1、轴承钢的热处理工艺设计 Written by Peter at 2021 in January轴承钢的热处理工艺设计热处理工艺课程设计说明书课程名称： 金 属 热 处 理 工 艺 学 设计题目：GCr15轴承钢的热处理工艺设计院 系： 机 械 工 程 学 院 班 级： 材料成型及控制工程 XXXX 学 号： 0 9 1 1 0 1 1 00 学生姓名： idealwang 指导教师： 黄 老师 热处理工艺课程设计任务书设计题目GCr15轴承钢的热处理工艺计学生姓名Idealwang院系专业机械工程学院材料XXXX设计要求：1.相变点的确定 2.热处理工艺参数的制定3.热处理设备的选择4.组织特
2、点和性能的分析5.夹具的设计或选用6.工艺卡片填写学生应完成的工作：进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择设备，设计或选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各种热处理工序的工艺参数的选择依据和各种热处理后的显微组织作出说明。任务下达日期：2011年12月19日任务完成日期：2011年12月26日答辩日期：指导教师：黄新学生签名： 1 热处理工艺课程设计的目的 -42 零件的技术要求及选材 -4工作条件和技术要求 -4材料的选择 -5化学成分及合金元素的作用
3、 -63 热处理工艺课程设计的内容及步骤 -7相变点的确定 -7热处理工艺 -83.2.1工艺流程 -83.2.2热处理工艺参数的制定 -103.2.3处理工艺卡片填写 -123.2.4作过程中的注意事项 -12家具的设计或者选用及零件的摆布-13热处理设备的选择 -16组织特点和性能的分析 -164总结-215 收获和体会 -236 参考文献 -237 附表1 热处理工艺卡 -251 热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：（1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其
4、所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。要求我们设计工艺流程，这需要翻查大量的文献典籍。如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。材料热处理工艺课程设计是培养材料专业学生在热处理原理方面能力的重要环节，纸上谈兵是经不起考验的，扎
5、实的理论唯有通过实践才能够证明，且科学的实践能够有效巩固甚至发展原有的理论，因此，本课程设计通过给出20余种不同牌号的材料，要求学生以个人（允许讨论）或组队的方式完成热处理工艺的设计，对学生巩固已学热处理知识、学习使用工具书、增强团队合作意识等是大有裨益的。2零件的技术要求及选材工作条件和技术要求 轴承广泛用于柴油机、拖拉机、机床、汽车和火车等各种机械设备与车辆上，它有轴承内套、外套、滚动体和保护器四部分组成的。内套紧装于主轴上，随轴一起转动。而外套则装在轴承座中静止不动，在轴转动过程中，内套和滚动体发生转动和滚动，在高速运动下服役，承受点或线的接触的周期性的高压交变载荷和应力的作用，因此容易
6、造成局部应力集中。随着科学技术的发展，一些特殊用途的轴承想着高转速、高负荷、高温、低温、特大型、特小型、低噪声发展。例如，轴承转速Dn值已达到4000000r/min；承受局部接触应力达4000MPa；工作温度达600以上；超低温度达到-350；有的轴承最大直径达、质量达到7700kg；办公室自动化机器等小型轴承则要求抑制噪声。滚动体和内外套三者之间既呈现滚动又呈现滑动，故会产生滚动摩擦和滑动摩擦，因此在分析上述过程中可知，滚动轴承的损坏形式为接触疲劳破坏和磨损，要求滚动体与内外套应具有高的抗疲劳性能和耐磨性，有良好的尺寸稳定性，才能确保轴承高的使用寿命。所以轴承钢的零件热处理后的硬度要求见J
