CN114589456A - 高氮不锈钢球的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高氮不锈钢球的热处理及应用该热处理工艺的生产工艺，包括以下步骤：冷镦——光球——热处理——硬磨(硬研)——初研1——初研2——精研1——精研2——自动外观——油封包装，采用的高氮马氏体不锈轴承钢的含碳量0.30％左右，含氮量0.40％左右，用于其加入量一定量的氮，降低了碳的含量，因此避免了大块共晶碳化物的产生，同时,氮还起到了固溶强化的作用，使该钢的硬度达到了HRC60。此外，SV30高氮钢还具有相当优良的耐腐蚀性和较高的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及军事工业上用于潜艇、仪器、空间站、卫星等要求对耐腐蚀性强的场合的轴承，具体的涉及轴承用高氮不锈钢球。
背景技术
轴承广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高档轿车等重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴产业领域。中国生产的轴承主要为中低端轴承和小中型轴承，表现为低端过剩和高端缺乏。与国外相比，在高端轴承和大型轴承方面存在较大差距。作为航空发动机的关键基础零部件，国外正在研发推力比为15-20的第2代航空发动机轴承，准备在2020年前后装配到第5代战机中。近10年来，美国研发了第2代航空发动机用轴承钢，其代表性钢种为耐500℃的高强耐蚀轴承钢CSS-42L和耐 350℃高氮不锈轴承钢X30(Cronidur30)。中国则在进行第2代航空发动机用轴承的研发。
为了生产研发中的第2代航空发动机轴承的配套钢球，鉴于国产的材料暂时还满足不了第2代航空发动机轴承的要求，我们采用了德国进口的SV30 (牌号Cronidur30)的高氮马氏体不锈轴承钢(相当于美国牌号高氮不锈轴承钢X30)，用于研发急需的配套钢球，以满足国防建设的需要。另外，由于目前航母的服役，舰载机上舰，对海水腐蚀的性能上提出了更高的要求，很多原来采用军用甲组钢或普通不锈钢的轴承，目前也改用高氮钢制造，上海天安轴承有限公司、中浙高铁、上海轴承技术研究所、瓦房店轴承有限公司等企业都在开发此类轴承，目前全部由申请人所提供。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高氮不锈钢球的生产工艺，该工艺包括以下步骤：
(1)冷镦：采用钢球冷镦机，在转速60-250rpm下，当坯料直径D1为成品直径D+0.50mm±0.05mm时，冷镦结束；
(2)光球：采用光球机，在转速110rpm下，当坯料直径D1为成品直径 D+0.4mmm±0.02mm时，光球结束；
(3)热处理：将光球后的坯料送入热处理设备内，在保护气氛下进行热处理，该过程包括以下步骤：
b.加热温度至900℃，保温30min；
c.加热温度至1030℃，保温30min；
d.油冷处理，冷却温度至常温；
e.深冷处理，将油冷处理后的坯料放入冷却容器内，冷却温度至 -80℃，并保温120imn；
f.第一阶段回火处理：回火至150℃，并保温120min；
g.第二阶段回火处理：将第一阶段回火处理完成的坯料自然冷却到常温，再回火至150℃，并保温120min；
(4)硬磨或硬研：将热处理之后的坯料利用砂轮硬磨机在转速 100-110rpm，压力为7-10atm下进行进行硬磨或者利用钢球研磨机在转速70-80rpm，压力2.5-3.5atm下进行硬研处理，当坯料直径D1为成品直径D+0.05mm(±0.002)时，结束硬磨或研磨；
(5)初研1：采用三氧化二铬(工业级)+W5金刚石微粉，机床转速 35-50rpm，压力2-3atm下，进行首次初研，当坯料直径D1为成品直径 D+0.025mm时，首次初研结束；
(6)初研2：采用三氧化二铬(工业级)+W3.5金刚石微粉，机床转速 35-50rpm，压力2-3atm在，进行再次初研，当坯料直径D1为成品直径 D+0.015mm时，再次初研结束；
