專(zhuān)利名稱(chēng)：由軸承鋼形成的軋制元件或者環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體而言，本發(fā)明涉及冶金領(lǐng)域和軸承工件，例如由軸承鋼形成的軋制元件或者 環(huán)。熱處理在軸承鋼的表面區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而改善其機(jī)械性能，例如滾動(dòng)觸點(diǎn)疲 勞性。
背景技術(shù)：
軸承是允許兩個(gè)部分間的受約束相對(duì)移動(dòng)(constrained relative motion)的裝 置。軋制元件軸承包括內(nèi)軸承座圈和外軸承座圈及大量軋制元件(滾珠軸承或者滾柱軸 承)。對(duì)于長(zhǎng)期可靠性和長(zhǎng)期性能而言，各種元件具有高抗軋制疲勞性、高耐磨性和高耐蠕 變性是重要的。傳統(tǒng)的制造金屬工件的技術(shù)包括熱軋或熱鍛以形成條、桿、管或環(huán)，隨后通過(guò)軟成 型方法得到所需的工件。表面硬化方法是眾所周知的，并且用于局部增加已完成工件的表 面硬度，從而改善例如耐磨性和抗疲勞性。已知許多表面硬化方法用于改善滾動(dòng)觸點(diǎn)疲勞性。噴丸硬化工藝(shotpeening) 是用圓噴丸轟擊金屬工件表面從而局部硬化表面層。但是，這個(gè)方法導(dǎo)致表面光潔度粗糙， 這會(huì)產(chǎn)生其它的問(wèn)題，因此需要采取一些另外的步驟來(lái)改善表面光潔度。這就增加了生產(chǎn) 成本。表面硬化(case hardening)也可以通過(guò)在含碳介質(zhì)中加熱鋼工件以增加碳含量 并接著淬火及回火得以實(shí)現(xiàn)。這種熱化學(xué)方法已知為滲碳，導(dǎo)致工件的表面化學(xué)成分和工 件核心的化學(xué)成分很不一樣?；蛘?，硬質(zhì)表面層可以通過(guò)快速加熱中/高碳鋼至高于鐵素 體/奧氏體轉(zhuǎn)變溫度并接著淬火及回火產(chǎn)生硬質(zhì)表面層而得以形成。加熱表面?zhèn)鹘y(tǒng)上是通 過(guò)火焰硬化(flame hardening)實(shí)現(xiàn)的，雖然現(xiàn)在經(jīng)常使用激光表面硬化和感應(yīng)加熱淬火 (inductionhardening)。感應(yīng)加熱淬火涉及通過(guò)將鋼工件暴露于交變磁場(chǎng)的方式將鋼工件 加熱至轉(zhuǎn)變范圍內(nèi)或高于轉(zhuǎn)變范圍的溫度，接著進(jìn)行淬火。加熱主要發(fā)生在工件的表面，工 件的核心基本上保持未受影響。磁場(chǎng)滲透(penetration)是和磁場(chǎng)頻率成反比的，因此可 以簡(jiǎn)單的方式調(diào)節(jié)硬化的深度。磁場(chǎng)滲透也取決于能量密度和相互作用時(shí)間。表面硬化的 備選方案是全硬化。全硬化工件不同于表面硬化工件，全硬化工件的硬度在整個(gè)工件中是 均勻的或大體上是均勻的。制造全硬化工件通常也比制造表面硬化工件便宜，因?yàn)樗鼈儽?免了比如伴隨著滲碳過(guò)程的復(fù)雜的熱處理。使用的鋼號(hào)取決于工件的截面厚度。對(duì)于壁厚 厚至約20mm的工件而言，通常使用Dmi00Cr6。如果截面尺寸較大，則使用合金度更高的鋼 號(hào)，比如，DIN100CrMo7-3、DIN100CrMnMo7、DIN100CrMo7-4 或 DIN100CrMnMo8。對(duì)于全硬化軸承鋼工件，有兩種熱處理方法馬氏體硬化或等溫淬火。工件性能， 比如韌性、硬度、顯微組織、殘留奧氏體含量和尺寸穩(wěn)定性，是與所用具體類(lèi)型的熱處理相 關(guān)聯(lián)或受其影響的。馬氏體全硬化工藝包括使鋼奧氏體化，然后在低于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí)進(jìn)行淬 火。之后鋼經(jīng)低溫回火以穩(wěn)定顯微組織。馬氏體全硬化工藝通常在WCS (工作接觸表面)和深至WCS下方約1. 5mm處之間產(chǎn)生O至+IOOMPa的殘余壓應(yīng)力(CRS)。貝氏體全硬化工藝包括使鋼奧氏體化，然后在高于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí)進(jìn)行淬火。淬火之后進(jìn)行等溫貝氏體轉(zhuǎn)變。有時(shí)優(yōu)選在鋼中進(jìn)行貝氏體全硬化而不是馬氏體全硬 化。這是因?yàn)樨愂象w組織具有優(yōu)異的機(jī)械性能，比如韌性和抗裂紋擴(kuò)展性。