用于制造軸承的鋼材、對(duì)其進(jìn)行熱處理的方法和成型件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及金屬材料領(lǐng)域，特別設(shè)及一種鋼材。本發(fā)明還設(shè)及對(duì)運(yùn)種鋼材進(jìn)行熱 處理的方法。本發(fā)明還設(shè)及一種成型件。
【背景技術(shù)】
[0002] 軸承作為機(jī)械設(shè)備中的重要零件，其功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。隨著科技的發(fā)展，在一些特種設(shè)備中，往往需要能承受高 轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷、高溫、低溫并且低噪音的軸承。運(yùn)要求軸承鋼具有高的尺寸穩(wěn)定性、高硬度、 高強(qiáng)度、優(yōu)異的滾動(dòng)接觸疲勞性能W及耐磨性。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，G化15軸承鋼是常用的高硬度軸承鋼，其碳含量在0.95%到1.05% 重量之間。在澤火熱處理后，GCrl5軸承鋼的澤火態(tài)硬度范圍在61皿C到64HRC之間?；鼗鸷?的硬度值范圍在58HRC到62HRC之間。
[0004] G&15軸承鋼在制備過(guò)程中，在進(jìn)行澤火發(fā)生馬氏體相變后，再進(jìn)行回火W盡量使 殘余奧氏體分解，運(yùn)是為了避免殘余奧氏體在外力作用下發(fā)生馬氏體相變而導(dǎo)致軸承尺寸 發(fā)生變化。由此，通常在室溫下，GCrl5軸承鋼僅含有不到3%體積的殘余奧氏體。如此少的 殘余奧氏體使得軸承在受到較大的外力時(shí)，極易產(chǎn)生裂紋，甚至直接導(dǎo)致軸承損壞。運(yùn)嚴(yán)重 限制了由G化15軸承鋼制備的軸承的使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于制造軸承的鋼材。運(yùn)種鋼材含有較多的碳 和侶。使用運(yùn)種鋼材并經(jīng)過(guò)本發(fā)明的熱處理方法之后得到的成型件或軸承含有較多的馬氏 體和較多的殘余奧氏體，運(yùn)使得成型件或軸承具有高的硬度。此外，絕大部分的運(yùn)些殘余奧 氏體在外力作用下不會(huì)發(fā)生馬氏體相變，由此可確保該成型件或軸承的尺寸不變，并且運(yùn) 些殘余奧氏體可W有效地抑制構(gòu)件或軸承由于受到外力作用而產(chǎn)生裂紋或裂紋擴(kuò)展。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于制造軸承的鋼材。W重量含量計(jì)，運(yùn)種鋼 材包括1.22-1.6%的(：、0.5-2%的化、4-8%的41、0.11-1.5%的胞^及小于等于0.7重量的 Si,余量為化和雜質(zhì)。
[0007] 與GCrl5軸承鋼的碳含量(GCrl5軸承鋼的共析碳含量為約0.5wt. %)或鐵碳熱平 衡二元相圖中的共析鋼的碳含量相比，本發(fā)明的用于制造軸承的鋼材含有4-8%的侶，使得 碳的含量被提高到1.22-1.6%，但是在鋼材內(nèi)部仍然不存在網(wǎng)狀碳化物，鋼材的組織也較 為均勻。在隨后的熱處理過(guò)程中，鋼材的良好的組織分布方式會(huì)遺傳下去，從而使得熱處理 后的成型件的組織和性能非常均勻。
[000引在熱處理過(guò)程中，鋼材中的侶提高鋼材的馬氏體相變溫度，運(yùn)抵消了由鋼材的較 高的碳含量導(dǎo)致的馬氏體相變溫度降低。由此，本發(fā)明的鋼材經(jīng)熱處理后仍具有較多的馬 氏體，運(yùn)使得由本發(fā)明的鋼材制備的軸承具有非常高的硬度。馬氏體內(nèi)含有較多的碳，也會(huì) 使得所制備的軸承具有非常高的硬度。
[0009] 更重要的是，由于鋼材中存在有侶，在馬氏體相變后的低溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，在馬氏 體相變后剩余的奧氏體即使部分發(fā)生分解，仍然會(huì)有較大量的奧氏體剩余。運(yùn)些剩余的奧 氏體會(huì)形成在室溫下穩(wěn)定的殘余奧氏體。與現(xiàn)有技術(shù)中的GCrl5軸承鋼W及其他類(lèi)型的軸 承鋼相比相比，由本發(fā)明的鋼材制備的最終成型件含有更多的殘余奧氏體。在成型件受到 外力作用時(shí)，運(yùn)些殘余奧氏體會(huì)抑制脆性的馬氏體(或成型件)產(chǎn)生裂紋及擴(kuò)展。
