CN105043909B - 一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，该检测方法包括，有效硬化层深度检测：对轴承零件高温回火处理后检测零件表面至其心部维氏硬度为500HV处距离为0.3～0.5mm；渗层碳氮浓度检测：于距零件表面0.15mm深处测得C 1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N 1.5%～2.0%；硬度检测：于距零件表面0.1mm、2mm深处分别测得60～67HRC、58～63HRC；残余奥氏体含量检测：于距零件表面0.05mm、2mm深处分别测得17～40%、5～12%，渗层金相组织检测：隐针或细针含氮马氏体，碳氮化物呈颗粒状，无块状、角状、网状，碳氮化物颗粒尺寸不大于8μm。本方法可靠，且耗时短。

Description

一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法

技术领域

本发明涉及一种高碳铬轴承钢（GCr15）零件的检测方法，具体为一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法。

背景技术

使用于汽车手动变速箱、工业减速机、摩托车曲轴、汽车交流发电机等用途的滚动轴承，由于润滑油或润滑脂的污染比较严重，工作条件非常恶劣，滚动轴承往往会由于轴承零件发生表面起源型的疲劳剥落而发生早期失效。例如，在汽车手动变速箱中，齿轮的啮合产生很多金属碎屑和金属粉末，这些金属碎屑和金属粉末俗称磨粒，混在润滑油中，随润滑油进入轴承内部，在轴承运转过程中，磨粒卡入钢球和滚道的接触区，在钢球和滚道表面引起大量压痕，使轴承零件发生表面起源型的疲劳剥落,使轴承早期失效。如果对高碳铬轴承钢零件进行碳氮共渗处理，使零件的表层组织中存在一定的残余奥氏体含量，同时在碳氮原子的固溶强化作用下，不降低零件表层的硬度和接触疲劳强度，这样就能够降低压痕的危害性，从而延长污染润滑工况下轴承的使用寿命。因此，若能保证轴承零件的碳氮共渗处理质量，则能延长既定设计轴承的长寿命。然而，评价轴承零件碳氮共渗的质量和效果需要对轴承进行疲劳寿命试验。轴承的疲劳寿命是基于足够的试验数据并通过概率统计的方法得到的，耗时长、成本高，并且不能满足生产线上快速生产和检测的需求，进而难以高效率指导轴承零件的碳氮共渗热处理工艺。

中国专利：申请公布号为CN104328373A，申请公布日为2015年2月4日的发明专利公开了一种高碳铬轴承钢碳氮共渗有效硬化层深度检测方法，该方法先将碳氮共渗处理后的高碳铬轴承钢零件在300～400℃下回火至少1小时，然后空冷至室温，经过切割、镶嵌、磨制和抛光处理后检测维氏硬度。该方法采用300～400℃的回火处理，但在上述温度范围对轴承零件进行回火处理后，从零件表面到心部的硬度梯度变化仍然不明显；另外该方法定义有效硬化层深度为从表面测至硬度值平稳处的垂直距离，但硬化层与心部之间没有明显的分界线，难以精确找到表面至心部硬度平稳处的距离，具有较大误差。另一方面，有效硬化层一般根据零件的服役条件来设计，其有效深度需符合零件的性能要求。参照中国机械行业标准JB/T 7363-2011的定义，该发明提供的方法实际测得的是总硬化层深度，并不是有效硬化层深度。

发明内容

本发明的目的是克服传统轴承疲劳寿命试验耗时较长以及现有检测方法不能准确反应有效硬化层深度的问题，提供一种既能有效缩短检测时间，又能够准确检测实施碳氮共渗后的长寿命轴承零件的检测方法。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，该检测方法包括有效硬化层深度检测、渗层碳氮浓度检测、硬度检测、残余奥氏体含量检测以及渗层金相组织检测；

所述有效硬化层深度检测是指：先于500±10℃下对所述零件回火处理1小时，然后检测零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.3～0.5mm，该距离即为有效硬化层深度；

所述渗层碳氮浓度检测是指：于距零件表面0.15mm深处测得碳氮浓度为：C 1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N 1.5%～2.0%；