貝氏體全硬化 工藝通常在WCS和深至WCS下方約1. 5mm處之間產(chǎn)生0至-IOOMPa的CRS。已知有很多用來(lái)實(shí)現(xiàn)馬氏體全硬化和貝氏體全硬化的常規(guī)熱處理方法。US 5，853，660涉及軸承鋼，其由以下成分構(gòu)成0. 70至0.93重量％的(、0. 15至 0. 50重量％的Si、0. 50至1. 10重量％的Mn和0. 3至0. 65重量％的Cr，余量為鐵，其中Cr 比C的比率是0.4至0.7。US 4，023，988涉及改善金屬軸承工件的滾動(dòng)觸點(diǎn)疲勞壽命的方法，特別是鉻鋼工 件，商業(yè)上命名為SAE52100(0. 98-1. 碳、0. 25-0. 45%錳、磷和硫中的每一種最大均為 0. 025,0. 2-0. 35%硅以及 1. 3-1. 6%鉻)。US 5，851，313涉及表面硬化的不銹鋼軸承工件和制造軸承的方法。US 6，203，634涉及熱處理全硬化的軸承鋼工件的方法。US 6，149，743涉及完全貝氏體硬化鋼的方法，所述的鋼用于軸承和荷重工件中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決至少一些與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題。相應(yīng)地，在第一方面中，本發(fā)明提供由軸承鋼形成的軸承工件，其中，該工件具有 外表面以及包含全硬化的貝氏體和/或馬氏體并具有基本均勻的化學(xué)組成，至少部分的軸 承工件具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-25至-lOOOMPa。“近表面”定義為在外表面以下500微米或者小于500微米的區(qū)域，例如，在外表面 以下50微米到500微米范圍的區(qū)域。更優(yōu)選地，近表面是在外表面以下300微米或者小于 300微米的區(qū)域，例如，在外表面以下50微米到300微米范圍的區(qū)域。如果軸承工件包含全硬化的貝氏體作為主要相，那么殘余壓應(yīng)力分布優(yōu)選地包括 近表面處為-100至-900MPa。更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布包括近表面處為_(kāi)200至_900MPa。 更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布包括近表面處為-250至-900MPa。更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布 包括近表面處為-300至-900MPa。仍更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-300 至-SOOMPa。貝氏體優(yōu)選地以至少50體積％的量存在，更優(yōu)選地以至少75體積％的量存 在。優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布進(jìn)一步包括在外表面下0. 5至1毫米深處為-100 至-500MPa。更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布進(jìn)一步包括在外表面下0. 5至1毫米深處為-200 至-400MPa。如果軸承工件包括全硬化的馬氏體作為主要相，殘余壓應(yīng)力分布優(yōu)選地包括近表 面處為-25至-700MPa。更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布包括近表面處為_(kāi)50至_700MPa。更優(yōu) 選地，殘余壓應(yīng)力分布包括近表面處為-75至-700MPa。更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布包括近 表面處為-100至-700MPa。仍更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布包括近表面處為_(kāi)150至_700MPa。 馬氏體優(yōu)選地以至少50體積％的量存在，更優(yōu)選地以至少75體積％的量存在。再一次地，殘余壓應(yīng)力分布優(yōu)選地進(jìn)一步包括在外表面下0. 5至1毫米深處為-100至-500MPa。更優(yōu)選地，殘余壓應(yīng)力分布進(jìn)一步包括在外表面下0. 5至1毫米深處為-200 至-400MPa。軸承工件可以例如是軋制元件、內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的一種或者多種。