0010](4)回火热处理:回火是本专利技术保证表面感应组织稳定性的重要热处理。通过将表面感应后的高碳轴承钢加热到120
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200℃保温1
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3小时后空冷，获得表面硬度进一步提升，保正高碳轴承钢表面硬度不低于65HRC。
[0011]复合热处理技术处理后的强韧性与高疲劳寿命：通过复合热处理可以获得心部硬度≥40HRC和韧性Aku≥40J，同时复合处理后表面硬度≥65HRC和4.5GPa赫兹应力下室温接触疲劳寿命L10≥1x108次。
[0012]复合热处理工艺，不仅可以在GCr15钢使用提高性能，而且可以在GCr18Mo、440C和M50等轴承钢使用。
[0013]本专利技术在高碳轴承钢GCr15化学成分的基础上，采用球化热处理、调质热处理、感应热处理和回火热处理相结合，大幅度提升了高碳轴承钢心部强韧性能和表面超硬化能力。该技术使得高碳轴承钢不仅可以替代渗碳轴承钢和中碳轴承钢，制造冲击载荷下的轴承，实现轴承的低成本化和高性能化，也为高碳轴承钢提供了一种低成本但更高性能的热处理工艺技术。
附图说明
[0014]图1为GCr15复合处理工艺下的微观组织结构扫描电镜结果图。为高碳轴承钢GCr15传统热处理工艺下，即840℃保温30分钟后水冷到室温，然后170℃回火2小时后的微观组织结构。可以看出明显较为粗大的原始奥氏体晶界和球状碳化组织结构。
[0015]图2为经过传统热处理工艺即球化退火+840℃淬火+不同温度回火GCr15的硬度与韧性关系以及经过本专利技术复杂热处理工艺即球化退火+调质处理+860℃淬火+不同温度回火后GCr15的硬度与韧性关系图。高碳轴承钢GCr15在本专利技术复合热处理后的较为细小的原始奥氏体组织以及细小的碳化物组织结构。说明相较于传统热处理，本专利技术复合热处理技术可以细化原始奥氏体组织和球化后的碳化物尺寸。
[0016]图3为图3GCr15传统处理工艺下的微观组织结构扫描电镜结果图。高碳轴承钢
GCr15在本专利技术复合热处理工艺与传统热处理工艺处理后硬度与冲击韧性之间关系对比。可以看出随着调质处理后硬度降低，轴承钢的韧性大幅度提升。这为本专利技术轴承钢心部强韧性调控奠定了基础。同时相对于传统热处理，本专利技术复合热处理可以在相同硬度下获得更高韧性。当调质后硬度约40HRC时，冲击韧性Aku提升到了40J以上，可以满足冲击载荷下轴承的安全性与运行稳定性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高碳轴承钢心部强韧化和表面超硬化的复合热处理方法，其特征在于，具体工艺及控制的技术参数如下：(1)球化热处理具体球化工艺为780
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820℃保温1
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12小时后缓慢冷却到680
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720℃保温1
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12小时，最后空冷到室温，形成高碳轴承钢的球化退火组织；(2)调质热处理：820
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860℃保温10
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60分钟后油淬形成马氏体基体上分布球形碳化物，然后加热到500
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700℃保温0.5
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3小时并空冷至室温获得回火马氏体基体加球状碳化物的复合组织；(3)感应热处理：采用感应淬火频率为5
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25kHz和功率30<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹文全，徐海峰，俞峰，王存宇，王辉，许达，梁剑雄，
申请(专利权)人：钢铁研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：