所述硬度检测包括表层硬度检测和心部硬度检测；

所述表层硬度检测是指：于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度为713～923HV；

所述心部硬度检测是指：于距零件表面2mm深处测量维氏硬度为664～795HV；

所述残余奥氏体含量检测包括表层残余奥氏体含量检测和心部残余奥氏体含量检测；

所述表层残余奥氏体含量检测是指：于距零件表面0.05mm深处进行X射线衍射分析，测得残余奥氏体含量为17%～40%；

所述心部残余奥氏体含量检测是指：于距零件表面2mm深处进行X射线衍射分析，测得残余奥氏体含量为5%～12%；

所述渗层金相组织检测是指：采用金相显微镜检测渗层具有隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体、碳氮化合物，无显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈颗粒状分布，无块状、角状、网状结构，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8μm。

所述有效硬化层深度检测依次包括以下步骤：

① 于500±10℃下对所述零件回火处理1小时后空冷至室温；

② 检测垂直于所述零件表面的截面上的维氏硬度梯度，并以维氏硬度值为纵坐标，以至表面的距离为横坐标，绘制硬度分布曲线；

③ 采用图解法求得硬度分布曲线上零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.3～0.5mm。

所述表层硬度检测是指：先在垂直于所述零件表面的截面上，于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度为713～923HV，然后将其换算成洛氏硬度为60～67HRC；

所述心部硬度检测是指：先在垂直于所述零件表面的截面上，于距零件表面2mm深处测量维氏硬度为664～795HV，然后将其换算成洛氏硬度为58～63HRC。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法包括有效硬化层深度检测、渗层碳氮浓度检测、硬度检测、残余奥氏体含量检测以及渗层金相组织的检测，有效硬化层深度检测将临界硬度设定为维氏硬度500HV，不仅能准确反映出碳氮共渗零件的有效硬化层深度，而且也能间接反映出零件表层的性能；渗层碳氮浓度检测保证了渗层稳定的渗碳和渗氮量，使得经淬回火处理后的零件能够得到合理的渗层组织，还可避免零件表层产生大颗粒及块状碳化物；硬度检测将零件表层及心部的硬度均控制在一定范围内，在此较高的硬度范围内的零件才具有较好的疲劳性能；金相组织及残余奥氏体的检测通过控制零件渗层组织和残余奥氏体含量，保证了在不影响轴承零件心部组织及性能的前提下，零件表层具有隐针或细针状的含氮马氏体、残余奥氏体和细小颗粒状的碳氮化合物，避免了粗针状马氏体及较大颗粒的碳氮化物降低轴承零件的疲劳性能，同时表层适量的残余奥氏体能够降低零件表面压痕凹坑边缘的应力集中，从而降低压痕的危害性，提高在较污染的润滑条件下使用的轴承寿命。上述检测方法可广泛适用于高碳铬碳氮共渗轴承零件的检测，不仅能够准确测定零件的质量，从而确保零件的长寿命，而且与传统的轴承的疲劳寿命试验相比，大幅度缩短了检测耗时。因此，本发明方法不仅可靠，而且能降低检测成本。

附图说明

图1为回火处理后从轴承零件表面到心部的硬度分布曲线。

图2为在润滑油中掺入金属粉末条件下的疲劳寿命试验验证结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，该检测方法包括有效硬化层深度检测、渗层碳氮浓度检测、硬度检测、残余奥氏体含量检测以及渗层金相组织检测；

所述有效硬化层深度检测是指：先于500±10℃下对所述零件回火处理1小时，然后检测零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.3～0.5mm，该距离即为有效硬化层深度；

所述渗层碳氮浓度检测是指：于距零件表面0.15mm深处测得碳氮浓度为：C 1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N 1.5%～2.0%；

所述硬度检测包括表层硬度检测和心部硬度检测；

所述表层硬度检测是指：于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度为713～923HV；

所述心部硬度检测是指：于距零件表面2mm深处测量维氏硬度为664～795HV；

所述残余奥氏体含量检测包括表层残余奥氏体含量检测和心部残余奥氏体含量检测；

所述表层残余奥氏体含量检测是指：于距零件表面0.05mm深处进行X射线衍射分析，测得残余奥氏体含量为17%～40%；

所述心部残余奥氏体含量检测是指：于距零件表面2mm深处进行X射线衍射分析，测得残余奥氏体含量为5%～12%；

所述渗层金相组织检测是指：采用金相显微镜检测渗层具有隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体、碳氮化合物，无显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈颗粒状分布，无块状、角状、网状结构，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8μm。