(7)精研1：利用钢球研磨机，在转速15-25rpm，压力2atm下进行首次精研，当坯料直径D1为成品直径D+0.003mm时，首次精研结束；
(8)精研2：利用钢球研磨机，在转速10-15rpm，压力2atm下进行再次精研，当坯料直径D1为成品直径时，再次精研结束，获得成品。
较佳的，步骤(3)所述的热处理过程中，还包括一位于步骤b前的步骤 a：将光球后的坯料加热温度至700℃，保温30min。
较佳的，步骤(3)所述的热处理热备是内置保护气氛的马弗炉或者真空炉。
较佳的，初研1与初研2过程中单位时间的研磨量≥0.001mm/小时。
较佳的，精研1与精研2过程中单位时间研磨量在0.0001-0.0002mm/小时。
本发明的有益效果在于：本发明所述的高氮不锈钢球的生产工艺获得的成品钢球基本上都在G5-G10标准之间，而且数据稳定，完全满足钢球国家标准的G10要求，部分达到G5标准，完全满足了军工用户的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为热处理工艺图；
图2为钢球受力分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
下面将结合说明书附图对本发明做进一步描述。
通过对材料(SV30--高氮马氏体不锈轴承钢)热处理参数进行试验，试验中我采用了DIL805A相变仪测定X30高氮轴承钢1030℃×10min奥氏体化后的过冷奥氏体连续冷却转变及其第二相高温析出后的冷却转变热膨胀曲线，在光学显微镜和扫描电子显微镜下观察显微组织，测定其硬度和残余奥氏体含量。结果表明：随着过冷奥氏体冷速的增大，X30钢的硬度先增大后降低再增大，冷速在30℃/S左右时，奥氏体出现明显的稳定化，淬火后残余奥氏体的增加降低了硬度，过冷奥氏体在800-1000℃时等温试验，在900℃等温时碳化物、氮化物析出最多，过冷奥氏体稳定性显著下降，获得了大于HRC60 的硬度。根据试验的结果，我们制定的热处理工艺如下：
温度700℃等温30min——900℃等温30min——1030℃保温30min——油冷——深冷(-80℃)120min——回火一150℃120min——回火二150℃120min。
下面结合本发明制定的热处理工艺，对高氮不锈轴承钢球的生产工艺做具体说明：
参阅附图1、2所示，为本发明所述一种高氮不锈钢球的生产工艺，该工艺包括以下步骤：
(1)冷镦：采用钢球冷镦机，在转速60-250rpm下，当坯料直径D1为成品直径D+0.50mm±0.05mm时，冷镦结束。考虑到新材料的韧性大于普通不锈钢，对模具的易损比较大，因此，冷镦过程中钢球压缩比采用1.15-1.25 比较合适，过大容易产生裂缝。
(2)光球：采用光球机，在转速110rpm下，当坯料直径D1为成品直径D+0.4mmm±0.02mm时，光球结束。要求平板光球，原因在于：如果采用沟槽盘加工的话，光球将会产生很深的疲劳层。另外，考虑到试验中热处理的渗碳和脱碳层深度，光球留量较其它不锈钢钢球要增加，通过试验，采用的光球留量为0.4mm。
(3)热处理：将光球后的坯料送入热处理设备内，在保护气氛下进行热处理，结合附图1，该过程包括以下步骤：
b.加热温度至900℃，保温30min；
c.加热温度至1030℃，保温30min；
d.油冷处理，冷却温度至常温；
e.深冷处理，将油冷处理后的坯料放入冷却容器内，冷却温度至-80℃，并保温120imn；
f.第一阶段回火处理：回火至150℃，并保温120min；
g.第二阶段回火处理：将第一阶段回火处理完成的坯料自然冷却到常温，再回火至150℃，并保温120min；
