专利名称：高氮不锈轴承钢热处理工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于轴承热处理技术领域，主要涉及的是一种高氮不锈轴承钢热处理工 艺。
背景技术：
目前，在涉及航空航天等工作条件十分恶劣的行业中使用的轴承除要求其具有高 的断裂韧性、高的接触疲劳寿命、高的耐磨性外，还必须满足盐雾，霉菌和湿热的“三防”试 验要求，但是国内使用的传统高碳铬不锈轴承钢无法满足使用性能要求。由于高碳铬不锈 轴承钢(9Crl8，9Crl8Mo)这两种钢具有高的碳含量和铬含量，所以不可避免地会产生大块 的共晶碳化物，这些碳化物分布不均勻形成带状，大部分在晶界上析出，而且热处理时无法 消除，往往对轴承套圈的磨削和超精工序产生不利的影响。9Crl8钢制轴承不能满足噪音及 精度的要求，同时当轴承承受较大载荷时，易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂 纹源，从而使轴承的使用性能和接触疲劳寿命受到损害。基于这种情况，FAG、NSK等企业于 八、九十年代开发了高氮耐腐蚀轴承钢，在传统的高碳马氏体不锈钢中降低了碳含量并添 加了氮元素。该耐腐蚀轴承钢中均勻分布着氮和碳形成很小的的粒状碳氮化合物，类似于 高碳铬轴承钢的球化退火组织，而不出现高碳铬不锈轴承钢中粗大的共晶碳化物和针片状 共晶碳化物。另外，由于氮对马氏体起强化作用，其耐蚀性及疲劳性能均优于传统的高碳不 锈钢。因此，急需开发研制新的材料来解决这项技术难题。在研究过程中发现， 40Crl5Mo2VN高氮不锈轴承钢具有碳化物分布均勻、细小，经过本工艺热处理后，与传统 的高碳铬不锈轴承钢(9Crl8，9Crl8Mo)相比，具有硬度高，耐磨性好和高的接触疲劳寿 命的特性，并且耐蚀性能远远优于9Crl8钢，能够满足高耐蚀性的技术性能要求。但是 40Crl5Mo2VN钢在采用常规热处理工艺出来后残余奥氏体含量很高，残余奥氏体含量愈高 对于轴承的尺寸稳定性愈大，为了解决这个难题，我们采用降低淬火温度和深冷处理，但是 研究发现淬火温度降低后，淬火后硬度不符合产品要求，需采用深冷处理，为了防止裂纹产 生和变形，在深冷处理前增加一次预冷处理。
发明内容
本发明的目的由此产生，提出一种高氮不锈轴承钢热处理工艺。有效解决热处理 技术难题，使生产出的轴承不仅具有高断裂韧性、高接触疲劳寿命、高耐磨性的特性，同时 还能满足盐雾，霉菌和湿热的“三防”试验要求，并且耐腐蚀性优于传统的高碳铬不锈轴承 钢(9Crl8)。本发明实现上述目的采取的技术方案是一次预热温度650士 10°C，保温25 35min ； 二次预热温度850士 10 °C，保温20 45min，；淬火温度1060士 10 °C，保温50 60min ；淬火后冷至室温半小时内应立即进行冷处理，冷处理温度_196士5°C，2 3h，2次； 冷处理后升至室温后立即进行回火，回火温度160士5°C，4 4. 5h，2次。
淬火温度的确定按照工艺实验方案，采用一系列淬火温度(1020°C，1040°C， 1050°C,1060°C, 1080°C, IlOO0C )，一次冷冻处理_55°C，170°C回火，分别检测试样的硬度 和残余奥氏体含量。从图1可以看出，随着淬火温度的升高，硬度也随之升高，但残余奥氏 体含量也随之升高。为了兼顾工件的尺寸稳定性和硬度，最终确定淬火温度为1060 士 10°C， 冷却方式油冷。冷处理温度的确定考虑到残余奥氏体对工件尺寸稳定性的影响，决定尽可能把 残余奥氏体降到最低。