所述有效硬化层深度检测依次包括以下步骤：

① 于500±10℃下对所述零件回火处理1小时后空冷至室温；

② 检测垂直于所述零件表面的截面上的维氏硬度梯度，并以维氏硬度值为纵坐标，以至表面的距离为横坐标，绘制硬度分布曲线；

③ 采用图解法求得硬度分布曲线上零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.3～0.5mm。

所述表层硬度检测是指：先在垂直于所述零件表面的截面上，于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度为713～923HV，然后将其换算成洛氏硬度为60～67HRC；

所述心部硬度检测是指：先在垂直于所述零件表面的截面上，于距零件表面2mm深处测量维氏硬度为664～795HV，然后将其换算成洛氏硬度为58～63HRC。

以下对本发明提供的碳氮共渗后高碳铬长寿命轴承零件的检测方法原理进行说明：

钢铁材料理论表明，钢铁材料的成分、冶炼轧制工艺以及热处理等过程共同决定了其金相组织结构，金相组织结构的不同又必然带来钢铁材料不同的性能，如果能对轴承零件材料的力学性能、材料成分及金相组织等给出一定的要求，则能确保既定设计的轴承的长寿命，从而避免耗费进行每批次轴承疲劳寿命试验所需要的大量工时。为此，本发明系统地提供了一种可靠的碳氮共渗高碳铬长寿命轴承零件检测方法，对有效硬化层深度、渗层碳氮浓度、硬度、残余奥氏体含量以及渗层金相组织给出了明确的要求，保证了轴承零件的长寿命。

（1）有效硬化层深度的检测

一方面，检测前对轴承零件进行500±10℃回火处理1小时，零件表层组织高温回火后硬度没有显著降低，而心部组织的硬度下降显著，使得零件渗层到心部的硬度梯度变化更为明显，提高了检测的准确度；另一方面，有效硬化层深度规定为轴承零件表面至心部维氏硬度为500HV处的垂直距离，是基于如下考虑：碳氮共渗零件的硬化层与心部之间没有明显的分界线，难以精确找到表面至心部硬度平稳处的距离，将维氏硬度500HV规定为有效硬化层的界限硬度，不仅能准确反映出碳氮共渗零件的有效硬化层深度，而且也能够间接反映碳氮共渗零件表层的性能。

（2）硬度检测

表层硬度检测选取距零件表面0.1mm深处检测维氏硬度，心部硬度检测选取距零件表面2mm深处检测维氏硬度。由于碳氮共渗层较浅，而维氏硬度压痕浅，这样既能准确测出渗层及心部硬度，同时避免采用洛氏硬度直接测量时，压痕深击穿渗层的问题。

（3）渗层金相组织及残余奥氏体检测

较粗的马氏体会影响轴承零件的强度及韧性，从而影响轴承的疲劳寿命；粗大的碳氮化物颗粒会造成大颗粒碳氮化物旁的化学成分及显微组织不均匀，同时粗大的碳化物边缘处会产生应力集中，而产生疲劳源，从而缩短轴承的寿命。因此，本发明限定含氮马氏体为隐针或细针状，且碳氮化物的颗粒尺寸不大于8μm。另一方面，在污染润滑使用条件下，轴承零件渗层适当的残余奥氏体含量能够降低压痕边缘的应力集中，从而降低压痕的危害性，延长在污染润滑条件下工作的轴承的疲劳寿命；但过多的残余奥氏体会影响轴承零件的硬度，同时保持心部较低含量的残余奥氏体有利于稳定轴承零件的尺寸，因此本发明具体限定了轴承零件表层及心部的残余奥氏体含量。

实施例1：

一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，该检测方法以随机抽取某批次经碳氮共渗热处理的高碳铬轴承零件中的某一轴承零件为对象，进行以下操作：

