一种耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法
【专利说明】-种耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法
[0001]
技术领域本发明属于材料科学与工程领域，特别设及一种轴承用钢及其制备方 法。
【背景技术】 [0002] 轴承是在机械设备中的关键基础零部件，其服役条件十分复杂，要求轴 承不仅要具有优良耐磨性，同时还要具有高的抗滚动接触疲劳性能。而对于一些在服役过 程中还受到较大载荷冲击的轴承，如社机轴承、矿山机械轴承、风电轴承等，除要求轴承具 有高耐磨性、抗接触疲劳性能外，还要求轴承内部具有高的初性，可W抵抗冲击载荷。因此 运类轴承通常选用渗碳轴承钢制造。传统最常用的渗碳轴承钢为G20Cr2Ni4A钢，经过马氏 体泽、回火处理后为马氏体轴承钢，具有高硬度、优异的耐磨性和滚动接触疲劳性能，因此 在世界范围内获得最为广泛的应用。然而，G20化2Ni4A钢中Ni含量高达3.25~3.75wt %，轴 承钢的原材料成本非常高，降低轴承钢的成本，一直是轴承行业的需求。因此，我国也开发 了 一些低 Ni 含量或无 Ni 的渗碳轴承钢，如 G20CrMo，G20CrNiMo，G20CrNi2Mo，G10CrNi3Mo， G20化2Mn2Mo等钢种，运些渗碳轴承经最终热处理工艺处理后均为马氏体轴承。
[0003] 近年来，新型渗碳轴承钢不断发展。专利化201110156392.7公开了一种化学成分 为。0.16~0.24、51^0.1、]?11^0.1、化：0.3~1.5、化：1.50~4.50、]/1〇:0.3~1.5、师：0.02 ~0.10、V: 0.3%~0.9,的轴承钢，最终的热处理工艺为油泽加低溫回火处理。专利化 201110156409.9公开了一种高速铁路用渗碳轴承钢及其制备方法，其所研发轴承钢的成分 为。0.18~0.24、51^0.1、]?11^0.1、化：0.5~2.0、化：1.50~4.50、]/1〇:0.3~1.5、师：0.02 ~0 . 10、V:0.3%~0.9,热处理工艺为泽火+深冷处理+低溫回火处理。公开号为 CN102653843A的专利公开了一种渗碳轴承钢，其主要化学成分为C:0.10~0.16、Si:0.15~ 0.40、]/1。：0.40~0.90、吐：1.3~1.8、化：3.10~3.80、]/1〇:0.02~0.09、41:0.015~0.04。专 利CN104694847A公开了一种含Ni渗碳轴承钢，其最终热处理工艺为泽火溫度800-900°C，回 火溫度150-170°C。运些渗碳轴承钢热处理后组织均为马氏体组织。同时为了保证马氏体轴 承钢具有足够的初性，在运些轴承钢组织中均加入了不少于1.5wt. %的Ni元素。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够大幅度降低Ni的含量、节约能源、降低 成本的耐冲击载荷轴承用钢及其热处理方法。本发明主要通过在轴承钢原材料中加入Si合 金元素抑制碳化物析出，加入Al合金元素，既保证形成足够的AlN细化晶粒，又起到加快贝 氏体转变、抑制碳化物析出，减少了残余奥氏体的含量，同时保证轴承的表面硬度和屯、部的 初性。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种耐冲击载荷轴承用钢，它是一种表面为W纳米尺寸为主的多尺度贝氏体、结 合少量马氏体、少量残余奥氏体和保留的未溶碳化物组成的混合组织，屯、部为低碳马氏体 与下贝氏体组成的混合组织的轴承用钢；它的化学成分质量百分比为C:0.18~0.30、Si: 1.50~1.80、Mn:0.20~1.00、Cr:1.50~2.00、Ni:0.10~0.30、Al:0.05~0.80、Mo:0.20~ 0.40、W:0.20~0.50、N:0.0065~0.01，S:^0.010、P:^0.015、0:^0.0008、Ti:^0.003、H: ^0.00015,其余为化和正常杂质。
[0007] 上述轴承钢的热处理方法：