7、B/T 1255-2001标准规定，套圈硬度一般为5765HRC；钢球硬度一般为5866HRC，滚子硬度一般为5765HRC。以球轴承为例。 图1.向心球轴承及其载荷分布情况材料的选择 本课程设计所要求的轴承钢为高碳铬钢。轴承工作时，套圈与滚动体之间呈点接触或线接触，承受着集中的周期性交变载荷，并在其高速运转中，同时存在着滚动摩擦和滑动摩擦。因此疲劳断裂和磨损是轴承破坏的主要形式。基于轴承的工作条件和破坏形式，对轴承钢的性能提出以下要求：具有高的接触疲劳强度和抗压强度；具有高的弹性极限和屈服极限；具有一定的韧性；据有良好的尺寸稳定性；具有一定的抗腐蚀性能；具有高而均匀的硬度与耐磨性；具有良好的
8、工艺性能。根据其性能要求，在材料选择上，也注意以上几点，通常选用高铬轴承钢来制造轴承零件，如GCr15。其含碳量为 %，铬元素的含量为%,确保高硬度的要求。铬元素的加入明显提高了钢的淬透性，同时细化了晶粒，淬火后在马氏体晶体基体上分布细小的、均匀的碳化物，不会出现纤维状的碳化物。铬还能提高低温回火的稳定性。因此适合制造轴承。化学成分及合金元素的作用GCr15为常用的高碳铬钢的一种，是应用最广泛的的一种轴承钢，用于制造中小型轴承，也可以制造部分大型轴承。表钢化学成分（%）钢号CSiMnCrGCr15MoPS表2. GCr15钢常温下的物理性能硬度HV抗拉强度MPa纵向弹性模数/MPa平均线膨胀系
9、数a/-1密度gcm-3材料热处理77215691861210000淬火GCr15所含元素的作用：碳 保证轴承在淬火和低温回火后得到高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳性能。铬 可以增加淬透性，还能部分溶于渗碳体形成较稳定的合金渗碳体，热处理后得到的细小的均匀的碳化物，对提高钢的耐磨性，尤其是对提高解除疲劳强度十分有利。铬还能提高马氏体的低温回火稳定性，热处理后得到均匀的高硬度，从而有效地提高钢的耐磨性。硅、锰 以进一步提高淬透性，适合制造大轴承。但是锰会增加钢的过热倾向，含量过高会引起残留奥氏体量增加。硅还会增加钢中氧化夹杂，故需要加以限制。钼 主要作用是提高钢的淬透性，改善力学性能，特别是具有提
10、高韧性的效果。此外还可以提高钢的耐磨性和渗碳性能，钼含量在此类钢中一般在%以下。 磷、硫 严格控制有害元素磷和硫量，磷在加热时会促使晶粒长大，并增加钢的脆性，降低硬度、增加淬火开裂倾向。硫会增加钢中硫化夹杂。3热处理工艺课程设计的内容及步骤相变点的确定 GCr15轴承钢是一种高碳铬钢，当向高碳铬轴承钢加入硅和锰合金元素后，它的多元状态图变得更加复杂了。硅的作用主要是引起相变点A1、A3、Acm升高，从而使状态图的A区趋于封闭；锰的作用则是引起S点左移，并使A1、A3下降，Acm升高，造成A区扩大。钢中硅几乎全部溶入固溶体中，而锰除一部分溶入固溶体之外，其余则形成渗碳体型碳化物（Fe，Cr，Mn
11、）3C。通过查找资料，可知Fe-C-Cr状态图上含%Cr的垂直截面：图状态图上含%Cr的垂直截面表3. GCr15钢的临界点项目Ac1AcmAr1Ms温度/745900700240 热处理工艺3.2.1工艺流程及目的铬轴承钢零件的产生工艺路线一般如下:轧制正火球化退火机械加工淬火冷处理低温回火磨加工附加回火成品1.正火工艺 如果毛坯锻造工艺不当，出现沿奥氏体晶界析出的二次网状碳化物和条状珠光体组织，因为它们在随后的球化退火过程中不能完全消除，从而影响零件的使用寿命，所以先采用正火工艺来消除这些组织。有粗大的网状碳化物的GCr15钢， 采用900950的加热温度，工件透热后保温4060min，正
12、火。若正火的加热温度过高，在冷却过程中也易析出网状碳化物，故需要采用较快的冷却速度。在油或水中冷却时，冷至500时应取出，以免产生裂纹。 正火的目的:改善或消除网状碳化物，提高冲击韧度。 退火时过热组织的返修。 细化原始组织，为提高抗回火稳定性做准备2.球化退火工艺 经过锻造后的工件，如果其显微组织为细片状珠光体，则可直接进行球化退火。其目的是：降低硬度，便于切削加工，获得均匀的分布的细颗粒珠光体、为淬火做好准备，改善热处理的综合力学性能，消除加工硬化，增加塑性。GCr15钢通常采用等温退火。其工艺是将刚才加热到780810，保温36个小时，然后再690750，保温4个小时以上，以便组织全部球