在第二方面中，本發(fā)明提供了在鋼工件表面區(qū)域產(chǎn)生(induce)殘余壓應(yīng)力的方 法，該方法包括具有如下步驟的熱處理(i)提供包含鋼組成的工件；(ii)感應(yīng)加熱工件的至少部分，接著淬火所述至少部分，其中，所述工件表面區(qū)域 的硬度增加；(iii)接著進(jìn)行馬氏體和/或貝氏體全硬化步驟，從而得到包含馬氏體和/或貝氏 體的顯微組織。在感應(yīng)加熱時(shí)，所述工件的至少部分優(yōu)選地加熱至0. 5 3mm的深度，更優(yōu)選至 0. 75 2. 5mm的深度，尤其更優(yōu)選至1 2mm的深度。就是說(shuō)感應(yīng)加熱優(yōu)選地穿透至至少 約0. 5mm的深度和至多最大約3mm的深度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱至這樣的深度，和該方法的 其它步驟一起，在工件表面區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力(CRS)，從而改善其機(jī)械性能，比如疲勞 性。在感應(yīng)加熱時(shí)，所述工件的至少部分的表面優(yōu)選達(dá)到1000°C 1100°C的溫度，更 優(yōu)選達(dá)到1020°C 1080°C的溫度。淬火后，表面的顯微組織包含馬氏體或至少作為主要相 的馬氏體。馬氏體優(yōu)選地以表面顯微組織的至少50體積％、更優(yōu)選至少75體積％的量存在。該方法在步驟(iii)之后還可以進(jìn)一步包括(iv)感應(yīng)加熱工件的至少部分，接 著淬火工件的所述至少部分，其中，工件表面區(qū)域的硬度得以增加。在第三方面中，本發(fā)明提供了在鋼工件表面區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的方法，該方 法包含具有如下步驟的熱處理(a)提供包含鋼組成的工件；(b)進(jìn)行馬氏體和/或貝氏體全硬化步驟，從而得到包含馬氏體和/或貝氏體的顯 微組織；(c)感應(yīng)加熱工件的至少部分，接著淬火工件的所述至少部分，其中，工件表面區(qū) 域的硬度得以增加。在第三方面中，在感應(yīng)加熱期間，工件的至少所述部分優(yōu)選加熱至1 6mm的深 度，更優(yōu)選至2 5mm的深度。在第三方面中，在感應(yīng)加熱期間，工件的所述至少部分的表面優(yōu)選達(dá)到900°C 1000°c的溫度，更優(yōu)選達(dá)到920°C 980°C的溫度。淬火后，表面顯微組織包含馬氏體或至 少作為主要相的馬氏體。馬氏體優(yōu)選地以表面顯微組織的至少50體積％、更優(yōu)選至少75體 積％的量存在。這樣的顯微組織是有利的，特別是如果步驟(b)包括貝氏體全硬化步驟。在 這個(gè)情況中，鋼工件包括貝氏體核心(貝氏體作為主要相；貝氏體優(yōu)選地以至少50體積％、 更優(yōu)選至少75體積％的量存在)和馬氏體表面(馬氏體作為主要相)。這個(gè)結(jié)果增加表面 和核心之間的熱應(yīng)變。在第三方面中，在感應(yīng)加熱和淬火之后，優(yōu)選地對(duì)工件進(jìn)行回火，優(yōu)選在高至約 250 0C的溫度下進(jìn)行低溫回火。
所述工件優(yōu)選地是軸承工件，例如軸承座圈和/或軋制元件。相應(yīng)地，按照第二方 面和/或第三方面的方法優(yōu)選用來(lái)制造按照本發(fā)明第一方面的產(chǎn)品?，F(xiàn)在將進(jìn)一步闡述本發(fā)明。在接下來(lái)的段落詳細(xì)地闡述本發(fā)明的不同的方面/實(shí) 施方式。如此確定的各個(gè)方面/實(shí)施方式可以與任何其它的一個(gè)或多個(gè)方面/實(shí)施例進(jìn)行 組合，除非明確有相反指示。具體地，任一指明為優(yōu)選的或有利的特征可以與任何其它的一 個(gè)和多個(gè)優(yōu)選的或有利的特征進(jìn)行組合。本發(fā)明包含有關(guān)全硬化熱處理方法的前感應(yīng)(pre-induction)過(guò)程或者后感應(yīng) (pre-induction)過(guò)程，從而引入熱應(yīng)變和/或相變應(yīng)變從而實(shí)現(xiàn)大的殘余壓應(yīng)力(CRS)。 具體地，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)如下的軸承產(chǎn)品，其在近表面處的殘余壓應(yīng)力優(yōu)選為-200至-900MPa， 通常在表面下Imm深處保持在-300至-500MPa。近表面通常為在熱處理表面以下小于 500 μ m。該CRS優(yōu)于常規(guī)的軸承工件。