（1）有效硬化层深度检测

首先于500℃下对轴承零件回火处理1小时后空冷至室温，其次对所述轴承零件沿与其表面垂直的方向进行切割、镶嵌、研磨和抛光处理，形成截面试样,然后检测所述截面上的维氏硬度梯度，并以维氏硬度值为纵坐标，以至表面的距离为横坐标，绘制硬度分布曲线（见图1），最后利用图解法求得硬度分布曲线上零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.38mm，即有效硬化层深度为0.38mm。

（2）渗层碳氮浓度检测

于轴承距零件表面0.15mm深处测得碳氮浓度为：C 1.3%、N 0.4%、C+N 1.7%；

（3）硬度检测

首先对轴承零件沿与其表面垂直的方向进行切割、镶嵌、研磨和抛光处理，形成截面试样, 然后于距零件表面0.1mm深处进行维氏硬度测量以得到表层硬度，于距零件表面2mm深处进行维氏硬度测量以得到心部硬度，并将维氏硬度HV换算成洛氏硬度HRC。

测得轴承零件的表层硬度为63HRC，心部硬度为61HRC。

（4）残余奥氏体含量检测

于距轴承零件表面0.05mm深处进行X射线衍射分析，测得表层残余奥氏体含量为27%；于距零件表面2mm深处进行X射线衍射分析，测得心部残余奥氏体含量为8%；

（5）渗层金相组织检测

采用金相显微镜对轴承零件的共渗层进行检测，其具有隐针及细针含氮马氏体、残余奥氏体、碳氮化合物，无显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈颗粒状分布，无块状、角状、网状结构，且碳氮化物的颗粒尺寸小于3μm。

综上，所述轴承零件的各项检测数据均合格，可判定其为长寿命轴承零件。

实施例2：

步骤同实施例1，不同之处在于：

有效硬化层深度检测中，回火处理的温度为510℃，测得有效硬化层深度为0.5mm；

渗层碳氮浓度检测中，碳氮浓度为：C 1.6%、N 0.4%、C+N 2.0%；

硬度检测中，测得表层硬度为61HRC，心部硬度为60HRC；

残余奥氏体含量检测中，测得表层残余奥氏体含量为40%，心部残余奥氏体含量为12%；

渗层金相组织检测中，碳氮化物的颗粒尺寸小于8μm。

实施例3：

步骤同实施例1，不同之处在于：

有效硬化层深度检测中，回火处理的温度为490℃，测得有效硬化层深度为0.3mm；

渗层碳氮浓度检测中，碳氮浓度为：C 1.2%、N 0.3%、C+N 1.5%；

硬度检测中，测得表层硬度为60HRC，心部硬度为58HRC；

残余奥氏体含量检测中，测得表层残余奥氏体含量为17%，心部残余奥氏体含量为5%；

渗层金相组织检测中，含氮马氏体为隐针状马氏体。

实施例4：

步骤同实施例1，不同之处在于：

有效硬化层深度检测中，回火处理的温度为500℃，测得有效硬化层深度为0.45mm；

渗层碳氮浓度检测中，碳氮浓度为：C 1.5%、N 0.1%、C+N 1.6%；

硬度检测中，测得表层硬度为67HRC，心部硬度为63HRC；

残余奥氏体含量检测中，测得表层残余奥氏体含量为35%，心部残余奥氏体含量为10%；

渗层金相组织检测中，含氮马氏体为细针状马氏体。

验证试验：

1、疲劳寿命试验

为检测上述合格长寿命轴承零件的疲劳寿命，选取内径25mm、外径52mm、宽度15mm的球轴承6205至少十套，在润滑油中掺入金属粉末以模拟汽车变速箱润滑油工况，进行疲劳寿命的对比试验。所述对比试验采用了1#和2#两种球轴承6205试样，试样1#球轴承6205的内圈为符合本发明的合格长寿命轴承零件、外圈和钢球为常规热处理轴承零件；试样2#球轴承6205的内圈、外圈和钢球皆为常规热处理轴承零件以作为对比。具体试验条件为：当量载荷P与基本额定动载荷Cr之比（P/Cr）为0.35，转速为3000转/分，掺入的金属粉末尺寸为75～150μm、硬度为720～850HV。