[0008] (I)对上述成分的轴承用钢加工成轴承后，对其表面进行常规渗碳处理，渗碳后表 面碳含量为0.80-1. IOwt. %，有效渗碳硬化层深度1.0~8.0mm，硬度不低于HRC5的参碳层深 度0.6~3.2mm，随后进行常规球化退火处理；
[0009] (2)对步骤（1)的轴承进行最终热处理，加热到840-880°C保溫1~化，然后将其冷 却至Ms葡1-(10~30 TC,保溫时间2~5min，随后放至IjMs葡1+(10~30 TC等溫3~加，继续升溫 至Ms葡1+ (50~70 rC保溫1~化，最后空冷至室溫。
[0010] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0011] (1)原材料中高的（Si+Al)含量可W有效地抑制贝氏体相变过程中碳化物析出，获 得高强初性的贝氏体组织，同时高的Si含量还可W提高材料的泽透性，使得该轴承钢适合 于制造大壁厚轴承；
[0012] (2)原材料中加入合金元素 Al元素加快贝氏体相变，同时通过=阶段等溫处理，第 一阶段的短时等溫，缩短贝氏体转变孕育期，促进贝氏体形核，第=阶段的短时等溫，加快 剩余奥氏体向贝氏体转变，减少残余奥氏体含量，缩短转变时间。另外不需要最后进行回火 处理，节省热处理成本。
[0013] (3)原材料中大幅度降低Ni的含量至含0.3wt. %，降低成本，同时结合等溫处理还 可W进一步保证屯、部的高初性。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例1获得轴承钢表层的扫描电镜图。
[001引图2为本发明实施例1获得轴承钢屯、部的金相图。
[0016]图3为本发明实施例2获得轴承钢表层的透射电镜图。
[0017]图4为本发明实施例3获得轴承钢屯、部的透射电镜图。
【具体实施方式】 [001引实施例1
[0019]采用轴承用钢的化学成分（Wt.%)为：C 0.18，Mn 0.35，Si 1.54，Cr 1.72，Mo 0.38，W 0.21，Ni 0.12，A1 0.68,0 0.00075，P 0.011，S 0.005，H 0.00002、其余为Fe和正 常杂质。对上述轴承钢进行渗碳处理，渗碳后轴承表面的碳含量为0.85wt. %，Ms裁!为190 °C，有效渗碳硬化层深度1.3mm，硬度不低于HRC5的参碳层深度0.6mm。将轴承钢进行球化退 火处理后，加热至850°C保溫化，后放入175 °C盐浴中进行等溫，等溫时间2分钟后，随后放入 至|J205°C的盐浴中继续等溫化，最后转入250°C炉中等溫1.化后空冷。得到表层的组织如附 图1所示，可见表层的碳化物尺寸细小，且分布均匀，贝氏体尺寸跨度较大；屯、部组织W低碳 马氏体组织为主如附图2所示。处理后轴承表面硬度HRC58.5,表层的残余奥氏体含量 8.5%，屯、部冲击初性aku为115J/cm 2，屯、部硬度为HRC38。
[0020] 实施例2
[0021] 采用轴承用钢的化学成分(wt. % )为：C 0.23 ,Mn 0.60 ,Si 1.60 ,Cr 1.59 ,Mo 0.31，W 0.32，Ni 0.12，A1 0.08,0 0.00068，P 0.011，S 0.008，H 0.00005、其余为Fe和正 常杂质。对上述轴承钢进行渗碳处理，渗碳后轴承表面的碳含量为〇.96wt.%，Ms裁!为193 °C，有效渗碳硬化层深度4.1mm，硬度不低于HRC5的参碳层深度1.7mm。将轴承钢进行球化退 火处理后，加热至840°C保溫2.化，放入180°C盐浴中进行等溫，等溫时间3分钟后，随后放入 至|J215°C的盐浴中继续等溫化，最后转入245°C炉中等溫化后空冷。得到表层的组织如附图3 所示，可W看到少量的李晶马氏体组织，大部分贝氏体板条厚度小于lOOnm。处理后轴承表 面硬度皿C60.5，表层的残余奥氏体含量9.3 %，屯、部冲击初性aku为125J/cm2，屯、部硬度为 HRC40。
[0022] 实施例3
