一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法技术

本发明专利技术公开了一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理工艺，包括三次淬火、三次回火以及一次补充回火处理。采用本发明专利技术技术方案处理后的轴承钢GCr4Mo4V晶粒度级别达到13级～13.5级，最大颗粒残留碳化物尺寸在1.28μm～1.41μm，残余奥氏体体积分数在1%～1.8%，室温旋转弯曲疲劳极限为1215MPa～1267MPa，实现了高温轴承钢GCr4Mo4V晶粒组织和大颗粒残留碳化物的同时细化，残余奥氏体的体积分数也达到极低的水平，轴承钢的旋转弯曲疲劳强度显著提升。升。升。

【技术实现步骤摘要】
一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法


[0001]本专利技术属于金属材料热处理领域，具体涉及一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法。

技术介绍

[0002]GCr4Mo4V钢是一种基于二次硬化的全淬硬型轴承钢，其凭借良好的淬透性、优异的热硬性以及在120℃～320℃温度范围出色的硬度保持能力，被广泛应用于316℃以下航空发动机主轴轴承的套圈与滚动体，也成为了我国目前航空发动机上用量最大的高温轴承钢。
[0003]轴承钢典型的服役失效形式就是疲劳失效，因此其疲劳特性直接决定了轴承钢的服役寿命。旋转弯曲疲劳试验是最常见的表征金属材料疲劳特性的方式之一，与滚动接触疲劳试验相比，旋转弯曲疲劳试样最终以断裂形式失效，因此可以明确在特定交变载荷作用下试样的循环周次，进而通过统计学计算得到疲劳极限（即疲劳强度），作为轴承钢服役性能改进的参考指标。
[0004]大量研究表明，GCr4Mo4V钢中非金属夹杂物尺寸形貌分布、大颗粒碳化物形貌及尺寸以及晶粒尺寸及均匀性均对疲劳性能有显著影响，其中非金属夹杂物以氧化物夹杂为主，在现有的特种冶金技术条件下，钢液中氧元素可以控制到6ppm以下，先进国家甚至可以达到3ppm～5ppm的水平，因此决定GCr4Mo4V钢疲劳性能的关键在于大颗粒碳化物（主要为一次碳化物）及晶粒尺寸的大小与分布，尤其是大颗粒碳化物对疲劳寿命的影响最为显著。由于GCr4Mo4V合金元素含量高达9%，碳元素含量0.8%左右，在凝固结晶过程中不可避免的受元素偏析影响，极易出现块状、网状、大颗粒碳化物，合金元素与碳元素在枝晶组织中局部富集，造成铸锭化学成分的不均匀性，在后续加工过程中逐步遗传至钢材形成白蚀区甚至蝴蝶组织，进一步引发钢材服役寿命的缩短与性能的不稳定。
[0005]国产GCr4Mo4V在碳化物、晶粒组织的尺寸与分布方面普遍存在均匀性较差的问题，对最终轴承零件的产品质量影响显著，直接表现为我国航空发动机主轴轴承服役寿命波动性大，平均服役寿命分别为俄罗斯同类产品的一半，美国同类产品的十分之一。实现GCr4Mo4V组织细化与均匀化控制对于解决我国航空发动机“卡脖子”难题、早日实现航空发动机技术自主化意义重大。
[0006]国内外围绕改善GCr4Mo4V疲劳寿命的手段主要以大颗粒碳化物尺寸细化为出发点，从控制偏析和塑性加工等方面进行探索，前者包括连续定向凝固（“滚动轴承钢冶金质量与疲劳性能现状及高端轴承钢发展方向”，《金属学报》，2020年第56卷第4期，513
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522页）、增材制造（“Mechanical Properties of High
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Speed Steel AISI M50 Produced by Laser Powder Bed Fusion”，《Steel Research International》,2020年第91卷第5期，1900562）等，后者包括多向锻造（“Microstructure evolution and mechanical anisotropy of M50 steel ball bearing rings during multi
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stage hot forging”，《Chinese Journal of Aeronautics》，2021年第34卷第11期，254
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266页；“多向锻造对M50
钢一次碳化物破碎机制的影响”，《中国冶金》，第30卷第9期，98