[0010] 此外，在上述的馬氏體相變后的低溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，侶會(huì)使鋼材的其他組織的過(guò) 量的碳進(jìn)入到殘余奧氏體內(nèi)，運(yùn)導(dǎo)致殘余奧氏體的含碳量會(huì)大幅增加。例如，殘余奧氏體的 碳含量可達(dá)到W重量含量計(jì)2%到5%。與現(xiàn)有技術(shù)中的GCrl5軸承鋼W及其他類(lèi)型的軸承 鋼相比（運(yùn)些軸承鋼的碳含量最高為W重量含量計(jì)1.9%)相比，由本發(fā)明的鋼材制備的最 終成型件的殘余奧氏體的碳含量會(huì)較高，使得其穩(wěn)定性非常好并且不會(huì)發(fā)生馬氏體相變。 對(duì)于軸承而言，在使用過(guò)程中，穩(wěn)定的殘余奧氏體幾乎不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此受力條件下 成型件或軸承的尺寸變化非常小。殘余奧氏體含有較多的碳也會(huì)抑制奧氏體分解，運(yùn)也使 得由本發(fā)明的鋼材制備的最終成型件內(nèi)會(huì)有較大量的殘余奧氏體。
[0011] 此外，A1的加入還可W降低鋼材的密度，運(yùn)有利于降低所制備的成型件的重量。例 如，常規(guī)GCrl5軸承鋼的密度約為7.86g/cm3，而本發(fā)明的一種鋼材Fe-1.25C-1.5Cr-5Al (即，W重量含量計(jì)，C含量為1.25%左右、化含量為1.5%左右、A1含量為5%左右，余量為Fe 和雜質(zhì)）的密度約為7.34g/cm3。
[0012] 應(yīng)理解的是，本發(fā)明的用于制造軸承的鋼材可W為鑄錠、棒材、線材、管材或其他 任何適當(dāng)?shù)男螤睢?br>[0013] 在一個(gè)實(shí)施例中，該鋼材還包括由W下元素組成的組中的至少一種：W重量含量 計(jì)，1.0%W下的1〇;1.0%^下的胖;0.05%^下的11;0.2%^下的帥；0.2%^下的2。 0.2%^下的￥;2.0%^下的〇1;^及4.0%^下的化。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提出了對(duì)上述用于制造軸承的鋼材進(jìn)行熱處理的方法。 該方法包括:步驟一:將鋼材進(jìn)行馬氏體相變;步驟二:將進(jìn)行馬氏體相變后的鋼材進(jìn)行貝 氏體相變；W及步驟Ξ:冷卻到室溫。
[0015] 正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知：鋼材中發(fā)生馬氏體相變的過(guò)程中，并不是所有的奧 氏體都會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，而是有部分奧氏體殘留下來(lái)形成殘余奧氏體。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常 需要將運(yùn)些殘余奧氏體分解，W避免在外力下殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變，而造成成型件 的體積發(fā)生變化。
[0016] 然而，根據(jù)本發(fā)明的熱處理方法，并不需要完全除去運(yùn)些殘余奧氏體，相反要保留 一部分殘余奧氏體。在本發(fā)明的熱處理方法的步驟二中，進(jìn)行貝氏體相變（即，馬氏體相變 后的再次加熱的低溫?zé)崽幚恚?。在整個(gè)過(guò)程中，僅部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體，很多的殘 余奧氏體得W保留下來(lái)。由此，在根據(jù)本發(fā)明的熱處理方法處理后的鋼材或成型件中，會(huì)有 較多的殘余奧氏體。
[0017] 此外，在步驟二中，A1還會(huì)抑制碳轉(zhuǎn)變成碳化物，而是使貝氏體相變期間所產(chǎn)生的 過(guò)量的碳進(jìn)入到殘余奧氏體內(nèi)。A1同樣會(huì)使馬氏體內(nèi)的過(guò)量的碳進(jìn)入到殘余奧氏體內(nèi)。由 此提高了殘余奧氏體的碳含量，運(yùn)會(huì)抑制奧氏體發(fā)生貝氏體相變，從而使得由本發(fā)明的鋼 材制備的最終成型件內(nèi)會(huì)有較大量的殘余奧氏體。
[0018] 貝氏體是在殘余奧氏體上形核長(zhǎng)大的，運(yùn)會(huì)將殘余奧氏體切割非常細(xì)小的殘余奧 氏體組織，運(yùn)也有助于提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性。如上文所述，運(yùn)種高碳且細(xì)小的殘余奧氏 體的穩(wěn)定性非常好，即使在外力作用下，高碳的殘余奧氏體也幾乎不會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。鋼 材內(nèi)高初性的奧氏體抑制了成型件在受到外力作用時(shí)裂紋的擴(kuò)展。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟一中，馬氏體相變的加熱溫度為800°C到950°C，保溫時(shí)間 為10分鐘到300分鐘。