專利名稱：一種軸承套圈鍛造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸承套圈鍛造方法，主要用于高碳鉻軸承套圈的鍛造工藝。
背景技術(shù)：
軸承的主要零件有內(nèi)外套圈、滾動體和保持架組成，內(nèi)外套圈的質(zhì)量在很大程度上決定著使用壽命?，F(xiàn)在國內(nèi)使用的大部分軸承的內(nèi)外套圈，都用高碳鉻軸承鋼材料經(jīng)鍛造等加工而成，其使用壽命與國外同類產(chǎn)品相比差距甚大。根據(jù)國內(nèi)外同行的生產(chǎn)經(jīng)驗和研究結(jié)果表明影響軸承鋼質(zhì)量的主要因素有夾雜物、碳化物和球化組織等，這些因素最終都會影響軸承的疲勞壽命。而軸承鋼夾雜物含量及特征主要取決于鋼材的冶煉工藝，在軸承制造的鍛造及后序工藝過程中很難加以改變。因此，本發(fā)明著重研究碳化物和球化組織等對軸承疲勞壽命的影響。很多研究資料表明碳化物液析、碳化物帶狀、碳化物網(wǎng)狀對軸承疲勞壽命的影響很大。
碳化物液析鋼液在結(jié)晶過程中，由于冷卻速度過慢，造成碳成分的嚴重偏析。在枝晶間形成粗大的一次碳化物，這種一次碳化物很難消除。在鋼材中沿軋制方向呈條狀或塊狀分布其危害性與非金屬夾雜物一樣，因此，在鋼材的技術(shù)標準中有嚴格的限制。碳化物帶狀其形成原因與碳化物液析一樣。在鍛造、軋制過程中被破碎的粗大一次碳化物呈小塊而集聚，并沿軋制方向形成條帶狀分布。碳化物帶狀嚴重會影響零件的熱處理質(zhì)量，造成零件硬度不均勻，組織不均勻。以致造成零件熱處理質(zhì)量不合格。碳化物帶狀和碳化物液析嚴重時，會使軸承零件早期疲勞損壞。有資料介紹當碳化物帶狀達到3 4級時軸承的接觸疲勞壽命降低30%左右。碳化物網(wǎng)狀鋼材在鍛造、軋制冷卻過程中，奧氏體對碳的溶解度隨溫度下降而下降。如在80(T90(TC之間冷卻速度過慢，則碳從奧氏體中析出并擴散至晶界，在晶界間形成二次碳化物，呈網(wǎng)絡(luò)狀存在，故稱碳化物網(wǎng)狀。碳化物是硬而脆的相，細小、均勻、球狀的碳化物有彌散強化作用，提高鋼的性能。但碳化物網(wǎng)狀分布使晶粒之間的連續(xù)性遭到破壞，嚴重地降低了鋼的沖擊韌性。因此，使軸承零件壽命降低。現(xiàn)有技術(shù)對軸承零件鍛造加工的首要目的描述是將棒料或料段通過鍛壓加工獲得零件毛坯。同時消除內(nèi)在缺陷，改善組織，以提高軸承的使用壽命。而在《實用軸承技術(shù)手冊》的鍛造工藝技術(shù)條件中對鍛件的內(nèi)部缺陷要求只提到脫碳、過熱、過燒和網(wǎng)狀碳化物，沒有提及碳化物顆粒大小及分布的問題?！稘L動軸承材料及熱處理標準應(yīng)用手冊》中，高碳鉻軸承鋼滾動軸承熱處理技術(shù)條件(JB / T 1255-2001)也沒有對碳化物顆粒大小及分布作出要求。而隨著鋼材冶煉質(zhì)量的提高，鋼中夾雜物的數(shù)量及尺寸大大減少，對軸承接觸疲勞失效的影響從主要矛盾變?yōu)榇我?，而碳化物尺寸卻成了延長軸承使用壽命的限制性環(huán)節(jié)。軸承制造行業(yè)雖然對軸承主要組件的碳化物和球化組織提出了要求，但現(xiàn)有要求不嚴，按現(xiàn)在通用的套圈鍛造工藝制作的軸承能滿足高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件(JB / T 1255-2001)的要求，但碳化物顆粒(沒有作出量化要求)相對比較粗大，分布(沒有作出量化要求)不均勻，這嚴重阻礙了軸承使用壽命的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，而提供一種軸承套圈鍛造方法，有效地抑制了液析碳化物、帶狀碳化物、網(wǎng)狀碳化物對軸承疲勞損壞的危害，提高軸承套圈的使用壽命。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種軸承套圈鍛造方法，其特征是包括以下步驟加熱，升溫，保溫，鍛造，快速冷卻，自然冷卻，所述加熱步驟將軸承套圈坯料從常溫狀態(tài)加熱至90(TC，所述升溫步驟將軸承套圈坯料從90(TC升溫至1150°C，所述保溫步驟將軸承套圈坯料在1150°C下保溫O. 