(4)硬磨或硬研：将热处理之后的坯料利用砂轮硬磨机在转速 100-110rpm，压力为7-10atm下进行进行硬磨或者利用钢球研磨机在转速 70-80rpm，压力2.5-3.5atm下进行硬研处理，当坯料直径D1为成品直径 D+0.05mm(±0.002)时，结束硬磨或研磨。具体实施时，关于硬磨或者硬研的选择，可以参考如下：对大规格大数量的钢球可以采用砂轮硬磨，对数量较少的可以采用硬研，采用280-320目的绿碳，如果要提高效率可以添加W50 的金刚石微粉，如果用棕刚玉研磨，那效率很低，且表面有疲劳层。
(5)初研1：采用三氧化二铬(工业级)+W5金刚石微粉，机床转速 35-50rpm，压力2-3atm下，进行首次初研，当坯料直径D1为成品直径 D+0.025mm时，首次初研结束。
(6)初研2：采用三氧化二铬(工业级)+W3.5金刚石微粉，机床转速 35-50rpm，压力2-3atm在，进行再次初研，当坯料直径D1为成品直径 D+0.015mm时，再次初研结束。
(7)精研1：利用钢球研磨机，在转速15-25rpm，压力2atm下进行首次精研，当坯料直径D1为成品直径D+0.003mm时，首次精研结束。
(8)精研2：利用钢球研磨机，在转速10-15rpm，压力2atm下进行再次精研，当坯料直径D1为成品直径时，再次精研结束，获得成品。
需要进一步说明的是：
初研步骤中，当钢球规格大于3mm时，盘口里要安装过桥板，否则容易产生批直径变动量不合格。另外，初研时要求控制单位时间的研磨量，一般的要求≥0.001mm/小时，否则会产生表面疲劳层，影响精研的加工；
精研步骤中，由于材料的特殊，精研是加工的难点，新材料的特性是韧性好，用常规的方法相当容易产生研伤，用超精研磨盘的要求硬度要低(HB120 左右)，使磨盘的嵌砂性好。压沟要深，防止钢球在沟槽中产生滑动，具体实施时，使用的磨料锐度要好，三氧化二铬不能使用，它会产生研伤。一般的，要求控制单位时间研磨量在0.0001-0.0002mm/小时，如果达不到，则表面已产生疲劳层，表面质量无法达到质量要求。我们最后采用的是POBW1.2 的金刚石微粉，这种金刚石微粉粒度均匀，均匀性99％集中在W1.2左右。
具体实施时，所步骤(3)所述的热处理过程中，还包括一位于步骤b前的步骤a：即，将光球后的坯料加热温度至700℃，保温30min。增加步骤a 之后，通过逐级加热，能够提高炉子的使用寿命，减小炉体的损伤，一般工艺都采用在700度等温，工艺更加合理。
步骤(3)所述的热处理热备是内置保护气氛的马弗炉或者真空炉。具体的：采用的是滚动马弗炉(主要是钢球一致性比真空炉好点)，采用的是甲醇保护气氛(碳势低于乙醇，渗碳层可以少点)，表面的网状渗碳层深度在 0.2mm以下，脱碳层深度在0.05mm以内。深冷处理可以用-80°的工业冰箱，也可以用液氮箱。
做深冷处理的原因在于：本申请中用于生产高氮不锈轴承钢球的高氮马氏体不锈轴承钢在淬火后，它的硬度在HRC40左右，只有经过深冷处理后硬度才会升到HRC60以上。热处理成品的硬度在HRC60-61左右。
工装的要求：
1.光球盘采用铬钼铜合金铸铁，硬度HRC58；
2.砂轮硬磨机导板采用铬钼铜合金铸铁，硬度HRC58；
3.硬研在研磨1.00mm以下的球，尤其是0.5-0.8mm的球，应采用100+5 度的正三角槽，降低Y轴的分力，使沟槽不容易深得快，而且即使过深时，也不会产生球难刮的情况，但100+5度沟槽只能应用于硬磨工序，因为90度正三角槽X轴和Y轴的分力相等(N×sin45＝N×cos45＝0.707N),其分力一致，对研磨过程中钢球自转的受力是均匀的，但采用100度正三角槽时，
如附图2所示，其X轴分力是F1＝正压力N×sin50°＝0.77N，Y轴分力F2＝正压力N×cos50°＝0.64N。即在同等压力下，其X轴向的压力大于Y轴的压力，磨盘深时钢球不容易卡住，不影响钢球的自转，提高了磨盘的使用寿命。这种角度仅限于硬研使用，目的是提高磨盘的使用寿命和使用时间，减少换盘次数(因为留量较大)，而且研磨效率提高(Y轴的分力大)。但此角度不适用在初研和精研。(由于X轴和Y轴的受力不同，对钢球的球形误差会产生影响)
通过表一、表二中钢球国家标准以及本生产工艺所制得钢球的实测数据进行比较可知，本工艺生产的特种材料钢球基本上都在G5-G10标准之间，而且数据稳定，完全满足钢球国家标准的G10要求，部分达到G5标准，完全满足了军工用户的要求。