該方法可應(yīng)用于所有的全硬化軸承鋼號(hào)。鋼通常為中碳鋼(0. 3到0. 8%的碳) 或高碳鋼(大于0. 8%的碳)，比如高碳鉻鋼或低合金軸承鋼。比如，0. 65-1. 20重量％ C、 0. 05-1. 70 重量 ％ SiU. 1-2. 2 重量 ％ Cr、0. 10-0. 1. 10 重量 ％ Μη、0· 02-1. 0 重量 ％ Ni、 0. 02-0. 70重量％ Mo，余量為鐵和不可避免的雜質(zhì)。合適的商品實(shí)例包括Dmi00Cr6(= SAE52100)、DIN100CrMo7-3, DIN100CrMnMo7, DIN100CrMo7-4 和 DIN100CrMnMo8。感應(yīng)加熱優(yōu)選為中頻和/或高頻感應(yīng)加熱，在2 IOOkHz的頻率進(jìn)行是有利的。 相互作用時(shí)間和功率大小按照工件大小和所需深度而有所變化。感應(yīng)加熱后優(yōu)選淬火至例如室溫(20°C到25°C )或者甚至0°C或者更低。在第二方面中，感應(yīng)加熱步驟有利地通過(guò)使用中頻和/或高頻感應(yīng)加熱(優(yōu)選在 2 IOOkHz的頻率，更優(yōu)選在5 20kHz的頻率)至通常為0. 5 3mm、更通常為1 2_ 的深度，從而實(shí)現(xiàn)快速表面加熱。表面優(yōu)選達(dá)到iooo°c iioo°c的溫度，更優(yōu)選地達(dá)到 1020°C 1080°C的溫度。如上所述，感應(yīng)加熱后，工件優(yōu)選使用例如油或者聚合物溶液進(jìn)行 淬火，以便“凍結(jié)”表面處理的效果。在第三方面中，感應(yīng)加熱步驟有利地通過(guò)使用中頻和/或高頻感應(yīng)加熱(優(yōu)選在 2 IOOkHz的頻率，更優(yōu)選在40 130kHz的頻率)至通常為1 6mm、更通常為2 5mm的 深度，從而實(shí)現(xiàn)快速表面加熱。表面優(yōu)選達(dá)到900°C 1000°C的溫度，更優(yōu)選達(dá)到920°C 980°C的溫度。如上所述，感應(yīng)加熱后，工件優(yōu)選使用比如油或者聚合物溶液進(jìn)行淬火，以便 “凍結(jié)”表面處理的效果。如果第二方面或第三方面的方法包括馬氏體全硬化步驟，那么可以依靠常規(guī)方 法。比如，馬氏體全硬化步驟通常包括使鋼奧氏體化并接著在低于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí) 淬火鋼(馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度通常為180°C 220°C，更通常為190°C 200°C，尤其更通常 為約200°C)。淬火可以使用例如熔鹽進(jìn)行。馬氏體全硬化步驟之后，工件優(yōu)選在例如冷水 中后淬火以便進(jìn)一步促進(jìn)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。后淬火之后，工件優(yōu)選進(jìn)行低溫回火以穩(wěn) 定顯微組織。同樣地，如果該方法包括貝氏體全硬化步驟，那么可以依靠常規(guī)方法。比如，貝 氏體全硬化步驟通常包括使鋼奧氏體化并接著在高于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí)淬火鋼(馬 氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度通常為180°C 220°C，更通常為190°C 200°C，尤其更典型的是約 200°C)0淬火可以使用例如油或者熔鹽進(jìn)行。接著進(jìn)行等溫的貝氏體轉(zhuǎn)變，其優(yōu)選在200°C 250°C的溫度范圍進(jìn)行，更優(yōu)選在210°C 240°C的溫度范圍進(jìn)行。鋼優(yōu)選保持在這 個(gè)溫度范圍內(nèi)持續(xù)1 30個(gè)小時(shí)，更優(yōu)選2. 5 20個(gè)小時(shí)，這取決于鋼號(hào)和截面厚度。無(wú)論所期望的是馬氏體和/或貝氏體中的一種還是兩種，優(yōu)選將鋼奧氏體化(然 后在低于/高于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí)進(jìn)行淬火)。奧氏體化是本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的。