5 I小時，所述鍛造步驟鍛造后的軸承套圈溫度在930°C 980°C，所述快速冷卻步驟將鍛造后的軸承套圈浸入冷卻介質(zhì)中冷卻至700。。。本發(fā)明所述的保溫時間是45分鐘。本發(fā)明所述快速冷卻步驟中的冷卻介質(zhì)為水，快速冷卻時間在7 18秒之間。 本發(fā)明所述加熱時間為4 7秒，所述升溫時間2 3分鐘，所述鍛造時間為4 7秒。本發(fā)明所述自然冷卻步驟為快速冷卻后的軸承套圈在空氣中緩慢冷卻。本發(fā)明所述的軸承套圈材料采用GCrl6高碳鉻軸承鋼。本發(fā)明具有以下優(yōu)點和效果能獲得碳化物球狀、細小而均勻分布的淬火組織，使碳化物顆粒尺寸最大值< 5 μ m，達到非晶夾雜物引發(fā)裂紋的臨界值以下，從而提高軸承的接觸疲勞壽命。
具體實施例方式一般認為接觸疲勞破壞是影響軸承使用壽命的主要因素之一。金屬均勻性和連續(xù)性的局部破壞,如非金屬夾雜物、大顆粒碳化物、氣泡等會引起應(yīng)力場的局部畸變,應(yīng)力增大，導(dǎo)致金屬表面或表面以下產(chǎn)生微裂紋，最終致使軸承破壞。因此，軸承鋼中非金屬夾雜物和碳化物的均勻性是影響軸承使用壽命的重要因素。因此，提高軸承使用壽命的關(guān)鍵之一，就是改善碳化物的不均勻程度。有研究資料表明對于低中強度鋼，試樣在IO7次疲勞測試循環(huán)后不會發(fā)生失效，當加載的應(yīng)力幅度低于傳統(tǒng)的高強度鋼的疲勞強度時，在循環(huán)次數(shù)大于IO7時，會發(fā)生疲勞失效。對于高強度鋼，疲勞裂紋主要是在較大的非晶夾雜物處產(chǎn)生的，這是由基體和夾雜物在冷卻和應(yīng)力集中時不同的熱收縮系數(shù)所引起的。專家認為當非晶夾雜物的尺寸小于(臨界值)5μπι的時候，裂紋不會從非晶夾雜物處產(chǎn)生。有人用商業(yè)用50CrV4鋼和純凈的50CrV4鋼，54SiCrV6鋼，54SiCr6鋼進行實驗，實驗結(jié)果表明，當應(yīng)力幅度較高時，疲勞斷裂主要是在表面基體處產(chǎn)生，隨著應(yīng)力幅度的減少，裂紋源從表面轉(zhuǎn)移到內(nèi)部。對于商業(yè)用50CrV4鋼，裂紋源處的夾雜物尺寸為29 4 111，而對于純凈543丨(1^6和50CrV4鋼來說，存在一個過渡應(yīng)力，當應(yīng)力大于這個過渡值時，裂紋源產(chǎn)生于表面，而低于這個過渡值時，裂紋源產(chǎn)生于試樣的內(nèi)部。裂紋源的平均尺寸為3.0 μ m和2. 4μπι。當夾雜物的尺寸小于Iym時，試樣在IO6 - IO9次循環(huán)載荷下不容易發(fā)生斷裂，而商業(yè)用50CrV4鋼很容易發(fā)生斷裂。并且同樣成分的純凈鋼的應(yīng)力值要比商業(yè)用的鋼的應(yīng)力值大lOOMpa。通過觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)，對于商業(yè)用鋼，裂紋主要產(chǎn)生于包含Al，Ca和Si的大的球狀氧化型夾雜物，而在純凈鋼中，更多的疲勞裂紋產(chǎn)生于小的夾雜物團。通過FESEM觀測和EPMA分析成分發(fā)現(xiàn)，54SiCrV6鋼的裂紋源主要是VC的夾雜物團，50CrV4鋼的裂紋源主要是C和V的(V碳化物)富集區(qū)，54SiCr6鋼的裂紋源主要是C的富集區(qū)，但是裂紋源周圍的Cr (Cr碳化物)含量也要高于基體。由此可見，純凈鋼的疲勞強度的限制性因素由商業(yè)用鋼中的夾雜物轉(zhuǎn)化為純凈鋼中的碳化物上。其中主要原因是純凈鋼中的夾雜物尺寸已大大減小。因此對于同樣成分的商業(yè)用鋼和純凈鋼，由于夾雜物尺寸的減少，純凈鋼的疲勞強度大大增加，如果能對于純凈鋼的碳化物的不均勻程度加以改善，就能使其疲勞壽命得到更大的提高。本發(fā)明實施例分析研究了影響軸承使用壽命各種影響因素，其中接觸疲勞失效是各類軸承最常見失效模式之一。