一种高强度和轴承钢及热处理工艺

技术领域

本发明属于钢的材料及其处理技术领域，主要涉及高强度、高冲击韧性的轴承钢及于该钢种的热处理工艺。

背景技术 

目前国内生产制造大载荷、重冲击的轴承，如钢厂的轧机，铁路机车车辆，以及矿山、石油等机械轴承现有技术是：

1.采用的材料是GCr18Mo和渗碳钢中的20Cr2NI4A, 20Cr2NIMoA等钢材。

2.轴承生产所用的热处理对GCr18Mo等是采用等温处理，以获得下贝氏体或下贝体加马氏体组织，需要热处理的时间一般在四到五个小时。而对20Cr2NI4A等渗碳钢是采用渗碳处理，热处理时间从几十个小时到百八十小时，有的高达130-190小时。

它们在车加工前需要球化处理工序，且费用高。20Cr2NI4A等渗碳钢的深层渗碳工艺见图1。

从附图1可以看出20Cr2NI4A等渗碳钢的深层渗碳处理的总时间需要130-190小时，工艺复杂，生产周期长，从能源到补助材料消耗都很大。目前国内轴承生产上对渗碳钢基本上都采用这种类似工艺。渗碳周期长。

GCr18Mo的等温淬火工艺曲线见图2-1和 2-2

采用等温处理对目前已用钢种来讲如果在Ms点以上10℃ 等温，等温时间需10小时方能得到下贝氏体组织，在Ms点以上50-60℃温度等温需等温时间4小时，并且等温处理，如果采用盐浴、淬火后尚需增加清洗工件表面盐膜工序，比直接高温淬火复杂。从目前普遍采用的轴承钢进行等温和渗碳热处理工艺来看，共同存在着生产周期长，能耗大，原材料价格高，生产效率低，热处理工艺复杂等问题。本发明的目的就是设计一种成本低、效益大、能耗小、寿命高，并可替代渗碳钢的轧机、铁路机车车车辆等轴承用的钢材。该钢对于轴承套圈小于45 mm可以直接用高温淬火处理或对于轴承套圈有效壁厚大于45mm直接用电频率表面1000-8000Hz高频淬火这一简单热处理工艺，就可以获得GCr18Mo等温处理或20Cr2NI4A渗碳处理所获得的机械性能，比如ak冲击值，压入塑性变形的抗力等又高于GCr18Mo等温处理和20Cr2NI4A渗碳方法所获得的机械性能。

技术方案

1.本发明的技术方案首先考虑到Si、Mn弹簧钢的特性。如果1.2-1.8%的Si和0.55-0.85%Mn的渗入，将提高钢材的硬度，提高强度及耐冲击性能，并能增加淬透性及回火稳定（Si能阻止马氏体分解）。

2.Mo(钼)当有Cr存在的情况下,(FeMo)23C6优先生成，在这种碳化物中，Cr、V都能溶解。在0.5%Mo左右，基本消除钢回火脆，当Mo含量高于0.8%消除回火脆效果不明显。一般合金中Mo含量在0.15-0.6% ，钼的碳化物在较高温度时，不会全部溶解，由于它弥散分布，故能细化晶粒，提高强度、韧性。

3.V（钒）合金钢中，钒的含量一般不大于0.5%，在0.0-0.5范围内，与Cr、MO、Si复合作用，提高强度，使弹性极限和比例极限几倍提高，它能提高淬透性，细化晶粒，提高晶粒粗化温度，阻止马氏体分解，增强回火稳定性，特别降低铭、锰的回火脆。

4.C(碳)含量在0.6%以下，对大壁厚的轴承，其淬透性、淬硬性都不好，为此提高含量在0.6-0.8%。如再提高将影响冲击韧性等。

5.W（钨）对轴承寿命有耐磨性，钨在560高温回火，能析出特殊的碳化物，W2C弥散分布，这就出现二次硬化，具有线硬性，对提高耐磨性有显著效应。另外，钨不产生回火脆，而且降低Mo、Cr、Ni元素所形成的回火脆。

6.稀土元素的加入，如：镁、铈等能细化晶粒，提高钢的强度和屈强比， 对韧性等到都起到良好的作用。

总之，通过以上元素的加入，可以组合成一个高强度、高韧性的新钢种，来满足作用条件恶劣情况下轴承特性的需求。

优点及效果

本发明的优点和效果是对于轴承套圈有效壁厚大于45mm以上尺寸段，由于采用本发明钢种和热处理工艺，可直接用高频表面淬火处理工艺，不仅方法简单而且达到轴承的使用技术要求。它与传统的工艺方案（等温和渗碳工艺）相比，提高轴承的硬度，提高强度及耐冲击性能。表1为本发明三个实施例与渗碳钢的机械性能对照表。

注：1新材料淬火后HRc大于下贝氏体，提高耐磨性。

2新材料的冲击韧性高于目前轴承钢，适用于大载荷、重冲击工况下用轴承制造。

3新材料径向负荷与渗碳钢和GCr18Mo相当。

4是高强度、压入塑性形变抗力大的材料（拉伸试验、钳口变形试样表面无划痕）。

本发明钢种有如下特点：

1.本钢种发明的抗压负荷7.8-8.8吨，为GCr15 3.67吨的2-2.4倍，同于20Cr2NI4A大于等于8吨的负荷。

2.淬 火硬度HRc：用Φ85×85㎜试样，经淬 火中剖，测剖面上硬度距元柱表面12㎜HRc60-。

3.冲击韧性

本钢种冲击韧性与多次冲击疲劳强度很高，实验证明本钢种在HRC大于60条件下，对10×10×55无缺口试样，一般只能打弯，不能打断。

4.抗拉强度

本钢种抗拉强度δb 的数据基本没有测出，只有几支δb=2650Mpa因试样夹入拉力试验机后，拉力试验机的钳口变形，夹不住，而试样本身表面一点划痕没有，说明该材料是一种强度大，压入塑性形变抗力也大的材料。

综上所述

采用本钢种及该钢种的生产工艺制造大载荷、重冲击工况条件下运行的轧机、铁路、石油、矿山等机械上轴承，它的主要特征是：不需要采用等温或渗碳等复杂的热处理工艺，而是直接用高温处理或用该种索氏体通过高频表面淬火的简单处理工艺，既可达到大载荷、重冲击工况条件下运行的轧机，铁路、石油、矿山等到机械上用的轴承性能需要。并且有的性能即冲击韧性、耐磨性、压入塑性变形抗力等到还高于等温处理及渗碳处理所能达到的性能。这样既缩短生产周期，提同轴承质量，更可以获得很大的经济效益。