然 而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)(特別和第一方面有關(guān))，通過(guò)應(yīng)用比正常使用的硬化溫度(比如 840°C 890°C )低10°C 50°C的硬化溫度時(shí)的全硬化進(jìn)一步地促進(jìn)CRS增加。相信這是 因?yàn)楹诵牟糠謯W氏體化不足(under-austenitised)，而表面部分奧氏體化略微過(guò)度。因此， 相轉(zhuǎn)變差異會(huì)更加顯著。表面部分延遲相轉(zhuǎn)變的好處在于它將發(fā)生在全部或者部分轉(zhuǎn)變的 核心上，這將限制塑性變形的可能性(相轉(zhuǎn)變通常涉及體積增加)，因此最終的表面應(yīng)力狀 態(tài)將變成受壓縮的(compressive)。因?yàn)檫@些原因，奧氏體化優(yōu)選在790°C 890°C的溫度、 更優(yōu)選在790°C 880°C的溫度、尤其優(yōu)選在790°C 840°C的溫度進(jìn)行。鋼優(yōu)選保持在這 個(gè)溫度范圍內(nèi)持續(xù)靜置10 70分鐘、更優(yōu)選20 60分鐘。 通常，奧氏體化在大氣熔爐里進(jìn)行，這里工件能達(dá)到貫穿橫切面的均一的溫度。結(jié) 果是，有利地實(shí)現(xiàn)了均一的奧氏體化和滲碳體的溶解(dissolution)。在本發(fā)明中，鋼的化學(xué)組成保持基本上不變。換句話說(shuō)，這個(gè)過(guò)程不需要包括熱化 學(xué)富集(enrichment)過(guò)程。這和傳統(tǒng)的表面硬化(case-hardening)處理形成對(duì)比。最終的顯微組織包含作為主要相的(回火)馬氏體或貝氏體或者兩者的組合。也 可能存在滲碳體。總體來(lái)說(shuō)，從表面到核心的顯微組織表現(xiàn)為基本均一的。但是，也可能存 在一些合金元素的固有偏析(inherent segregation)(比如，N、C、Cr、Si、Mn)。表面內(nèi)的硬度通常為50-75HRC，更通常為56-68HRC。殘余的奧氏體含量通常為 0 30%。位于下方的核心也包含馬氏體和/或貝氏體，或它們的混合物。核心顯微組織的 硬度通常為大于50HRC，更通常為大于56HRC。核心的硬度一般來(lái)說(shuō)不會(huì)超過(guò)67HRC，更通常 的是，硬度不會(huì)超過(guò)64HRC。殘余的奧氏體含量通常為0 20%。在本發(fā)明的第三方面中，熱處理步驟導(dǎo)致了在硬度和顯微組織上均明顯的過(guò)渡區(qū) 域。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)如下的軸承產(chǎn)品，其優(yōu)選地制備出CRS在近表面處優(yōu)選為-200 至-900MPa，在表面下Imm深處維持在-300至_500MPa。這樣的CRS分布與傳統(tǒng)的軸承工 件比較起來(lái)是非常有利的。在第四方面中，本發(fā)明提供了包括第二方面和第三方面的方法。這里，根據(jù)第二方 面的第一感應(yīng)加熱步驟，主要引入了碳化物溶解梯度，其影響相轉(zhuǎn)變特性。這之后進(jìn)行馬氏 體和/或貝氏體全硬化。接著，實(shí)施根據(jù)第三方面的第二感應(yīng)加熱步驟，以在表面和核心之 間引入熱應(yīng)變。高溫軸承操作時(shí)，需要更高的過(guò)盈配合(interference fits)以便保持環(huán)固定在 軸上。因?yàn)楦叩倪^(guò)盈配合導(dǎo)致大的圓周應(yīng)力，穿透裂紋的風(fēng)險(xiǎn)增加了。因?yàn)榻M織應(yīng)力 和安裝應(yīng)力(mounting stress)，例如圓周應(yīng)力，疊加在顯微組織應(yīng)力上，穿透裂紋會(huì)是災(zāi) 難性的。因此，大的CRS使以高過(guò)盈配合安裝軸承同時(shí)穿透裂紋風(fēng)險(xiǎn)較低成為可能。即使 發(fā)生穿透裂紋，CRS具有裂紋閉合效果(crack-closing effect)，也就是安全-失效模式 (safe-failure mode)0


