CN110331272B - 一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法，包括以下步骤：S1、冷近净成形形变调控：采用冷塑性成形工艺对轴承组件进行形变调控，在成形过程中，通过合理控制形变程度和形变速度，获得有效的形变细晶并控制材料形变损伤，进而提高组织强韧性；S2、形变匹配复合热处理相变调控：采用马氏体‑贝氏体复合热处理工艺对轴承组件进行相变调控，利用马贝复合相变，引入高强高韧贝氏体组织，改善强度与韧性匹配，进而提高组织强韧性。本发明通过优化匹配形变和相变关键工艺条件，实现形变相变协同改善轴承组件组织强韧的作用。

Description

一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法

技术领域

本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法。

背景技术

轴承是机械装备承载负荷和传递运动的核心部件，其精度和性能直接影响主机的运转精度和工作寿命。轴承组件包括轴承套圈和轴承滚动体，套圈和滚动体是决定轴承性能和寿命的核心组件，轴承服役过程中耐疲劳性能与套圈、滚动体的组织强韧性密切相关。

采用传统制造工艺制造的套圈和滚动体的组织结构强韧匹配差，难以抵抗重载、大冲击等恶劣工况，这成为影响轴承极端工况服役寿命和可靠性的关键问题。而套圈和滚动体得制造组织状态主要取决于塑性成形和热处理，塑性成形利用形变作用、热处理利用相变作用来调控并获得服役需要的组织。因此，通过有效的形变和相变协同调控来提高轴承组件组织强韧性，是解决极端工况轴承制造与服役问题的关键技术途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法，它基于轴承套圈和滚动体组件的冷塑性成形和马贝复合热处理工艺，通过优化匹配形变和相变关键工艺条件，实现形变相变协同改善组织强韧的作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法，包括以下步骤：

S1、冷近净成形形变调控：采用冷塑性成形工艺对轴承组件进行形变调控，在成形过程中，通过合理控制形变程度和形变速度，获得有效的形变细晶并控制材料形变损伤，进而提高组织强韧性；

对于轴承套圈：采用冷轧环工艺成形轴承套圈，在成形过程中，通过冷轧环变形量控制形变程度，通过变形速度控制形变速度，轴承套圈的冷轧环变形量

轴承套圈的变形速度V₁＝λ₁ε·V₀，其中，δ为轴承套圈材料的室温延伸率，R₁和R₂分别为轴承套圈的内径和外径，r₀为轴承套圈滚道的曲率半径，k₁为冷轧环变形量特征系数，k₁的取值范围为3～4，λ₁为冷轧变形速度特征系数，λ₁的取值范围为1～3，V₀为标准变形速度，V₀＝1mm/s；

对于轴承滚动体：采用冷斜轧工艺成形轴承滚动体，在成形过程中，通过冷塑性变形量控制形变程度，通过变形速度控制形变速度，轴承滚动体的冷塑性变形量

轴承滚动体的变形速度V₂＝λ₂ε₂·V₀，其中，δ₂为滚动体材料的室温延伸率，r₀为轴承套圈滚道的曲率半径，R为轴承滚动体的外径，k₂为滚动体冷塑性变形量特征参数，k₂的取值范围为2～3，λ₂为冷塑性变形速度特征参数，λ₂的取值范围为1～3，V₀＝1mm/s；

S2、形变匹配复合热处理相变调控：采用马氏体-贝氏体复合热处理工艺对轴承组件进行相变调控，利用马贝复合相变，引入高强高韧贝氏体组织，改善强度与韧性匹配，进而提高组织强韧性。

按上述技术方案，步骤S2中，马氏体-贝氏体复合热处理工艺具体包括以下步骤：

先将轴承组件在氮气保护气氛下加热至温度点(1.1-0.2ε)Acm并保温一段时间，然后迅速放入温度为Ms-(10～60℃)的盐浴中进行马氏体淬火，再将轴承组件放入温度为Ms+(20～80℃)的盐浴中进行贝氏体淬火，最后水冷至室温，其中Acm为材料加热完全奥氏体化温度，Ms为材料冷却过程中马氏体转变的起始温度，当轴承组件为轴承套圈时，ε＝ε₁，当轴承组件为轴承滚动体时，ε＝ε₂。

本发明产生的有益效果是：本发明基于轴承组件塑性成形、热处理与组织状态之间的密切关联性，优化匹配冷塑性成形和马贝复合热处理，先采用冷塑性成形工艺对套圈和滚动体进行形变调控，通过室温近净成形细化晶粒，并且获得沿轴承组件几何轮廓随形致密流线，通过晶粒细化和流线改善提高组织强韧性，而且，在成形过程中，若变形量过大，有可能会导致材料在形变过程中产生损伤，大幅降低轴承组件的寿命；若变形量较小，冷塑性形变对轴承组件的影响较小，则不能完全发挥形变的细晶强化和流线改善效果，因此，考虑到材料不同其延伸率和变形特性均不同，需要针对不同的力学性能特性的材料，选取合理的变形量和变形速度(即变形量不再是固定值，若为固定值，当材料延伸率较低时，会产生裂纹导致高强韧性达不到要求，当材料延伸率较高时，晶粒细化效果不理想)，通过合理设计冷轧环变形量或冷塑性变形量控制形变程度，通过合理设计变形速度控制形变速度，将冷塑性变形量控制在一定范围内，能够最大限度的发挥形变的细晶强化和流线改善效果，同时控制材料形变损伤，进一步提高组织强韧性；再采用马氏体-贝氏体复合热处理工艺对套圈和滚动体进行相变调控，利用马贝复合相变，引入高强高韧贝氏体组织，改善强度与韧性匹配，进一步提高组织强韧性。