13、化。790被认为最佳的球化加热温度。因为加热温度过高，大量碳化物溶解，球化结晶核心少，球化后为粗大的球状珠光体或部分片状组织；加热温度偏低，球化退火后组织中仍保留尚没转变的片状珠光体。最佳的等温球化退火工艺如图: 图3. 高碳铬轴承钢等温球化退火工艺曲线 球化退火的目的: 使片状珠光体转变为细粒珠光体，为淬火准备 良好的原始组织。降低硬度使其易于切削加工。 提高塑性使其易于冷拉、冲压、冷辗。3.淬火工艺一般采用淬火和低温回火，其目的是提高钢的强度、硬度、耐磨性与抗疲劳性能。GCr15钢的淬火温度为820860，温度太高，就会出现过热组织，使轴承的韧性和疲劳强度下降；温度过低，奥氏体中溶解Cr、
14、C数量减少，影响淬火后的硬度。轴承工件的淬火组织中马氏体和残余奥氏体是不稳定相，室温下停留时间过久，将会导致工件尺寸发生变化，使轴承的精度降低，所以，轴承淬火后，应及时采用16010的低温回火，回火时间一般为24个小时。 淬火的目的: 充分发挥材料的各种综合性能潜力，提高硬度、强 度、耐磨性、接触疲劳性能等，并为回火提供优良的马氏体组织，以便最终获得最佳综合强韧化的性能。4.冷处理 对于精密轴承零件，冷处理是淬火的继续，目的是让淬火后的残留奥氏体转变为马氏体，从而减少残留奥氏体量，以提高零件的尺寸稳定性。冷处理工艺的温度一般为-60-80，保温时间为24小时，冷处理后恢复到室温在4小时内进行回
15、火，以防止零件开裂。 冷处理的目的: 使淬火过程中未能充分转变的残留奥氏体继续向马氏体转变，除能提高零件的尺寸稳定性，还能略微提高零件的硬度和防锈性能。有时也能利用马氏体比体积大这一原理用冷处理来挽救因尺寸缩小而报废的产品。5.回火的目的:零件淬火后必须及时进行回火。回火可以减少并稳定残余应力，稳定组织，避免裂纹和变形，适当降低硬度而大幅度提高韧性，使零件最终获得最佳配合的综合强韧性的力学性能和尺寸稳定 性。6.附加回火：淬火未经冷处理的轴承零件，在磨削加工时，会产生磨削应力，低温回火时未能完全消除的残留应力在磨削加工后会重新分布。这俩种应力会导致尺寸发生变化，甚至会产生龟裂。为此，应在进行一
16、次附加回火，回火温度为120160，保温时间为510h，或更长。回火的目的:回火的作用是消除磨削应力，进一步稳定组织，以便于提高零件的尺寸稳定性。3.2.2热处理工艺参数的制定 根据时间计算公式=aKD 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，将工艺参数制表如下：1）装炉修正系数K的确定：图4.工件在炉内不同排布方式的加热时间修正值装炉修正系数K取。2）由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定： 表 4. 钢加热系数工件材料工件直径/mm50合金钢高合金钢高速钢奥氏体化温度为：860。3）工件有效厚度的确定：下
17、表为不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数表，有此可计算出工件的有效厚度为：D=直径形状系数=50=50mm。表5.状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数工件形状特征尺寸s形状系数k球球径立方体边长圆柱直径棱形边长环环宽度环厚度板厚度管材壁厚开口通管；长管；闭口管3.2.3热处理工艺卡片填写见附表1 热处理工艺卡片。3.2.4操作过程中的注意事项1锻造后必须经过球化退火后才能进行加工。2球化退火时应注意加热温度和保温温度之间的区别，并保证足够的球化退火时间。3球化退火后先炉冷后空冷，减少残余应力。4淬火时应严防表面氧化，脱碳。5回火不足时，应注意油浴炉底部温度偏低。6球化退火