而影響軸承接觸疲勞失效主要因素有夾雜物、碳化物和球化組織等。隨著鋼材冶煉工藝水平的提高和真空脫氣技術(shù)廣泛應(yīng)用，鋼中夾雜物含量和尺寸大大下降，其對軸承接觸疲勞失效的影響也隨之減弱，而碳化物和球化組織的影響也隨之凸顯。本發(fā)明就是要通過對現(xiàn)有套圈鍛造工藝的改進，來改善碳化物的均勻性(碳化物平均面積含量)，細化碳化物顆粒(碳化物顆粒最大值，各尺寸段占比)，從而提高軸承的使用 壽命，使軸承的使用壽命提高到原來的3倍以上。本發(fā)明實施例包括以下步驟加熱，升溫，保溫，鍛造，快速冷卻，自然冷卻。所述加熱步驟將軸承套圈坯料從常溫狀態(tài)加熱至900°C，所述升溫步驟將軸承套圈坯料從900°C升溫至1150°C，所述保溫步驟將軸承套圈坯料在1150°C下保溫O. 5 I小時，所述鍛造步驟采用現(xiàn)有技術(shù)方法完成，鍛造后的軸承套圈溫度在930°C 980°C，所述快速冷卻步驟將鍛造后的軸承套圈浸入冷卻介質(zhì)中快速冷卻至700°C，然后自然冷卻至常溫。本發(fā)明實施例所述加熱步驟將軸承套圈坯料在4 7秒內(nèi)從常溫狀態(tài)加熱至900°C，所述升溫步驟將軸承套圈坯料在2 3分鐘內(nèi)從900°C升溫至1150°C，鍛造時間為4 7秒。本發(fā)明所述快速冷卻步驟中的冷卻介質(zhì)為水，快速冷卻時間在7 18秒之間。本發(fā)明所述加熱時間、升溫時間、鍛造時間、快速冷卻時間均以達到目標溫度為準，即只要溫度達到設(shè)定溫度，該步驟即完成。本發(fā)明實施例的重要特點之一就是在1150°C時保溫O. 5 I小時。由于鉻共晶碳化物的熔點在1150°C左右，在這一溫度下碳化物元素擴散速度大大加快，液析碳化物、帶狀碳化物、網(wǎng)狀碳化物能迅速消除。這使鋼中原始組織的碳化物在鍛造前得以徹底改善。本發(fā)明實施例的又一重要特點就是鍛后迅速冷卻工藝，在軸承套圈鍛造成型后，溫度約在950°C左右，迅速將軸承套圈浸入冷卻介質(zhì)中快速冷卻至700°C左右，然后在空氣中緩慢冷卻至常溫。這一工藝預(yù)防了鍛造中晶體二次軸之間富碳富鉻沿著鍛制方向被迫延伸而形成帶狀碳化物，并極大地抑制了鍛后至珠光體轉(zhuǎn)變前網(wǎng)狀碳化物的析出。同時也預(yù)防了鍛件裂紋的產(chǎn)生。本發(fā)明所述自然冷卻步驟為快速冷卻后的軸承套圈在空氣中緩慢冷卻，是為了防止軸承套圈冷卻過程中因熱應(yīng)力和組織應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋，從而抑制了碳化物的擴散聚集成二次網(wǎng)狀碳化物，大大降低了網(wǎng)狀碳化物對軸承疲勞損壞的危害。本發(fā)明實施例能獲得碳化物球狀、細小而均勻分布的淬火組織，使碳化物顆粒尺寸最大值< 5 μ m(具體尺寸分布見表一)，達到非晶夾雜物引發(fā)裂紋的臨界值以下。由表可知，本發(fā)明使碳化物顆粒尺寸及分布接近SKF的水平(優(yōu)于日本粉末冶金440C鋼的水平)。從而使軸承的接觸疲勞壽命達到原來的3倍以上。表一各企業(yè)不同鍛造工藝后的材料特性比較
It查項目原工藝本發(fā)明某迸口I SKF GCrlB瓦
CCrlSGCrl6 件GCrlBGCrlS
球化組織2~42-I -__-
羨化物網(wǎng)狀組織(綴)_ 2I. O I. O1.0I. O
債化ft帶狀■織(級)__2.5I. O I. O0.52.0
雛物■粒最大値(μ.η0__3.521.49 5.201.43 1.19·
廣化物顆粒最小値QaQ__O. 34O. 34 O. 34O. 34 O. 34
廣化物顆粒直徑值0~1缽m含量 78. 6691. 64% 82. 50%92. 62 80. 82
礙化物顆粒直徑值I 2 μ m含量 19. 728. 36% 16.277. 38 18. PO
羨化物賴粒直徑值2 3 μ iri含量 0,86OI. 03%I OO. 64
碳化物顆粒直ft值 3~4 μ m 含I O. 75O__O. 07%O__O. 39
親化物顆粒直徑值5 μ m含懸 OO_ Qjm|00.1&