本发明通过冷塑性成形和复相热处理的形变相变协同调控，在保证轴承组件强度、硬度的同时，能够大幅度提高其韧性，获得高强韧组织，提高轴承组件机械性能。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法，包括以下步骤：

S1、冷近净成形形变调控：采用冷塑性成形工艺对轴承组件进行形变调控，在成形过程中，通过合理控制形变程度和形变速度，获得有效的形变细晶并控制材料形变损伤，进而提高组织强韧性；

对于轴承套圈：采用冷轧环工艺成形轴承套圈，在成形过程中，通过冷轧环变形量控制形变程度，通过变形速度控制形变速度，轴承套圈的冷轧环变形量

轴承套圈的变形速度V₁＝λ₁ε·V₀，其中，δ为轴承套圈材料的室温延伸率，R₁和R₂分别为轴承套圈的内径和外径，r₀为轴承套圈滚道的曲率半径，k₁为冷轧环变形量特征系数，k₁的取值范围为3～4，λ₁为冷轧变形速度特征系数，λ₁的取值范围为1～3，V₀＝1mm/s；

对于轴承滚动体：采用冷斜轧工艺成形轴承滚动体，在成形过程中，通过冷塑性变形量控制形变程度，通过变形速度控制形变速度，轴承滚动体的冷塑性变形量

轴承滚动体的变形速度V₂＝λ₂ε·V₀，其中，δ为滚动体材料的室温延伸率，r₀为轴承套圈滚道的曲率半径，R为轴承滚动体的外径，k₂为滚动体冷塑性变形量特征参数，k₂的取值范围为2～3，V₂＝λ₂ε·V₀为冷塑性变形速度特征参数，V₂＝λ₂ε·V₀的取值范围为1～3，V₀＝1mm/s；

S2、形变匹配复合热处理相变调控：采用马氏体-贝氏体复合热处理工艺对轴承组件进行相变调控，利用马贝复合相变，引入高强高韧贝氏体组织，改善强度与韧性匹配，进而提高组织强韧性。

在本发明的优选实施例中，步骤S2中，马氏体-贝氏体复合热处理工艺具体包括以下步骤：先将轴承组件在氮气保护气氛下加热至温度点(1.1-0.2ε)Acm并保温10～15min，然后迅速放入温度为Ms-(10～60℃)的盐浴中进行马氏体淬火，再将轴承组件放入温度为Ms+(20～80℃)的盐浴中进行贝氏体淬火，最后水冷至室温；其中，Acm为材料加热完全奥氏体化温度，Ms为材料冷却过程中马氏体转变的起始温度，当轴承组件为轴承套圈时，ε＝ε₁，当轴承组件为轴承滚动体时，ε＝ε₂。

本发明考虑到冷形变组织对热处理过程的遗传影响效应，首先通过设置合理的奥氏体化温度，尽量避免奥氏体化过程中晶粒长大，达到细化晶粒的效果；再通过设置合理的马氏体淬火温度，控制预淬火马氏体体积分数，使预淬火马氏体分割晶粒，达到细化组织的效果；最后设置合理的贝氏体淬火温度，控制贝氏体的形成速度，从而达到调控贝氏体体积分数和形态的目的。本发明通过合理控制相变关键工艺条件，并匹配控制马氏体、贝氏体相变条件，充分保留冷形变强化效果，同时合理调控马贝复相组织结构，发挥冷形变和马贝复合相变的协同作用来细化原奥氏体晶粒、控制马氏体/贝氏体体积分数、改善马氏体/贝氏体形态和尺寸，从而提高组织的强度和韧性。

以下列举两个实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

以GCr15轴承钢材料制造的某型号轴承外圈为例，其参数如下：R₂＝68mm、R₁＝57mm、r₀＝3.7mm、δ₁＝28.3％、Acm＝910℃、Ms＝226℃。

采用本发明对该轴承外圈的高强韧组织进行形变相变协同调控，包括以下步骤：

S1、冷近净成形形变调控：采用冷轧环成形工艺，合理控制形变程度和形变速度，获得有效的形变细晶效果，同时控制材料形变损伤；

根据公式

计算冷轧环合理变形量为28.6％～38.1％，在本例中选取冷轧变形量为35％；根据公式V₁＝λ₁ε·V₀，计算冷轧环合理变形速度为0.35～1.05mm/s，在本例中选取变形速度为0.5mm/s进行冷轧环成形；