参照上述生产工艺，本申请提供如下两个实施例：
实施例1：
以生产成品2.00mm的钢球为例
冷镦：采用钢球冷镦机，在转速250rpm下进行冷镦处理，当坯料直径达到2.50±0.02mm时，结束冷镦；
光球：采用钢球光球机，在转速110rpm，压力：3atm下，进行光球处理，当坯料直径达到2.40±0.02mm时，结束光球；
热处理：将光球后的坯料送入热处理设备内，在保护气氛下进行热处理，具体过程如下：a.将光球后的坯料加热温度至700℃，保温30min；b.加热温度至900℃，保温30min；c.加热温度至1030℃，保温30min；d.油冷处理，冷却温度至常温；e.深冷处理，将油冷处理后的坯料放入冷却容器内，冷却温度至-80℃，并保温120imn；f.第一阶段回火处理：回火至150℃，并保温 120min；g.第二阶段回火处理：将第一阶段回火处理完成的坯料自然冷却到常温，再回火至150℃，并保温120min；
硬研：采用￠680mm钢球研磨机，在转速70rpm，压力2.5atm，并采用绿碳+W50钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为2.05±0.01mm时，结束硬研；
初研1：采用￠680mm钢球研磨机，在转速40rpm，压力2.5atm，并采用三氧化二铬+W5钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为2.025±0.001mm时，初研1 步骤结束；
初研2：采用￠680mm钢球研磨机，在转速40rpm，压力2.5atm，并采用三氧化二铬+W3.5钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为2.015±0.0005mm时，初研2步骤结束；
精研1：采用￠680mm钢球研磨机，转速20rpm，压力2atm，并采用W1.2 钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为2.003±0.0002mm时，精研1步骤结束；
精研2：采用￠680mm钢球研磨机转速10-15rpm，压力2atm，并采用W1.2 钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为2.000±0.0001mm时，精研2步骤结束。
自动外观：采用自动外观钢球检查仪对钢球进行检验，对小于1.588mm 钢球，为保证质量，采用40X体视显微镜进行100％检查。
实施例2：
以生产成品6.35mm的钢球为例
冷镦：采用钢球冷镦机，在转速60rpm下进行冷镦处理，当坯料直径达到6.85±0.02mm时，结束冷镦；
光球：采用钢球光球机，在转速110rpm，压力：3atm下，进行光球处理，当坯料直径达到6.75±0.02mm时，结束光球；
热处理：与实施例1相同，不再赘述；
硬磨：采用￠800mm钢球研磨机，转速110rpm，压力8atm，并添加钢球特磨液，当坯料的尺寸为6.40±0.01mm时，结束硬磨；
初研1：采用￠680mm钢球研磨机，转速40rpm，压力3atm，并采用三氧化二铬+W5钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为6.375±0.001mm时，初研1步骤结束；
初研2：采用￠680mm钢球研磨机，转速40rpm，压力3atm，并采用三氧化二铬+W3.5钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为6.365±0.0005mm时，初研2 步骤结束；
精研1：采用￠680mm钢球研磨机，转速20rpm，压力2atm，并采用W1.2 钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为6.353±0.0002mm时，精研1步骤结束；