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在步驟一中，馬氏體相變的冷卻步驟為冷卻 到室溫到零下196°C之間的溫度，冷卻時(shí)間為0.5分鐘到300分鐘。在本申請(qǐng)中，室溫可理解 為18°C到27°C之間的溫度，優(yōu)選為20°C到25°C之間的溫度。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟二中，貝氏體相變的加熱溫度為150°C到250°C，保溫時(shí)間 為6小時(shí)到240小時(shí)，優(yōu)選為6小時(shí)到140小時(shí)。申請(qǐng)人對(duì)貝氏體相變進(jìn)行如下解釋。在室溫 下，鋼材中的殘余奧氏體具有發(fā)生貝氏體相變的很大的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。但是，由于溫度較 低，原子擴(kuò)散速度非常慢，導(dǎo)致貝氏體轉(zhuǎn)變實(shí)際上難W發(fā)生。在步驟二中，150°C到25(TC的 加熱溫度使得原子擴(kuò)散速度得到大幅提高，使得殘余奧氏體能夠順利地發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。
[0021] 貝氏體相變的保溫時(shí)間為6小時(shí)到240小時(shí)，運(yùn)有助于充分進(jìn)行貝氏體相變，W提 高殘余奧氏體中的碳含量。保溫時(shí)間小于6小時(shí)，則不能保證充分進(jìn)行貝氏體相變，并且殘 余奧氏體中的碳含量達(dá)不到要求。
[0022] 應(yīng)理解的是，在貝氏體相變期間，也釋放了因馬氏體相變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施例中，在步驟一中，馬氏體相變的冷卻步驟可采用冰水混合物冷卻、液 態(tài)氮?dú)饫鋮s或其他任何適當(dāng)?shù)睦鋮s方式。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，在對(duì)鋼材加熱和保溫期間，使用保護(hù)氣體來(lái)防止鋼材被氧化。在 一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，保護(hù)氣體為惰性氣體或氮?dú)狻?br>[0025] 根據(jù)本發(fā)明的第Ξ方面，提出了一種成型件，其由上述的用于制造軸承的鋼材，經(jīng) 上述的對(duì)鋼材進(jìn)行熱處理的方法進(jìn)行熱處理而得到。W體積含量計(jì)，成型件的微觀組織包 括:4%至10%的殘余奧氏體，80%至90%的馬氏體，W及5% W下的碳化物，余量為貝氏體 和雜質(zhì)。如上文所述，一定含量的殘余奧氏體有助于抑制成型件裂紋的擴(kuò)展。
[00%]在一個(gè)實(shí)施例中，W重量含量計(jì)，殘余奧氏體包含2%到5.5%的碳。如上文所述， 殘余奧氏體的含碳量如此高，有助于提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性，防止其發(fā)生馬氏體相變。優(yōu) 選地，殘余奧氏體的尺寸10納米到500納米，更優(yōu)選為10納米到50納米。此外，殘余奧氏體的 形貌大體為膜狀。運(yùn)也有助于提高成型件的力學(xué)性質(zhì)。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施例中，成型件的硬度在64皿C到69皿C之間，平面斷裂初性在16MPa.ml/2到28M化.ml/2之間。平面斷裂初性用于表征成型件在受到外力作用下，成型件抵抗裂紋擴(kuò) 展、斷裂的能力，吸收變形能量的能力。平面斷裂初性越高，則成型件的阻礙裂紋擴(kuò)展的能 力越好。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施例中，成型件為軸承的套圈、外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架組成的組中 的任意一個(gè)或多個(gè)。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的鋼材中含有較多的碳和侶。在使用 本發(fā)明的鋼材制備的成型件中含有較多的馬氏體和較多的殘余奧氏體，殘余奧氏體也非常 穩(wěn)定，因此成型件具有非常高的硬度，并且在外力沖擊下也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：
[0031] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的試樣1-1的微觀