S2、形变匹配复合热处理相变调控：根据材料冷形变程度和相变条件设置复相热处理参数，对冷轧环轴承套圈进行复相热处理；

奥氏体化加热温度为(1.1-0.2ε)Acm，ε＝35％，计算得到合理的奥氏体化加热温度为937℃；马氏体预淬火温度为Ms-(10～60℃)，计算得到合理的预淬火温度为166～216℃；贝氏体等温淬火温度为Ms+(20～80℃)，计算得到合理的贝氏体等温淬火温度为246～306℃；

在本例中，先将轴承外圈在氮气保护气氛下加热至937℃保温10min进行奥氏体化，然后放入200℃盐浴中保持5min进行马氏体淬火，再将轴承外圈放入260℃盐浴中保持30min进行贝氏体淬火，最后水冷至室温。

经实验分析，实施例1所获得的轴承外圈的材料抗拉强度相比于传统工艺提升8％，冲击韧性提升1.5倍，说明本发明能够有效提高套圈材料组织强韧性。

实施例2

以GCr15SiMn轴承钢材料制造的某型号轴承滚子为例，其参数如下：R＝7mm，r₀＝3.7mm，6₂＝30.5％、Acm＝925℃、Ms＝232℃。

采用本发明对该轴承滚子的高强韧组织进行形变相变协同调控，包括以下步骤：

S1、冷近净成形形变调控：采用冷锻成形工艺，合理控制形变程度并有效的形变细晶效果，同时控制材料形变损伤；

根据公式

计算得到冷锻合理变形量为32.2％～48.4％，在本例中选取冷锻变形量为40％；根据公式V₂＝λ₂ε·V₀，计算得到冷锻变形速度为0.4～1.2mm/s，在本例中选取冷锻变形速度为1mm/s对坯料进行冷锻成形。

S2、形变匹配复合热处理相变调控：根据材料冷形变程度和相变条件设置复相热处理参数，对冷锻轴承滚子进行复相热处理；

奥氏体化加热温度为(1.1-0.2ε)Acm，e＝40％，计算得到合理的奥氏体化加热温度为944℃；马氏体预淬火温度为Ms-(10～60℃)，计算得到合理的预淬火温度范围为172～222℃；贝氏体等温淬火温度为Ms+(20～80℃)，计算得到合理的贝氏体等温淬火温度为252～312℃范围内；

在本例中，先将轴承滚子在氮气保护气氛下加热至944℃保温8min进行奥氏体化，然后迅速放入210℃盐浴中保持15min进行马氏体淬火，再将轴承滚子放入260℃盐浴中保持60min进行贝氏体淬火，最后水冷至室温。

经实验分析，实施例2所获得的轴承滚子材料抗拉强度相比于传统工艺提升4％，，冲击韧性提升1.1倍，说明本发明能够有效提高滚子材料组织强韧性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种轴承组件高强韧组织的形变相变协同调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、冷近净成形形变调控：采用冷塑性成形工艺对轴承组件进行形变调控，在成形过程中，通过合理控制形变程度和形变速度，获得有效的形变细晶并控制材料形变损伤，进而提高组织强韧性；

对于轴承套圈：采用冷轧环工艺成形轴承套圈，在成形过程中，通过冷轧环变形量控制形变程度，通过变形速度控制形变速度，轴承套圈的冷轧环变形量

轴承套圈的变形速度V₁＝λ₁ε₁·V₀，其中，δ₁为轴承套圈材料的室温延伸率，R₁和R₂分别为轴承套圈的内径和外径，r₀为轴承套圈滚道的曲率半径，k₁为冷轧环变形量特征系数，k₁的取值范围为3～4，λ₁为冷轧变形速度特征系数，λ₁的取值范围为1～3，V₀为标准变形速度，V₀＝1mm/s；

对于轴承滚动体：采用冷斜轧工艺成形轴承滚动体，在成形过程中，通过冷塑性变形量控制形变程度，通过变形速度控制形变速度，轴承滚动体的冷塑性变形量

轴承滚动体的变形速度V₂＝λ₂ε₂·V₀，其中，δ₂为滚动体材料的室温延伸率，r₀为轴承套圈滚道的曲率半径，R为轴承滚动体的外径，k₂为滚动体冷塑性变形量特征参数，k₂的取值范围为2～3，λ₂为冷塑性变形速度特征参数，λ₂的取值范围为1～3，V₀＝1mm/s；

S2、形变匹配复合热处理相变调控：采用马氏体-贝氏体复合热处理工艺对轴承组件进行相变调控，利用马贝复合相变，引入高强高韧贝氏体组织，改善强度与韧性匹配，进而提高组织强韧性；

其中，马氏体-贝氏体复合热处理工艺具体包括以下步骤：

先将轴承组件在氮气保护气氛下加热至温度点(1.1-0.2ε)Acm并保温一段时间，然后迅速放入温度为Ms-(10～60℃)的盐浴中进行马氏体淬火，再将轴承组件放入温度为Ms+(20～80℃)的盐浴中进行贝氏体淬火，最后水冷至室温，其中Acm为材料加热完全奥氏体化温度，Ms为材料冷却过程中马氏体转变的起始温度，当轴承组件为轴承套圈时，ε＝ε₁，当轴承组件为轴承滚动体时，ε＝ε₂。