本發(fā)明屬于鋼材冶煉和加工工藝，具體涉及一種改善高碳鉻鋼表面殘余壓應(yīng)力及其分布的方法。

背景技術(shù)：

1、材料加工過(guò)程中的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、相變效應(yīng)等均會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力又可以分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)工件的形狀、尺寸和性能都有極為重要的影響。殘余應(yīng)力可以分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，工件易產(chǎn)生裂紋，減少其疲勞壽命。

2、現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)殘余壓應(yīng)力有眾多研究，例如，2006年hyukjae?lee?a?b,shankarmall等研究發(fā)現(xiàn)，殘余壓應(yīng)力可以抑制微裂紋的形成或閉合現(xiàn)有的微裂紋，從而提高試樣的抗疲勞性能(參見(jiàn)文獻(xiàn)b?h?l?a,a?s?m,a?w?y?a.fretting?fatigue?behavior?of?shot-peened?ti-6al-4v?under?seawater?environment[j].materials?science&engineeringa,2006,420(1-2):72-78.doi:10.1016/j.msea.2006.01.031.)。又如，2020年yanfeiwang,honglin?xie等研究發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)化引起的殘余壓應(yīng)力可以有效降低表觀氫擴(kuò)散系數(shù)(參見(jiàn)文獻(xiàn)wang?y,xie?h,zhou?z,et?al.effect?of?shot?peening?coverage?onhydrogen?embrittlement?of?a?ferrite-pearlite?steel[j].international?journalof?hydrogen?energy,2020,45(11).doi:10.1016/j.ijhydene.2020.01.021.)。另外，其他研究也表明，在工件中引入適當(dāng)大小的殘余壓應(yīng)力可以延長(zhǎng)其疲勞壽命，也可以提高拉伸屈服極限、減少脆性破壞、防止和降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等，所以，在一定條件下控制應(yīng)力使殘余壓應(yīng)力合理分布，就可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命。

3、對(duì)于此現(xiàn)有技術(shù)中也有一些研究，例如，公開(kāi)號(hào)為cn110257757a的中國(guó)專利公開(kāi)了一種高碳鉻軸承鋼制零件及其熱處理的加工方法，通過(guò)對(duì)高碳鉻軸承鋼零件熱處理工藝的控制，實(shí)現(xiàn)高碳鉻軸承鋼制零件熱處理后表面應(yīng)力控制。但該專利得到的高碳鉻軸承鋼表面壓應(yīng)力值最高僅為-60mpa，且尚有+80mpa的拉應(yīng)力，不能很好滿足高端軸承所需要的高壓應(yīng)力需求。

4、除此之外，為了獲得理想的表面壓應(yīng)力分布，提高零件抗疲勞壽命，也可以利用滾壓、擠壓、噴丸等機(jī)械方式產(chǎn)生冷變形及硬化層，或者采用高能束處理的加工方式。例如，公開(kāi)號(hào)為cn101135344a的中國(guó)專利公開(kāi)了一種搖臂軸承高碳鉻鋼的復(fù)合處理技術(shù)，該專利通過(guò)前期熱處理及熱處理后的粗磨噴丸工藝，得到了400-1000mpa的殘余壓應(yīng)力。但是該方式存在處理效率低，噴丸工件表面由于彈丸的沖擊變得凹凸不平，粗糙度增加,導(dǎo)致應(yīng)力集中效應(yīng)增大或者表面微裂紋的生成，同時(shí)擴(kuò)大殘余壓應(yīng)力場(chǎng)分布及表層厚度需要很高的鋼丸沖擊速度等問(wèn)題。

5、因此，探索新的加工方法來(lái)提高材料的殘余壓應(yīng)力對(duì)提高零件使用壽命有著深遠(yuǎn)的實(shí)際意義，在工程領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是提供一種改善高碳鉻鋼表面殘余壓應(yīng)力及其分布的方法，通過(guò)對(duì)工藝方法中的具體工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并采用不同壓力、溫度的壓制方法，再對(duì)回火工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)高碳鉻鋼表面殘余壓應(yīng)力及分布情況進(jìn)行改善，提高其使用壽命和零部件的使用性能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種改善高碳鉻鋼表面殘余壓應(yīng)力及其分布的方法，包括如下步驟：

4、(1)退火處理：將高碳鉻鋼原材料棒料改鍛，切割成圓柱坯料，然后在850～900℃保溫1～2h，再爐冷去應(yīng)力退火；

5、(2)超聲清洗：將步驟(1)中的高碳鉻軸承鋼坯料加工成試樣，并進(jìn)行超聲波清洗；

6、(3)組裝：將步驟(2)得到的高碳鉻軸承鋼試樣采用高壓組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，得到高壓組裝塊；