現(xiàn)在以下列實(shí)施例的方式，參考實(shí)施例和附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明， 其中圖1是顯示實(shí)施例1工件的殘余壓應(yīng)力分布的曲線圖；圖2a和2b是顯示實(shí)施例1工件的表面(a)和核心(b)的顯微組織的顯微照片；圖3是顯示實(shí)施例1工件在感應(yīng)加熱步驟之后但是在貝氏體全硬化步驟之前的硬 度分布的曲線圖；圖4是顯示實(shí)施例1工件在感應(yīng)加熱步驟和貝氏體全硬化步驟之后的硬度分布的 曲線圖；圖5是顯示實(shí)施例2工件在熱處理之后并與標(biāo)準(zhǔn)馬氏體和標(biāo)準(zhǔn)貝氏體相比的殘余 壓應(yīng)力分布的曲線圖；圖6a、圖6b、圖6c是顯示實(shí)施例2工件在貝氏體全硬化和感應(yīng)加熱步驟之后的表 面(a)、過(guò)渡區(qū)域(b)以及核心(c)的顯微組織的顯微照片；圖7是顯示實(shí)施例2工件在貝氏體全硬化和感應(yīng)加熱步驟之后的硬度分布的曲線 圖；圖8是顯示實(shí)施例3工件在馬氏體全硬化和感應(yīng)加熱步驟之后的殘余壓應(yīng)力分布 的曲線具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 (預(yù)處理和貝氏體再硬化)測(cè)試工件由100Cr6鋼形成的球形滾柱軸承(SRB)外環(huán)(0D180mm)。預(yù)處理通過(guò) IOkHz的感應(yīng)表面加熱達(dá)到 1050°C的表面溫度和 2mm的預(yù)處 理深度，之后用5%的Aquaquench聚合物溶液進(jìn)行淬火。貝氏體全硬化使用820°C溫度和20分鐘保溫時(shí)間的條件進(jìn)行爐內(nèi)再硬化 (furnace rehardening)，之后在 230°C的熔融Petrofer AS140鹽中進(jìn)行淬火和轉(zhuǎn)變，持 續(xù)240分鐘，之后在靜止空氣里冷卻。圖1是顯示實(shí)施例1工件的殘余壓應(yīng)力分布的曲線圖。該曲線圖顯示近表面的 CRS為-300至-800MPa。CRS在表面下至少1. 2mm處維持在_300MPa。圖2a和2b是顯示實(shí)施例1工件的表面(a)和核心(b)的顯微組織的顯微照片。 顯微照片顯示了貝氏體顯微組織。表面顯微組織比起核心的顯微組織略粗，并具有更少的 殘余碳化物(滲碳體)。圖3是顯示實(shí)施例1工件僅在前感應(yīng)過(guò)程后的硬度分布的曲線圖。圖4是顯示實(shí)施例1工件在全部過(guò)程之后的硬度分布的曲線圖。實(shí)施例2 (貝氏體全硬化和后處理)測(cè)試工件由100Cr6鋼形成的圓柱形滾柱軸承(CRB)內(nèi)環(huán)(0D120mm)。貝氏體全硬化在860°C和20分鐘保溫時(shí)間的條件下進(jìn)行爐內(nèi)再硬化，之后在 2300C的熔融Petrofer AS140鹽中進(jìn)行淬火和轉(zhuǎn)變，持續(xù)240分鐘，之后在靜止空氣里冷 卻。后處理通過(guò) 8kHz的感應(yīng)表面加熱達(dá)到 940°C的表面溫度和 1. 8mm的表面硬化深度(case cbpth)，之后用5%的Aquatensid聚合物淬火溶液進(jìn)行淬火和在160°C回 火60分鐘。圖5是顯示實(shí)施例2工件在熱處理之后并與標(biāo)準(zhǔn)馬氏體和標(biāo)準(zhǔn)貝氏體相比的殘余 壓應(yīng)力分布的曲線圖。圖6a、圖6b、圖6c是顯示實(shí)施例2工件在貝氏體全硬化和感應(yīng)加熱步驟之后的表 面(a)、過(guò)渡區(qū)域(b)以及核心(c)的顯微組織的顯微照片。顯微照片顯示了表面顯微組織 為馬氏體，轉(zhuǎn)變區(qū)域中顯微組織為回火貝氏體，核心顯微組織為貝氏體。圖7是顯示實(shí)施例2工件在貝氏體全硬化和感應(yīng)加熱步驟之后的硬度分布的曲線 圖。硬度分布曲線圖顯示出過(guò)渡區(qū)域。 實(shí)施例3 (馬氏體全硬化和過(guò)盈配合后處理)測(cè)試工件由100Cr6鋼形成的深溝球軸承(DGBB)內(nèi)環(huán)(0D62mm)。馬氏體全硬化在860°C和20分鐘保溫時(shí)間的條件下進(jìn)行爐內(nèi)再硬化，之后在 60°C的油里進(jìn)行油淬，并在160°C下回火60分鐘。后處理安裝在過(guò)大尺寸的軸上從而產(chǎn)生圓周應(yīng)力。通過(guò) 90kHz的感應(yīng)表面加 熱達(dá)到 940°C的表面溫度和 1. 8mm的表面硬化深度，之后用5% Aquatensid聚合物淬 火溶液進(jìn)行淬火，并在160°C下回火60分鐘。除去軸。圖8是顯示實(shí)施例3工件于不同程度的圓 周應(yīng)力下在馬氏體全硬化和感應(yīng)加熱步 驟之后的殘余壓應(yīng)力分布的曲線圖。
權(quán)利要求