18、应先将工件放在炉口缓慢升温后才能放入炉内。7淬火加热时应注意控制加热速度。8淬火预热时应保证足够的预热时间，使工件温度均匀化。9严格控制奥氏体化温度和加热时间。10控制冷却的时间，减少奥氏体稳定化。11控制回火温度，回火保温时间，保证碳化物的析出，从而保证硬度和红硬性。12回火冷却时应空冷至室温后再进行下一次回火，得到较多的回火马氏体。13淬火加热时，遇到突然停电，应立即从炉中去除工件，空冷。重新加热淬火前必须经过退火，否则，将出现萘状端口。14淬火后应及时回火。15回火出炉工件应随吊篮一起空冷，不能将工件堆放进行空冷。16中温预热和高温加热的盐浴应严格校正。17在生产中要经常检查控温仪表，常
19、用光学高温计核对炉温的准确性。18大批工件进行淬火时必须进行试淬，淬火后检查淬火晶粒度，调节炉温。19在球化退火和回火过程中应注意添加足够的保护剂，减少工件表面的氧化脱碳。热处理设备的选择 球化退火、淬火的设备：为了减少轴承钢在热处理过程中的氧化、脱碳，采用中温箱式保护气氛电阻炉。 图5.中温箱式保护气氛电阻炉 中温箱式保护气氛电阻炉：额定功率75kW,最高工作温度950,炉膛尺寸(mm):800900550,重量5350kg.回火设备：中温井式电阻炉图6.中文普通井式电阻炉型号额定功率/kW额定电压/V相数额定温度/炉膛尺寸（直径X深度）/mm在890时有关数据空炉损耗功率/kW空炉升温时间
20、/h最大装载量/kg井式电阻炉403803950600X8009350清洗设备：废水池。烘干设备：烘箱。 夹具的设计或选用及零件的摆布 因为GCr15轴承钢在热处理时，种类较多，以及零件小，所以夹具在这忽略。组织特点与性能分析3.5.1细粒状碳化物高碳铬轴承钢的淬火温度为830860，经油淬后，可获得细小的均匀的奥氏体晶粒度（58级），固溶体中的碳含量一般在%（质量），隐晶马氏体基体上分布着细小的均匀分布的粒状碳化物，其含量为7%8%（体积），并含有少量残留奥氏体。这样的话，组织在性能上可得到最高硬度，弯曲强度和韧度，根据资料，马氏体基体上碳含量在%时疲劳性能最好，若马氏体基体中碳含量固定在%
21、时，则碳化物在4%6%(体积)为宜，所以，在有些情况下，可以降低钢中碳含量是有利的。轴承零件在淬火工艺中应尽量减少氧化脱碳，为了防止氧化脱碳，我们在热处理过程中，可以采用保护气氛加热或者是真空加热。3.5.2退火组织和性能在等温球化退火过程中，奥氏体转变为粒状珠光体。当片状过共析原始组织的奥氏体体化温度较低时，其中片状碳化物虽已溶解，但奥氏体的成分极不均匀，且由于大量未溶二次碳化物的存在，将为A1以下等温时共析碳化物的析出提供了非均质晶核，股促进了粒状珠光体的形成。如图7.GCr15钢锻造后经球化退火，使钢中的碳化物球状化。球化退火可降低硬度，改善切削性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性能；可
22、经淬火、回火后得到良好的综合性能。图钢常规等温球化退火组织3.5.3火组织和性能GCr15轴承钢的淬火组织是由淬火马氏体、残余奥氏体和剩余碳化物组成。轴承钢的淬火温度一般为820860，其加热温度从俩个方面来影响淬火组织和性能。加热温度越高，碳化物溶解越多，奥氏体中碳化物及合金元素含量越高，淬透性（如图8）和淬火硬度上升，在适宜的加热温度和保温时间淬火，可获得良好的金相组织与硬度的最佳配合，如图。淬火加热温度若果太低，会使奥氏体中合金元素固容量不足，油冷后会出现非马氏体组织，使硬度和强度下降，如图9.当淬火温度过高时，碳化物大量溶解，并均匀化，阻止奥氏体晶粒长大的碳化物逐步减少，甚至消失，晶粒
23、开始粗话，淬火后，会出现细长针状或者粗大针状马氏体组织，形成的过热组织或者严重过热组织，残留奥氏体增多，强度和韧性都达不到要求。图8.淬回火马氏体组织 图9.大量屈氏体组织 表钢不同淬火温度与组织性能的关系由表可知，淬火组织为以片状马氏体为主。随着淬火加热温度的升高，奥氏体中含碳量增加，片状马氏体量也随之增多。当基体中碳含量质量分数超过%时，淬火组织为孪晶马氏体为主。GCr15轴承钢在820860加热淬火，基体中含碳量在%之间，力学性能最好。图轴承钢淬透性曲线如图所示，是GCr15轴承钢的淬透性曲线，至水冷端的距离越远，其硬度越低。当冷却到马氏体点Ms之下时，过冷奥氏体即发生马氏体相变。马氏体
