[发明专利]高氮不锈轴承钢热处理工艺

说明书

技术领域

本发明属于轴承热处理技术领域，主要涉及的是一种高氮不锈轴承钢热处理工艺。

背景技术

目前，在涉及航空航天等工作条件十分恶劣的行业中使用的轴承除要求其具有高的断裂韧性、高的接触疲劳寿命、高的耐磨性外，还必须满足盐雾，霉菌和湿热的“三防”试验要求，但是国内使用的传统高碳铬不锈轴承钢无法满足使用性能要求。由于高碳铬不锈轴承钢(9Cr18，9Cr18Mo)这两种钢具有高的碳含量和铬含量，所以不可避免地会产生大块的共晶碳化物，这些碳化物分布不均匀形成带状，大部分在晶界上析出，而且热处理时无法消除，往往对轴承套圈的磨削和超精工序产生不利的影响。9Cr18钢制轴承不能满足噪音及精度的要求，同时当轴承承受较大载荷时，易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂纹源，从而使轴承的使用性能和接触疲劳寿命受到损害。基于这种情况，FAG、NSK等企业于八、九十年代开发了高氮耐腐蚀轴承钢，在传统的高碳马氏体不锈钢中降低了碳含量并添加了氮元素。该耐腐蚀轴承钢中均匀分布着氮和碳形成很小的的粒状碳氮化合物，类似于高碳铬轴承钢的球化退火组织，而不出现高碳铬不锈轴承钢中粗大的共晶碳化物和针片状共晶碳化物。另外，由于氮对马氏体起强化作用，其耐蚀性及疲劳性能均优于传统的高碳不锈钢。

因此，急需开发研制新的材料来解决这项技术难题。在研究过程中发现，40Cr15Mo2VN高氮不锈轴承钢具有碳化物分布均匀、细小，经过本工艺热处理后，与传统的高碳铬不锈轴承钢(9Cr18，9Cr18Mo)相比，具有硬度高，耐磨性好和高的接触疲劳寿命的特性，并且耐蚀性能远远优于9Cr18钢，能够满足高耐蚀性的技术性能要求。但是40Cr15Mo2VN钢在采用常规热处理工艺出来后残余奥氏体含量很高，残余奥氏体含量愈高对于轴承的尺寸稳定性愈大，为了解决这个难题，我们采用降低淬火温度和深冷处理，但是研究发现淬火温度降低后，淬火后硬度不符合产品要求，需采用深冷处理，为了防止裂纹产生和变形，在深冷处理前增加一次预冷处理。

发明内容

本发明的目的由此产生，提出一种高氮不锈轴承钢热处理工艺。有效解决热处理技术难题，使生产出的轴承不仅具有高断裂韧性、高接触疲劳寿命、高耐磨性的特性，同时还能满足盐雾，霉菌和湿热的“三防”试验要求，并且耐腐蚀性优于传统的高碳铬不锈轴承钢(9Cr18)。

本发明实现上述目的采取的技术方案是：一次预热温度650±10℃，保温25～35min；二次预热温度850±10℃，保温20～45min，；淬火温度1060±10℃，保温50～60min；淬火后冷至室温半小时内应立即进行冷处理，冷处理温度：-196±5℃，2～3h，2次；冷处理后升至室温后立即进行回火，回火温度：160±5℃，4～4.5h，2次。

淬火温度的确定：按照工艺实验方案，采用一系列淬火温度(1020℃，1040℃，1050℃，1060℃，1080℃，1100℃)，一次冷冻处理-55℃，170℃回火，分别检测试样的硬度和残余奥氏体含量。从图1可以看出，随着淬火温度的升高，硬度也随之升高，但残余奥氏体含量也随之升高。为了兼顾工件的尺寸稳定性和硬度，最终确定淬火温度为1060±10℃，冷却方式：油冷。

冷处理温度的确定：考虑到残余奥氏体对工件尺寸稳定性的影响，决定尽可能把残余奥氏体降到最低。对此采用不同的冷处理温度(-55℃，-80℃，-196℃)进行试验。从图2可以看出，随着冷处理温度的降低，残余奥氏体的含量逐渐降低。这是由于随着温度的降低，奥氏体与马氏体的自由能差增大，促使残余奥氏体转变为马氏体。同时，经过两次冷处理后的残余奥氏体含量，比只经过一次冷处理后的残余奥氏体含量更低。经对比最终选择冷处理温度-196±5℃，2～3h，2次，残奥含量平均为5％。可能满足产品尺寸稳定性的需要，尺寸稳定性试验也恰恰验证了这一结论。

回火温度的确定：淬火温度采用1060±10℃；冷却方式：油冷；冷处理温度，-196±5℃，2～3h，二次；按照回火试验方案，采用三种不同回火温度(120℃、160℃、200℃)进行回火。检测结果发现，回火组织均为回火马氏体+少量一次碳化物+弥散分布的二次碳化物，金相组织变化差异较小；回火后硬度变化较大，200℃回火后硬度较其它温度回火的低约1HRC。考虑到淬火和冷处理后热应力和组织应力较大，最终确定回火温度为160±5℃，4～4.5h，2次。