由軸承鋼形成的軸承工件，其中，所述工件具有外表面以及包含全硬化的貝氏體和/或馬氏體并具有基本均勻的化學(xué)組成，至少部分的軸承工件具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-25至-1000MPa，其中，“近表面”定義為在外表面以下500微米或者小于500微米的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-100 至-900MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-200 至-900MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-300 至-800MPa。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在外表 面下0. 5至1毫米深處為-100至-500MPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在外表面下0.5至 1毫米深處為-200至-400MPa。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸承工件，其包含全硬化的貝氏體作為主要相。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-25 至-700MPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-50 至-700MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的軸承工件，其具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處 為-150 至-700MPa。
11.根據(jù)權(quán)利要求8 10中任一項(xiàng)所述的軸承工件，其包含全硬化的馬氏體作為主要相。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的軸承工件，其是軋制元件、內(nèi)環(huán)和外環(huán)中的至少一種。
13.在軸承鋼工件表面區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的方法，所述方法包括具有下列步驟的 熱處理(i)提供包含鋼組成的軸承工件；(ii)感應(yīng)加熱工件的至少部分，接著淬火所述至少部分，其中，所述工件表面區(qū)域的硬 度增加；(iii)接著進(jìn)行馬氏體和/或貝氏體全硬化步驟，從而得到包含馬氏體和/或貝氏體的 顯微組織。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，在感應(yīng)加熱時(shí)，所述工件的至少部分優(yōu)選地加 熱至0. 5 3mm的深度，尤其更優(yōu)選至1 2mm的深度。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中，在感應(yīng)加熱時(shí)，所述工件的至少部分的表 面優(yōu)選達(dá)到1000°C 1100°C的溫度，更優(yōu)選達(dá)到1020°C 1080°C的溫度。
16.在軸承鋼工件表面區(qū)域中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的方法，所述方法包含具有如下步驟的 熱處理(a)提供包含鋼組成的軸承工件；(b)進(jìn)行馬氏體和/或貝氏體全硬化步驟，從而得到包含馬氏體和/或貝氏體的顯微組織；(c)感應(yīng)加熱工件的至少部分，接著淬火工件的所述至少部分，其中，工件表面區(qū)域的 硬度得以增加。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在感應(yīng)加熱時(shí)，所述工件的至少部分優(yōu)選地加 熱至1 6mm的深度，尤其更優(yōu)選至2 5mm的深度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的方法，其中，在感應(yīng)加熱時(shí)，所述工件的至少部分的表 面優(yōu)選達(dá)到900°C 1000°C的溫度，更優(yōu)選達(dá)到920°C 980°C的溫度。
19.根據(jù)權(quán)利要求16 18中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在感應(yīng)加熱和淬火之后對(duì)工件 進(jìn)行回火。