对此采用不同的冷处理温度(-55°C，-80°C，-196°C )进行试验。从 图2可以看出，随着冷处理温度的降低，残余奥氏体的含量逐渐降低。这是由于随着温度的 降低，奥氏体与马氏体的自由能差增大，促使残余奥氏体转变为马氏体。同时，经过两次冷 处理后的残余奥氏体含量，比只经过一次冷处理后的残余奥氏体含量更低。经对比最终选 择冷处理温度-196士5°C，2 3h，2次，残奥含量平均为5%。可能满足产品尺寸稳定性的 需要，尺寸稳定性试验也恰恰验证了这一结论。回火温度的确定淬火温度采用1060 士 10°C ；冷却方式油冷；冷处理温 度，-196士5°C，2 3h，二次；按照回火试验方案，采用三种不同回火温度(120°C、16(TC、 200°C)进行回火。检测结果发现，回火组织均为回火马氏体+少量一次碳化物+弥散分布 的二次碳化物，金相组织变化差异较小；回火后硬度变化较大，2000C回火后硬度较其它温 度回火的低约1HRC。考虑到淬火和冷处理后热应力和组织应力较大，最终确定回火温度为 160士5°C，4 4. 5h，2 次。热处理工艺的确定由于40Crl5Mo2VN钢是高合金轴承钢，导热性差，预热可以 使工件表面和心部温度均勻一致，淬火后硬度均勻性符合要求，且减小工件变形。根据上 述工艺试验及结果分析，并结合产品的特殊结构，为确保加工后轴承尺寸的稳定性，首先用 ZC2-65真空炉对40Crl5Mo2VN工件进行预热，在650士 10°C和850士 10°C各进行一次预热， 温度升至650°C后保温25 35min，然后继续升温至850°C后在保温20 45min，保温结束 后快速升温至淬火温度；淬火温度1060士 10°C，保温50 60min ；淬火保温结束后由料车 将工件从真空炉加热室送到油淬室进行淬火，淬火介质快速淬火油。淬火后采用流动水冷 至室温，然后进行_55°C冷处理20min，最后进行在_196°C液氮中深冷处理120min。这样即 可以减少残余奥氏体量，同时避免了急冷导致工件开裂。回火采用控温精度为士 1°C的回火 油炉进行，回火共进行二次，工艺曲线见图3。在第一次回火后增加一次冷处理，目的是获得 较稳定的马氏体，并使残余奥氏体进一步转变和稳定化，以达到稳定尺寸。为降低裂纹产生的冷处理后立即进行回火，这样避免了巨大的淬火应力和冷处理 应力的叠加，淬火开裂的可能性变小。经过两次冷处理可以达到降低残余奥氏体量和稳定 尺寸的目的。组织检验零件经此工艺热处理后，硬度平均为58 59HRC，残余奥氏体含量不大 于5%，回火组织(见图3)由回火马氏体+少量一次碳化物+弥散分布的二次碳化物+少 量的残余奥氏体，晶粒度见图4。尺寸稳定性为了验证本工艺处理后尺寸稳定性，将粗磨后的工件进行人工时 效，检验其尺寸变化情况。结果(见图6)表明，该产品尺寸稳定性良好。人工时效温度 140士5°C，时间5. 5 6. Oh。取样数量54件。本发明在大量实验基础上最终确定的40Crl5Mo2VN高氮不锈轴承钢的最佳热处理工艺，不但有效控制残余奥氏体的含量，保证了 40Crl5Mo2VN钢制工件的尺寸稳定性问 题，而且解决热处理的变形问题和裂纹问题。
图1为本发明硬度及残余奥氏体分布图。图2为本发不同冷处理温度两次冷处理后残余奥氏体分布图。图3为本发明工艺曲线图。图4为本发明40Crl5Mo2VN钢淬回火组织图。图5为本发明40Crl5Mo2VN钢淬火晶粒度图。图6为本发明40Crl5Mo2VN钢制工件尺寸变化图。
