一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺的制作方法

本发明涉及一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺。

背景技术：

轴承钢是针对轴承的特殊环境服役要求而研制的材料，要求所加工的零件经过相应的热处理后，具有高硬度和高尺寸稳定性，由于具有这两个特点，轴承钢也应用于要求尺寸稳定性高的其它场合，如量具、柱塞等。高温轴承钢，如Cr4Mo4V，是一种高温高合金轴承材料，其使用温度可达315℃，常常用于150℃以上的工作环境，常规的热处理工艺是淬回火处理，即淬火后进行三次530～560℃左右的高温回火。通常认为，残余奥氏体是不稳定相，应尽量降低其含量，为了消除残余奥氏体，还需要加入深冷处理，使最终获得的组织中残余奥氏体含量低于3％。对于轴承零件，热处理后需要进行最终的磨削和研磨，以满足尺寸精度的要求。为了提高尺寸稳定性，在磨削加工后研磨前进行一次稳定尺寸热处理，以消除磨加工引入的应力。但是在实际生产过程中经常发现，即使将残余奥氏体降低到很低水平，经过以上处理的轴承零件在储存一段时间以后，或者在使用过程中，其尺寸精度仍会发生变化。因此仅靠降低残余奥氏体含量，加工后采用一次稳定化处理还不能解决尺寸变化问题，同时还会由于使残余奥氏体量降低，使钢的脆性提高。

淬火-碳分配-回火(QPT)处理可以提高高温轴承钢的韧性，同时可以保持高硬度，由于其残余奥氏体的含量更高，其尺寸稳定性也是需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有高温轴承钢零件硬化热处理后尺寸不稳定问题，提供了一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺。

本发明一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺为：一、低温保温：将经过硬化热处理的钢材试样或零件，在-196～-60℃条件下保温60～300min，得到低温保温后的钢材试样或零件；二、将低温保温后的钢材试样或零件，在200～450℃条件下保温60～300min；三、重复步骤一和二的操作2-10次，然后冷却至室温；即完成所述的高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理。

本发明通过冷热循环处理工艺，使高温轴承钢零件内部不稳定组织和内应力松弛达到稳定状态，在4～5次循环处理后，用“圆环开口法”进行测试表征，圆环开口尺寸的变化率dδ/dt＜±0.001，表明此时已经达到稳定状态了。因此，在对轴承钢制零件进行最终热处理之后，精加工之前，如轴承终磨之前，增加冷热循环处理工艺，采用本发明的工艺过程进行循环处理，可以实现轴承零件尺寸稳定化的效果。也可以在最终热处理之后，直接采用本技术进行尺寸稳定化处理，之后进行机加工，包括粗加工和精加工。但粗加工后、精加工之前需要至少再进行一次冷热循环处理。

附图说明

图1为实施例1中开口圆环经过不同循环次数热处理获得的开口尺寸相对变化量与循环次数之间的关系图；

图2为实施例1中环形件开口尺寸变化率与循环处理次数之间关系图；

图3为实施例2中开口圆环经过不同循环次数热处理获得的开口尺寸相对变化量与循环次数之间的关系图；

图4为实施例2中环形件开口尺寸变化率与循环处理次数之间关系图；

图5为实施例3中开口圆环经过不同循环次数热处理获得的开口尺寸相对变化量与循环次数之间的关系图；

图6为实施例3中环形件开口尺寸变化率与循环处理次数之间关系图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺为：一、低温保温：将经过硬化热处理的钢材试样或零件，在-196～-60℃条件下保温60～300min，得到低温保温后的钢材试样或零件；二、将低温保温后的钢材试样或零件，在200～450℃条件下保温60～300min；三、重复步骤一和二的操作2-10次，然后冷却至室温；即完成所述的高温轴承钢提高尺寸稳定性的冷热循环处理。