图2给出了疲劳寿命试验结果的韦布尔分布，可以看出，采用了符合本发明的合格长寿命轴承零件的轴承疲劳寿命是对比轴承的2倍以上。

2、有效硬化层深度检测方法的验证

为检测本发明中有效硬化层深度检测方法的准确性，将碳氮共渗高碳铬轴承零件分别于300℃、400℃、500℃、600℃下按本发明所述有效硬化层深度检测方法进行操作，分别绘制各温度条件下的硬度分布曲线，结果示于图1。

从图1可以看出，碳氮共渗轴承零件经500℃回火后，其硬度的梯度变化较为明显，从表面测至维氏硬度为500HV处的垂直距离，更为直观，因此，该检测方法更准确，减少了人为因素的误差。

3、硬度检测方法的验证

为检测本发明中硬度检测方法的妥当性，选取五份经碳氮共渗处理的高碳铬轴承零件作为试样，其编号分别为1#-1、1#-2、1#-3、1#-4、1#-5，分别将直接在零件表面测得的洛氏硬度值、距零件表面0.1mm深处测得维氏硬度后换算的硬度值、距零件表面2mm深处测得的心部维氏硬度后换算的值进行比较，结果见表1。

表1

。

由表1可以看出，直接在零件表面测得的洛氏硬度与距零件表面2mm深处测得的心部维氏硬度换算值相近，并不能直接反应零件表层的硬度，而本发明采用的于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度后换算成表层硬度的方法更为合理。

Claims (3)

1.一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，其特征在于：

所述检测方法包括有效硬化层深度检测、渗层碳氮浓度检测、硬度检测、残余奥氏体含量检测以及渗层金相组织检测；

所述有效硬化层深度检测是指：先于500±10℃下对所述零件回火处理1小时，然后检测零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.3～0.5mm，该距离即为有效硬化层深度；

所述渗层碳氮浓度检测是指：于距零件表面0.15mm深处测得碳氮浓度为：C 1.2%～1.6%、N≥0.1%、C+N 1.5%～2.0%；

所述硬度检测包括表层硬度检测和心部硬度检测；

所述表层硬度检测是指：于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度为713～923HV；

所述心部硬度检测是指：于距零件表面2mm深处测量维氏硬度为664～795HV；

所述残余奥氏体含量检测包括表层残余奥氏体含量检测和心部残余奥氏体含量检测；

所述表层残余奥氏体含量检测是指：于距零件表面0.05mm深处进行X射线衍射分析，测得残余奥氏体含量为17%～40%；

所述心部残余奥氏体含量检测是指：于距零件表面2mm深处进行X射线衍射分析，测得残余奥氏体含量为5%～12%；

所述渗层金相组织检测是指：采用金相显微镜检测渗层具有隐针或细针含氮马氏体、残余奥氏体和碳氮化合物，无显微组织缺陷，其中，碳氮化物呈颗粒状分布，无块状、角状、网状结构，且碳氮化合物的颗粒尺寸不大于8μm。

2.根据权利要求1所述的一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，其特征在于：

所述有效硬化层深度检测依次包括以下步骤：

① 于500±10℃下对所述零件回火处理1小时后空冷至室温；

② 检测垂直于所述零件表面的截面上的维氏硬度梯度，并以维氏硬度值为纵坐标，以至表面的距离为横坐标，绘制硬度分布曲线；

③ 采用图解法求得硬度分布曲线上零件表面至其心部维氏硬度为500HV处的垂直距离为0.3～0.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种碳氮共渗后的高碳铬长寿命轴承零件的检测方法，其特征在于：

所述表层硬度检测是指：在垂直于所述零件表面的截面上，于距零件表面0.1mm深处测量维氏硬度为713～923HV，然后将其换算成洛氏硬度为60～67HRC；

所述心部硬度检测是指：在垂直于所述零件表面的截面上，于距零件表面2mm深处测量维氏硬度为664～795HV，然后将其换算成洛氏硬度为58～63HRC。