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103，135页）。尽管对于碳化物尺寸分布的改善起到了一定积极作用，但是连续定向凝固和增材制造存在工艺复杂、成本较高等缺点，多向锻造存在火次较多、控制难度大且晶粒尺寸控制难度较大等问题。因此亟需通过采取适当的技术方案同时改善轴承钢中碳化物和晶粒组织的尺寸分布，进而实现疲劳性能的显著改善。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，可以实现高温轴承钢GCr4Mo4V晶粒组织和大颗粒残留碳化物的同时细化，残余奥氏体的体积分数也达到极低的水平，轴承钢的旋转弯曲疲劳强度显著提升。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，包括三次淬火、三次回火以及一次补充回火处理，具体操作步骤如下：（1）第一次淬火处理：加热至1090℃～1100℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；（2）第一次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；（3）第二次淬火处理：加热至1030℃～1060℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；（4）第二次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；（5）第三次淬火处理：加热至1000℃～1020℃，保温30分钟～60分钟油淬至室温；（6）第三次回火处理：加热至540℃～560℃，保温2小时～4小时后空冷至室温，循环3次；（7）补充回火处理：加热至300℃～400℃，保温2小时～4小时后，空冷至室温。
[0009]本专利技术所述高温轴承钢为GCr4Mo4V，满足GB/T 38886
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2020中所规定的技术要求。
[0010]经本专利技术所述方法热处理后，轴承钢的晶粒度级别达到13级～13.5级，最大颗粒残留碳化物尺寸在1.28μm～1.41μm，残余奥氏体体积分数在1%～1.8%，室温旋转弯曲疲劳极限为1215MPa～1267MPa。
[0011]如
技术介绍
所述，高温轴承钢GCr4Mo4V含有较大量的Cr、Mo、V等碳化物易形成元素，导致组织中大颗粒残留一次碳化物成为疲劳裂纹形核的主要位置，因此现有提高高温轴承钢疲劳性能的技术手段主要以大颗粒碳化物尺寸细化为出发点，忽视了晶粒细化这一传统的全面提升材料强韧性的有效手段，并且在采取多向锻造等控制手段过程中，不可避免地导致晶粒尺寸长大甚至混晶，因此一定程度掩盖了碳化物颗粒细化的延寿效应。
[0012]另一方面，高温轴承钢GCr4Mo4V淬火后的组织为马氏体和残余奥氏体，其中残余奥氏体在后续回火中会进一步发生马氏体转变，但是转变程度受到回火工艺限制，较多的残余奥氏体在轴承钢服役过程中会继续发生马氏体转变，由于两种组织的比容差异，造成零件尺寸发生波动，进而缩短了疲劳寿命。
[0013]本专利技术的设计思路为：基于晶粒长大动力学、碳化物析出动力学以及碳化物转变反应等基础理论，结合马氏体转变以及残余奥氏体稳定性的影响因素，创新性地设计了阶梯式淬回火工艺以及补
0.0025%，Ca 0.001%，O 0.0006%，N 0.002%。在各实施例及对比实施例中不再赘述。
[0022]实施例1
[0023]对轴承钢采取以下工艺进行热处理：（1）第一次淬火处理：加热至1090℃，保温30分钟，油淬至室温；（2）第一次回火处理：加热至500℃，保温2小时，空冷至室温；（3）第二次淬火处理：加热至1030℃，保温30分钟，油淬至室温；（4）本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高轴承钢旋转弯曲疲劳强度的热处理方法，其特征在于，包括三次淬火、三次回火以及一次补充回火处理，具体如下：（1）第一次淬火处理：加热至1090℃～1100℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；（2）第一次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；（3）第二次淬火处理：加热至1030℃～1060℃，保温30分钟～60分钟后油淬至室温；（4）第二次回火处理：加热至500℃～520℃，保温2小时～4小时后空冷至室温；（5）第三次淬火处理：加热至1000℃～1020℃，保温30分钟～60分钟油淬至室温；（6）第三次回火处理：加热至540℃～560℃，保温2小时～...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔毅，张雲飞，赵英利，张泽峰，王艳，张大伟，
申请(专利权)人：河钢集团有限公司河钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：