20.根據(jù)權(quán)利要求13 19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述鋼是中碳鋼或高碳鋼。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，所述鋼是高碳鉻鋼。
22.根據(jù)權(quán)利要求13 21中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述感應(yīng)加熱是中頻感應(yīng)加熱 和/或高頻感應(yīng)加熱。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述感應(yīng)加熱在2 100kHz的頻率進(jìn)行。
24.根據(jù)權(quán)利要求13 23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述淬火在感應(yīng)加熱之后進(jìn)行。
25.根據(jù)權(quán)利要求13 24中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述馬氏體全硬化步驟包括使 鋼奧氏體化和接著在低于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí)對(duì)鋼進(jìn)行淬火。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，在所述馬氏體全硬化步驟之后進(jìn)行后淬火以 進(jìn)一步促進(jìn)奧氏體至馬氏體的轉(zhuǎn)變。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，在所述后淬火之后對(duì)工件進(jìn)行回火。
28.根據(jù)權(quán)利要求13 27中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述貝氏體全硬化步驟包括使 鋼奧氏體化、在高于馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度時(shí)對(duì)鋼進(jìn)行淬火和接著進(jìn)行等溫貝氏體轉(zhuǎn)變。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述等溫貝氏體轉(zhuǎn)變?cè)?10°C 240°C的溫度 范圍進(jìn)行，優(yōu)選進(jìn)行2. 5至20個(gè)小時(shí)。
30.根據(jù)權(quán)利要求25 29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述鋼在790°C 890°C的溫 度、優(yōu)選在790°C 880°C的溫度、更優(yōu)選在790°C 840°C的溫度進(jìn)行奧氏體化，優(yōu)選進(jìn)行 20至60分鐘。
31.根據(jù)權(quán)利要求13 15中任一項(xiàng)所述的方法，所述方法在步驟(iii)之后還包括 (iv)感應(yīng)加熱工件的所述至少部分，接著淬火工件的所述至少部分，其中，所述工件表面區(qū) 域的硬度增加。
32.根據(jù)權(quán)利要求13 31中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述方法是非熱化學(xué)過(guò)程。
33.根據(jù)權(quán)利要求13 32中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述工件是軸承軋制元件或環(huán)。
34.權(quán)利要求1 12中任一項(xiàng)所定義的軸承工件，其為通過(guò)權(quán)利要求13 33中任一 項(xiàng)所定義的方法得到的。
35.權(quán)利要求1 12中任一項(xiàng)所定義的軸承工件，其中，所述工件的表面顯微組織包含 馬氏體作為主要相，所述工件的核心包含貝氏體作為主要相。
全文摘要
由軸承鋼形成的軸承工件，其中，該工件具有外表面以及包含全部硬化的貝氏體和/或馬氏體并具有基本均勻的化學(xué)組成，至少部分的軸承工件具有的殘余壓應(yīng)力分布包括在近表面處為-25至-1000MPa，其中，“近表面”定義為在外表面以下500微米或者小于500微米的區(qū)域。
文檔編號(hào)C21D1/78GK101868558SQ200880116966
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月4日
發(fā)明者史蒂文·萊恩, 彼得·紐曼, 英杰瑪·斯特蘭德?tīng)? 邁克爾·B·森德克維斯特 申請(qǐng)人:Skf公司