本实施方式通过冷热循环处理工艺，使高温轴承钢不稳定组织和内应力分布达到稳定状态，在4～5次循环处理后，用“圆环开口法”进行测试表征，开口尺寸的变化率dδ/dt＜±0.001，表明此时已经达到稳定状态了。因此，在对轴承钢制零件进行最终热处理之后，精加工之前，如轴承终磨之前，增加冷热循环处理工艺，采用本实施方式的工艺过程进行循环处理，可以实现轴承零件尺寸稳定化的效果。也可以在最终热处理之后，直接采用本实施方式进行尺寸稳定化处理，之后进行机加工，包括粗加工和精加工。但粗加工后、精加工之前需要至少再进行一次冷热循环处理。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：硬化热处理为淬火-碳分配-回火或淬火-回火。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的钢材为高温轴承钢。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：高温轴承钢为Cr4Mo4V、8CrMo4V、S8Cr4Mo4V或M50。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中在-75℃条件下保温90min。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中在250℃条件下保温120min。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：重复步骤一和二的操作4次。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：重复步骤一和二的操作5次。其它与具体实施方式一至七之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺为：一、低温保温：将经过淬火-碳分配-回火的8Cr4Mo4V钢材试样，在-75℃条件下保温90min，得到低温保温后的钢材试样；二、将低温保温后的钢材试样，在250℃条件下保温120min；三、重复步骤一和二的操作10次，然后冷却至室温，即完成。

尺寸稳定性测试则采用“圆环开口法”进行测试表征，每循环一次测试开口尺寸相对变化量，结果如图1和图2所示。

试样形状为圆环，圆环的外径为Ф52mm，内径为Ф48mm，厚度为4mm。在圆环平面的直径为Ф50mm圆周上，用显微硬度计打上2个距离约为5mm的标记点，然后，在两压痕中间用线切割方法距离两标记点等距离处切割出3mm的缺口，用分辨率为1μm的测量显微镜测出两标记点之间的距离，记为L0，由于圆环内部存在残余应力，应力释放后，圆环发生尺寸变化，标记点距离L0将会发生变化。本实例测得的标记点之间的距离L0＝2.823mm。在随后的每次循环后测试标记点间距离，记为Lx，将两压痕中心间距的变化量△L(△L＝L0-Lx)定义为开口尺寸变化量，为便于比较，采用归一化的相对变化量δ描述每次循环处理后的尺寸变化，其中δ＝△L/L0。

本实施例淬火-碳分配-回火处理工艺为：1100℃保温24min+400℃保温24min+550℃60min。

图1为淬火-碳分配-回火处理后的开口圆环经过不同循环次数热处理获得的开口尺寸相对变化量δ与循环次数之间的关系，可见，随循环次数的变化，环的开口尺寸相对变化量δ逐渐变化，最终趋于稳定。为了能更准确的判断趋于稳定的循环处理次数，对纵轴数值进行一次微分处理，定义微分结果dδ/dt为开口尺寸变化率，即两次循环处理之间圆环开口尺寸变化归一化后的差值，结果示于图2，可见经过6次循环处理以后，开口尺寸的变化率dδ/dt＜±0.001，表明第5次循环处理后圆环尺寸已经达到稳定状态。

实施例二：一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺为：一、低温保温：将经过淬火-碳分配-回火的8Cr4Mo4V钢材试样，在-75℃条件下保温90min，得到低温保温后的钢材试样；二、将低温保温后的钢材试样，在250℃条件下保温120min；三、重复步骤一和二的操作10次，然后冷却至室温，即完成。