具体实施例方式本发明以实施例的方式进一步详细说明。本发明所述的40Crl5Mo2VN高氮不锈轴承钢热处理工艺流程为淬火一冷处理一 回火。加工设备包括:ZC2-65真空炉、冷冻机(型号=D-O. 8)和回火油炉(型号=130174)。 具体为首先用ZC2-65真空炉对40Crl5Mo2VN工件进行预热，在650士 10°C和850士 10°C 各进行一次预热，温度升至650°C后保温25 35min，然后继续升温至850°C后在保温20 45min，保温结束后快速升温至淬火温度；淬火温度1060士 10°C，保温50 60min ；淬火保 温结束后由料车将工件从真空炉加热室送到油淬室进行淬火，淬火介质快速淬火油。淬火 后将工件取出，采用空冷或流动水冷至室温，然后将工件放入常规冷冻机(型号D_0.8)随 炉降温至_55°C，保温20min，进行预冷处理。随后将工件取出立即放入自制的不锈钢箱子 内(箱子尺寸650mmX550mmX 500mm)，将液氮倒入箱内，直至液氮浸没工件，由于液氮易 挥发，应随时保持液氮面高于工件，保温120min。经过深冷处理的工件在回火油炉(型号 130174)中进行回火，回火油炉采用的是常规的回火油炉，控温精度为士 1°C。回火温度为 160士5°C，4h，二次，在第一次回火后进行第二次冷处理(-196士5°C，120min)，将第一次回 火的工件取出，冷至室温，放入不锈钢箱子内，倒入液氮，使液氮面高于工件，保温120min， 目的是获得较稳定的马氏体并使残余奥氏体进一步转变和稳定化，以达到稳定尺寸。第二 次冷处理后进行第二次回火，回火温度160士5°C，4h。
权利要求
一种高氮不锈轴承钢热处理工艺，其特征是高氮不锈轴承钢热处理工艺包括以下步骤一次预热温度650±10℃，保温25～35min；二次预热温度850±10℃，保温20～45min；淬火温度1060±10℃，保温50～60min；淬火后冷至室温半小时内应立即进行冷处理，冷处理温度 196±5℃，2～3h，2次；冷处理后升至室温后立即进行回火，回火温度160±5℃，4～4.5h，2次。
2.根据权利要求1所述的高氮不锈轴承钢热处理工艺，其特征是所述高氮不锈轴承 钢是在ZC2-65真空炉进行预热的。
3.根据权利要求1所述的高氮不锈轴承钢热处理工艺，其特征是所述高氮不锈轴承 钢的淬火是在油淬室进行淬火的。
4.根据权利要求1所述的高氮不锈轴承钢热处理工艺，其特征是所述高氮不锈轴承 钢的淬火后采用空冷或流动水冷至室温，并在冷冻机内进行_55°C冷处理20min，最后进行 在_196°C液氮中深冷处理120min。
5.根据权利要求1所述的高氮不锈轴承钢热处理工艺，其特征是所述高氮不锈轴承 钢的回火在回火油炉中进行，控温精度为士 1°C。
全文摘要
本发明公开的高氮不锈轴承钢热处理工艺包括以下步骤一次预热温度650±10℃，保温25～35min；二次预热温度850±10℃，保温20～45min；淬火温度1060±10℃，保温50～60min；淬火后冷至室温半小时内应立即进行冷处理，冷处理温度-196±5℃，2～3h，2次；冷处理后升至室温后立即进行回火，回火温度160±5℃，4～4.5h，2次。本发明在大量实验基础上最终确定的40Cr15Mo2VN高氮不锈轴承钢的最佳热处理工艺，不但有效控制残余奥氏体的含量，保证了40Cr15Mo2VN钢制工件的尺寸稳定性问题，而且解决热处理的变形问题和裂纹问题。
文档编号C21D11/00GK101935752SQ20101024799
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者于芸, 仵永刚, 刘汇河, 孙伟, 李昭昆, 焦晶明, 王明杰, 龚建勋 申请人:洛阳Lyc轴承有限公司