24、相变也分形核及成长两个阶段，但成长速度很快，形核后不到万分之一秒即生长完毕，因此马氏体转变速度几乎完全是由形核速度所控制。马氏体转变量只与温度有关，随温度下降转变量增加；与保温时间无关，恒温停留不会使马氏体量增加，反而会带来其他的问题。马氏体点Ms与奥氏体的化学成分有关。其中碳的影响最大，碳含量增加，Ms点降低；合金元素W、Mo、Cr、V均使Ms点降低。淬火温度高，保温时间长，使奥氏体中的碳和合金元素含量增加，因而使Ms点下降。轴承钢淬火后的基体组织中除了马氏体之外，还有的残余奥氏体。残余奥氏体的数量与Ms点有关。钢中的碳含量愈高，淬火温度愈高，则使残余奥氏体量愈多。在淬火时中断冷却，也会使残
25、余奥氏体量增加，并且中断冷却的温度愈高，则残余奥氏体量也愈多。淬火温度对残余奥氏体，剩余碳化物的影响，如图图11.淬火温度对GCr15钢硬度、残余渗碳体和残余奥氏体的影响3.5.4火组织和性能轴承钢淬火后应及时进行回火，以提高零件的组织及尺寸的稳定性，提高力学性能。挥霍一般采用160保温3h或者更长。回火组织为回火马氏体+弥散分布的碳化物+少量残留奥氏体。回火后硬度在6266HRC。轴承零件的尺寸不稳定性的基本原因在于存在有内应力和残留奥氏体，增加组织稳定性和减少应力常用的措施是进行冷处理和附加回火。特别是对于精密轴承，为了保证零件的稳定性，必须要求消除残留奥氏体。一般采用淬火后立即进行冷处理
26、。轴承在磨削加工后腰进行消除磨削应力的回火，一般应根据轴承精密等级来选取不同的保温时间和回火次数。回火可以减小并稳定残余应力，稳定组织，避免裂纹和变形。轴承钢中碳化物经过细化处理和采用低温回火，可以获得碳化物和晶粒同时发展的效果。淬回火后残留碳化物均匀、细小、圆整，组织中黑白区不很明显，带状碳化物和液析碳化物基本消除，淬回火马氏体组织细小、均匀，从而对轴承钢接触疲劳寿命的提高带来非常有利的影响。 如图是用不同含碳量的钢淬回火后，使其马氏体含碳量和残余奥氏体含量相同而未溶碳化物含量不同，经160回火后的力学性能。从图可知，未溶碳化物少量增高对硬度增高值不大，反映强度和韧性的压碎载荷则有所降低，对
27、应力集中的敏感的解除疲劳寿命则明显降低，所以适当地降低轴承钢的含碳量是提高制件使用寿命的途径之一。图12.高碳铬钢淬回火后未溶碳化物对硬度、压碎载荷和接触疲劳寿命的影响 图钢回火温度和回火时间对硬度的影响3.5.5GCr15轴承钢的过冷奥氏体的转变 GCr15轴承钢过冷奥氏体等温转变图GCr15轴承钢在A1至马氏体开始转变温度Ms点之间，过冷奥氏体的等温转变分为珠光体型高温转变和贝氏体型中温转变；而过冷至Ms点以下时，则属于马氏体型非等温转变。过冷奥氏体最不稳定的温度范围和最短孕育期，随着其中铬、碳、锰等元素的实际含量而改变，并取决于奥氏体化时的加热温度、保温时间以及原始组织的分散度。如图是G
28、Cr15轴承钢经860和1050奥氏体后所测得的过冷奥氏体等温转变图：图钢过冷奥氏体等温转变图（TTT）根据GCr15轴承钢在860奥氏体化的等温转变曲线，A1至520之间过冷奥氏体的等温转变产物为碳化物与铁素体片相间分布的珠光体型组织，并随着转变温度的降低 ，片间距相应减小。520245之间则为贝氏体型组织，其中，500400等温时转变产物为羽毛状上贝氏体，而在350以下则为针状下贝氏体。 根据GCr15轴承钢在1050的等温转变曲线可知，当二次碳化物全部固化时，图上出现了二次碳化物开始析出曲线（其最不稳定温度约为700左右），即过冷奥氏体在发生珠光体或者贝氏体转变之前，将首先沿奥氏体晶界析出网状碳化物。二次碳化物的析出主要取决于冷却速度，其析出的数量不仅与碳在奥氏体中的过饱和度有关，而且碳化物形成元素的扩散条件也具有一定的影响。由于这些元素沿奥氏体晶界的扩散速度远大于晶内扩散，故二次碳化物多沿晶界析出，从而形成断续或连续的网络状。通过GCr15钢等温转变曲线可估算，网状碳化物析出的临界冷却速度约为12/s，所以过冷奥氏体在实际冷却过程中为了避免网状碳化物的析出，