尺寸稳定性测试则采用“圆环开口法”进行测试表征，每循环一次测试开口尺寸相对变化量，结果如图3和图4所示。

试样形状为圆环，圆环的外径为Ф52mm，内径为Ф48mm，厚度为4mm。在圆环平面的直径为Ф50mm圆周上，用显微硬度计打上2个距离约为5mm的标记点，然后，在两压痕中间用线切割方法距离两标记点等距离处切割出3mm的缺口，用分辨率为1μm的测量显微镜测出两标记点之间的距离，记为L0，由于圆环内部存在残余应力，应力释放后，圆环发生尺寸变化，标记点距离L0将会发生变化。本实例测得的标记点之间的距离L0＝2.817mm。在随后的每次循环后测试标记点间距离，记为Lx，将两压痕中心间距的变化量△L(△L＝L0-Lx)定义为开口尺寸变化量，为便于比较，采用归一化的相对变化量δ描述每次循环处理后的尺寸变化，其中δ＝△L/L0。

本实施例淬火-碳分配-回火处理工艺为：1100℃保温24min+400℃保温8min+550℃60min。

图3为淬火-碳分配-回火处理后的开口圆环经过不同循环次数热处理获得的开口尺寸相对变化量δ与循环次数之间的关系，可见，随循环次数的变化，环的开口尺寸相对变化量δ逐渐变化，最终趋于稳定。为了能更准确的判断趋于稳定的循环处理次数，对纵轴数值进行一次微分处理，定义微分结果dδ/dt为开口尺寸变化率，即两次循环处理之间圆环开口尺寸变化归一化后的差值，结果示于图4，可见经过5次循环处理以后，开口尺寸的变化率dδ/dt＜±0.001，表明第4次循环处理后圆环尺寸已经达到稳定状态。

对比图1和图3可知，虽然两种工艺都是QPT处理，但是，图1工艺下开口尺寸变化量随循环次数逐渐增大，最后稳定在一个数值上，而图3工艺下的开口尺寸变化时大时小，但最终也稳定在一个稳定数值上。通过一次导数分析发现导数值＜±0.001的次数在4～5次之间。

实施例三：一种高温轴承钢零件提高尺寸稳定性的冷热循环处理工艺为：一、低温保温：将经过淬火-回火的8Cr4Mo4V钢材试样，在-75℃条件下保温90min，得到低温保温后的钢材试样；二、将低温保温后的钢材试样，在250℃条件下保温120min；三、重复步骤一和二的操作10次，然后冷却至室温，即完成。

尺寸稳定性测试则采用“圆环开口法”进行测试表征，每循环一次测试开口尺寸相对变化量，结果如图5和图6所示。

试样形状为圆环，圆环的外径为Ф52mm，内径为Ф48mm，厚度为4mm。在圆环平面的直径为Ф50mm圆周上，用显微硬度计打上2个距离约为5mm的标记点，然后，在两压痕中间用线切割方法距离两标记点等距离处切割出3mm的缺口，用分辨率为1μm的测量显微镜测出两标记点之间的距离，记为L0，由于圆环内部存在残余应力，应力释放后，圆环发生尺寸变化，标记点距离L0将会发生变化。本实例测得的标记点之间的距离L0＝2.867mm。在随后的每次循环后测试标记点间距离，记为Lx，将两压痕中心间距的变化量△L(△L＝L0-Lx)定义为开口尺寸变化量，为便于比较，采用归一化的相对变化量δ描述每次循环处理后的尺寸变化，其中δ＝△L/L0。

本实施例淬火-回火处理工艺为：1100℃保温24min真空气淬至室温+3次550℃120min。

图5为淬火-碳分配-回火处理后的开口圆环经过不同循环次数热处理获得的开口尺寸相对变化量δ与循环次数之间的关系，可见，随循环次数的变化，环的开口尺寸相对变化量δ逐渐变化，最终趋于稳定。为了能更准确的判断趋于稳定的循环处理次数，对纵轴数值进行一次微分处理，定义微分结果dδ/dt为开口尺寸变化率，即两次循环处理之间圆环开口尺寸变化归一化后的差值，结果示于图6，可见经过5次循环处理以后，开口尺寸的变化率dδ/dt＜±0.001，表明第4次循环处理后圆环尺寸已经达到稳定状态。