[0023] 采用轴承用钢的化学成分（wt. % )为：C 0.29 ,Mn 0.95 ,Si 1.66 ,Cr 1.43 ,Mo 0.23，W 0.46，Ni 0.25，A1 0.40,0 0.00063，P 0.009，S 0.007，H 0.00003、其余为Fe和正 常杂质。对上述轴承钢进行渗碳处理，渗碳后轴承表面的碳含量为1.08wt.%，Ms裁!为180 °C，有效渗碳硬化层深度7.5mm，硬度不低于HRC5的参碳层深度3.1mm。将轴承钢进行球化退 火处理后，加热至870°C保溫化，放入170°C盐浴中进行等溫，等溫时间4分钟后，随后放入到 210°C的盐浴中继续等溫地，最后转入250°C炉中等溫化后空冷。得到屯、部的组织为W低碳 马氏体组织为主和少量贝氏体的混合组织，如附图4所示。处理后轴承表面硬度HRC61，表层 的残余奥氏体含量7.8%，屯、部冲击初性aku为139J/cm 2，屯、部硬度为HRC41。
[0024] 表1实施例与G20化2Ni4A钢力学性能对比 r00951
LUUZOJ 义、J 了授慨；田巧，巧本班化飘W：埋旧巧后的懼!议个1氏了HKLDQ，心、卻懼!议个1氏了 HRC32。表1给出了本发明实施例与G20Cr2Ni4A钢的性能对比。可W看出，本发明实施例中的 性能完全满足渗碳轴承的要求，同时屯、部在满足硬度的同时，冲击初性比G20Cr2Ni4A钢还 有进一步的提高，说明本发明轴承钢及其热处理方法适合于制造耐冲击载荷的轴承。
【主权项】
1. 一种耐冲击载荷轴承用钢，其特征在于：它是一种表面为以纳米尺寸为主的多尺度 贝氏体、结合少量马氏体、少量残余奥氏体和保留的未溶碳化物组成的混合组织，心部为低 碳马氏体与下贝氏体组成的混合组织的轴承用钢;它的化学成分质量百分比为:c 0.18~ 0.30、Si 1.50~1·80、Μη 0.20~1.00、Cr 1.50~2.00、Ni 0.10~0·30、Α1 0.05~0·80、Μ〇 0.20~0.40、W0.20~0.50、N 0.0065~0.01，SS0.010、PS0.015、0S0.0008、TiS0.003、 HS0.00 015,其余为Fe和正常杂质。2. 权利要求1所述的耐冲击载荷轴承用钢的热处理方法，其特征在于： (1) 对上述成分的轴承用钢加工成轴承后，对其表面进行常规渗碳处理，渗碳后表面碳 含量为〇 . 80-1.10wt. %，有效渗碳硬化层深度1.0~8.0mm，硬度不低于HRC58渗碳层深度 0.6~3.2mm，随后进行常规球化退火处理； (2) 对步骤（1)的轴承进行最终热处理，加热到840-880°C保温1~3h，然后将其冷却至 Ms裁|-(10~30) °C，保温时间2~5min，随后放到Ms裁|+( 10~30) °C炉中等温3~5h，继续升温 至Ms裁|+ (50~70) °C保温1~2h，最后空冷至室温。
【专利摘要】一种耐冲击载荷轴承用钢，它的化学成分重量百分比为：C：0.18～0.30、Si：1.50～1.80、Mn：0.20～1.00、Cr：1.50～2.00、Ni：0.10～0.30、Al：0.05～0.80、Mo：0.20～0.40、W:0.20～0.50、N：0.0065～0.01，S：≦0.010、P：≦0.015、O：≦0.0008、Ti：≦0.003、H：≦0.00015，其制备方法主要是首先对渗碳钢进行表面渗碳处理，渗碳后表面碳含量0.80-1.10wt.％，然后进行球化退火处理，再进行最终热处理：加热到840-880℃保温1～3h，然后将其冷却至Ms表层-(10～30)℃，保温2～5分钟，随后放到Ms表层+(10～30)℃炉中等温3～5h，继续升温至Ms表层+(50～70)℃保温1～2h，最后空冷至室温。本发明能够大幅度降低轴承钢中的Ni含量、节约能源、降低成本，还可以保证心部的高韧性。
【IPC分类】C22C38/08, C21D1/20, C22C38/12, C23C8/00, C22C38/06, C22C38/18, C22C38/02, C22C38/14, C21D1/32, C22C38/04
【公开号】CN105714190
【申请号】CN201610280071
【发明人】杨志南, 张福成
【申请人】燕山大学