繼化物顆粒肓徑值5~ 6 含量 OO0.03 OO
機化物顆粒直徑值>β μιη含量 OO_...0..............................................10................................................... O_
礙化物顯粒直徑平均僮μ ιτι__O. 65O. 57 O. 70O. 5 O. 64
碳化_粒平均麗枳含I__2. 91O. 70% 2,1 I O. 32 2, m
為了獲得碳化物球狀、細小而均勻分布的淬火組織，本發(fā)明采用由本公司專門研發(fā)的高碳鉻軸承鋼GCrl6。其化學(xué)成分見表二，夾雜物等級見表三。為驗證本發(fā)明的實際效果，我們用普通GCrl5軸承鋼(其化學(xué)成分見表四，夾雜物等級見表五)進行對比試驗，其結(jié)果見表六。表二 GCrl6化學(xué)成分(單位重量百分比，其余為鐵)
C Si Mn Cr PS Mo Ni Cu 0/模鑄
0.95 0.03 0.27 1.59 0 009 0,009 0.026 0.055 0.083 6 ppm Al Ca Ti As Sn Sb PbNi+ Cu
0.045 0.0004 0.0007 0.026 0.0079 0.0045 0.0.0170. 38
表三GCrl6非金屬夾雜物級別
權(quán)利要求
1.一種軸承套圈鍛造方法，其特征在于包括以下步驟加熱，升溫，保溫，鍛造，快速冷卻，自然冷卻，所述加熱步驟將軸承套圈坯料從常溫狀態(tài)加熱至900°C，所述升溫步驟將軸承套圈坯料從900°C升溫至1150°C，所述保溫步驟將軸承套圈坯料在1150°C下保溫0. 5 I小時，所述鍛造步驟鍛造后的軸承套圈溫度在930°C 980°C，所述快速冷卻步驟將鍛造后的軸承套圈浸入冷卻介質(zhì)中冷卻至700°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸承套圈鍛造方法，其特征在于所述的保溫時間是45分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的軸承套圈鍛造方法，其特征在于所述快速冷卻步驟中的冷卻介質(zhì)為水，快速冷卻時間在7 18秒之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3任ー權(quán)利要求所述的軸承套圈鍛造方法，其特征在于所述加熱時間為4 7秒，所述升溫時間為2 3分鐘，所述鍛造時間為4 7秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 3任ー權(quán)利要求所述的軸承套圈鍛造方法，其特征在于所述的軸承套圈材料采用GCrl6高碳鉻軸承鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種軸承套圈鍛造方法，其特征是包括以下步驟加熱，升溫，保溫，鍛造，快速冷卻，自然冷卻，所述加熱步驟將軸承套圈坯料從常溫狀態(tài)加熱至900℃，所述升溫步驟將軸承套圈坯料從900℃升溫至1150℃，所述保溫步驟將軸承套圈坯料在1150℃下保溫0.5～1小時，所述鍛造步驟鍛造后的軸承套圈溫度在930℃～980℃，所述快速冷卻步驟將鍛造后的軸承套圈浸入冷卻介質(zhì)中快速冷卻至700℃。本發(fā)明所述保溫時間是45分鐘。本發(fā)明所述冷卻介質(zhì)為水，快速冷卻時間在7～18秒之間。本發(fā)明所述加熱時間為4～7秒，升溫時間2～3分鐘，鍛造時間為4～7秒。本發(fā)明能獲得碳化物球狀、細小而均勻分布的淬火組織，使碳化物顆粒尺寸最大值≤5μm，達到非晶夾雜物引發(fā)裂紋的臨界值以下，提高軸承接觸疲勞壽命。
文檔編號B21K1/04GK102756070SQ201210248909
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者時大方, 楊軍, 趙玲權(quán), 陳康胤, 馬興法 申請人:浙江天馬軸承股份有限公司