精研2：采用￠680mm钢球研磨机，转速10-15rpm，压力2atm，并采用 W1.2钻粉作为磨料，当坯料的尺寸为6.350±0.0001mm时，精研2步骤结束。
最后，再利用自动外观钢球检查仪对钢球进行检验。
本发明所述高氮不锈轴承钢球的生产工艺具有如下优点：
(1)对SV30高氮钢的热处理工艺的研究和确定对其它行业有参考价值；
(2)充分利用现有设备，加工成品规格为0.5-12.7mm，特殊材料，特殊用途的产品，具质量水平稳定，充分满足了国防工业的要求。
(3)采用了大槽角、大槽深中开口的磨盘加工方式，保证了特小钢球加工过程的稳定性、一致性，防止不合格品产生。
(4)采用了新型磨料、磨液，保证了过程的稳定和效率。保证了成品的质量，并且更环保。
(5)合理的工艺参数及留量分配，降低生产过程中的不合格率，使军品产品合格率符合了国军标的要求。产品实测数据优于GB308.1-2013标准。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
表一：
工艺参数表
表二：
钢球国家标准：(单位：微米)
本发明工艺生产的钢球实测数据：(抽三个规格样品)
Claims (5)
1.一种高氮不锈钢球的生产工艺，其特征在于：
该工艺包括以下步骤：
(1)冷镦：采用钢球冷镦机，在转速60-250rpm下，当坯料直径D1为成品直径D+0.50mm±0.05mm时，冷镦结束；
(2)光球：采用光球机，在转速110rpm下，当坯料直径D1为成品直径D+0.4mmm±0.02mm时，光球结束；
(3)热处理：将光球后的坯料送入热处理设备内，在保护气氛下进行热处理，该过程包括以下步骤：
b.加热温度至900℃，保温30min；
c.加热温度至1030℃，保温30min；
d.油冷处理，冷却温度至常温；
e.深冷处理，将油冷处理后的坯料放入冷却容器内，冷却温度至-80℃，并保温120imn；
f.第一阶段回火处理：回火至150℃，并保温120min；
g.第二阶段回火处理：将第一阶段回火处理完成的坯料自然冷却到常温，再回火至150℃，并保温120min；
(4)硬磨或硬研：将热处理之后的坯料利用砂轮硬磨机在转速100-110rpm，压力为7-10atm下进行进行硬磨或者利用钢球研磨机在转速70-80rpm，压力2.5-3.5atm下进行硬研处理，当坯料直径D1为成品直径D+0.05mm(±0.002)时，结束硬磨或研磨；
(5)初研1：采用三氧化二铬(工业级)+W5金刚石微粉，机床转速35-50rpm，压力2-3atm下，进行首次初研，当坯料直径D1为成品直径D+0.025mm时，首次初研结束；
(6)初研2：采用三氧化二铬(工业级)+W3.5金刚石微粉，机床转速35-50rpm，压力2-3atm在，进行再次初研，当坯料直径D1为成品直径D+0.015mm时，再次初研结束；
(7)精研1：利用钢球研磨机，在转速15-25rpm，压力2atm下进行首次精研，当坯料直径D1为成品直径D+0.003mm时，首次精研结束；
(8)精研2：利用钢球研磨机，在转速10-15rpm，压力2atm下进行再次精研，当坯料直径D1为成品直径时，再次精研结束，获得成品。
2.根据权利要求1所述的高氮不锈钢球的生产工艺，其特征在于：步骤(3)所述的热处理过程中，还包括一位于步骤b前的步骤a：将光球后的坯料加热温度至700℃，保温30min。
3.根据权利要求1所述的高氮不锈钢球的生产工艺，其特征在于：步骤(3)所述的热处理热备是内置保护气氛的马弗炉或者真空炉。
4.根据权利要求1所述的高氮不锈钢球的生产工艺，其特征在于：初研1与初研2过程中单位时间的研磨量≥0.001mm/小时。
5.根据权利要求1所述的高氮不锈钢球的生产工艺，其特征在于：精研1与精研2过程中单位时间研磨量在0.0001-0.0002mm/小时。
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