7、(4)壓制：將步驟(3)中的高壓組裝塊進(jìn)行高溫高壓壓制；

8、(5)卸壓：壓制結(jié)束后，自然降至室溫，然后以100～200mpa/min的卸壓速率卸壓至常壓；

9、(6)回火處理：對(duì)步驟(5)得到的高碳鉻軸承鋼試樣進(jìn)行回火處理，得到回火處理后高碳鉻鋼產(chǎn)品。

10、具體的，步驟(1)中所述高碳鉻軸承鋼原材料棒料的化學(xué)成分(wt％)如下表所示：

11、 c si mn p s cr cu 0.95-1.05 0.15-0.35 0.2-0.4 ≤0.027 ≤0.02 1.30-1.65 ≤0.25

12、具體的，步驟(1)中所述改鍛工藝如下表所示：

13、 坯料外徑/mm 加熱溫度/℃ 反復(fù)鐓粗(min/mm) 直接成型(min/mm) ≤80 1130～1180 0.40～0.60 0.60～0.80

14、具體的，本發(fā)明步驟(1)中，之所以增加改鍛并控制其工藝，是由于原料存在碳化物偏析，增加改鍛工藝可以降低碳化物不均勻度，使碳化物分布更加均勻，以滿足熱處理工藝需要；同時(shí)使材料的纖維方向合理分布以提高工具使用壽命。

15、進(jìn)一步的，步驟(3)中的組裝方法為，先在試樣前后上下左右覆蓋zro2保溫材料，再在前后左右四面依次加上石墨管、mgo，并在上下兩側(cè)依次加上ti金屬片、zro2保溫堵頭，最后在外面加上葉臘石。

16、進(jìn)一步的，步驟(4)中的高溫高壓壓制工藝為，先以1.0～1.5gpa/min的升壓速率加壓至3～7gpa，并保持此壓力30～150min；同時(shí)在升壓開(kāi)始2min后進(jìn)行加熱，加熱程序?yàn)?，以?0～300℃/min的速率升溫至600～1500℃，最后，當(dāng)壓力升至3～7gpa、溫度升至600～1500℃時(shí)保持10～60min。

17、進(jìn)一步的，步驟(4)在壓制過(guò)程中，最終壓力誤差不應(yīng)超過(guò)±0.1gpa。

18、進(jìn)一步的，步驟(4)中到達(dá)最終溫度的時(shí)間應(yīng)不小于到達(dá)最終壓力的時(shí)間。

19、進(jìn)一步的，步驟(4)在壓制過(guò)程中，最終溫度的誤差不應(yīng)超過(guò)±30℃。

20、進(jìn)一步的，步驟(6)中，回火處理工藝參數(shù)為，控制進(jìn)爐溫度≤100℃，升溫速率為10～15℃/min進(jìn)行回火，當(dāng)加熱升至550～1000℃時(shí)保溫1～5小時(shí)，然后空冷至常溫。

21、具體的，本發(fā)明步驟(4)中，之所以控制壓力以1.0～1.5gpa/min的速率升至最終壓力3～7gpa，并保持此壓力30～150min，是由于過(guò)短的保壓時(shí)間難以達(dá)到改善殘余應(yīng)力分布的目的，過(guò)長(zhǎng)的保壓時(shí)間不僅耗時(shí)，且對(duì)殘余應(yīng)力的提升作用較小。

22、具體的，本發(fā)明步驟(4)中，之所以控制溫度區(qū)間為600～1500℃，是因?yàn)檩^低的溫度難以達(dá)到熱處理的效果，導(dǎo)致工件硬度較低；而較高的溫度則會(huì)降低工件的表面質(zhì)量，也會(huì)損害工件的顯微組織，難以達(dá)到實(shí)用要求。

23、具體的，本發(fā)明步驟(5)中，之所以控制卸壓速率在0～300mpa/min,是因?yàn)檫^(guò)快的卸壓速率會(huì)使工件表面的殘余應(yīng)力難以得到釋放以達(dá)到均勻化，同時(shí)過(guò)快的卸壓速率可能會(huì)導(dǎo)致“放炮”，從而損壞設(shè)備，并有可能危害人員安全。

24、進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了通過(guò)上述方法加工后制備的高碳鉻鋼產(chǎn)品，具體為高碳鉻軸承鋼產(chǎn)品，經(jīng)本發(fā)明方法處理后的高碳鉻鋼在殘余壓應(yīng)力的分布上更加的均勻，且具有良好的使用壽命。

25、進(jìn)一步的，基于一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了所述加工后的高碳鉻鋼產(chǎn)品在用作裝備零部件中的應(yīng)用。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

27、本發(fā)明的工藝方法與現(xiàn)有技術(shù)中的噴丸處理相比，具有步驟簡(jiǎn)單、加工時(shí)間短、加工效率高的優(yōu)點(diǎn)；相較于常壓熱處理，本發(fā)明提供的方法可以有效地提高殘余壓應(yīng)力，壓應(yīng)力相較于常壓熱處理提高了104.2％，分布更加均勻，對(duì)延長(zhǎng)工件的使用壽命有積極的意義。