热处理对加工中心轴承用不锈钢组织和力学性能的影响


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 前言:

 

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CNC加工中心是加工制造业不可或缺的工具,随着中国制造业的不断发展,对于加工中心精度、加工能力、自动化水平提出了更高的要求W。加工中心主轴及轴承制造是加工中心关键技术之_,其中轴承作为重要的基础机械零件,工作环境恶劣,是最容易发生失效的部件之_,其质量好坏直接决定了加工中心可靠性、精度、性能及寿命,其制造水平是机械工业水平高低的重要标志之_p_\ —般用于制造轴承的材料均对耐磨性、精度、稳定性有较高的要求。为了提高使用寿命,在高端加工中心中还对耐蚀性提出了要求。不锈钢轴承钢是为适应耐蚀性等要求发展起来的一种特殊轴承钢,主要包括高碳铬不锈轴承钢、高温不锈轴承钢、含氮不锈轴承钢,在高端仪器、石油、造船、加工中心行业均有广泛的应用[4_5]。由于含氮马氏体不锈轴承钢的耐腐蚀性和接触疲劳寿命等性能均远远优于传统高碳铬不锈轴承钢,逐渐成为轴承制造用钢的新


选择和研究热点[6]。马氏体不锈轴承钢在加工前一般需要经过球化退火处理以降低硬度,便于切削加工,同时改善组织为最终热处理做准备;在工件加工完成后还需进行淬火处理以提高硬度、强度,最后对工件进行低温回火处理,以降低残余应力,稳定工件尺寸热处理工艺合适与否是决定能否得到合格轴承工件的关键因素之一。本研究采用真空感应炉冶炼了一种含氮不锈轴承钢,对试验钢进行了不同温度的淬火、回火,研究了试验钢组织及硬度的影响规律,为该类轴承钢的热处理工艺制订提供依据。

1试验材料及方法

本研究采用50kg真空感应炉冶炼试验钢,其化学成分如表1所示。采用模铸法铸成钢锭,将钢锭加热至1200°C,保温120min,锻造成c^Omm的圆棒。对锻造的试验钢圆棒进行球化退火处理,球化退火工艺及球化退火后的组织分别如图1所示。球化退火后主要为球状铁素体,硬度为215HB,利于机械加工。采用VHQ-122L-06型真空炉对球化退火后的试验钢进行淬火处理,淬火加热温度为1000、1030、1050、1070°(:,保温15111丨11,冷却方式为油冷;将淬火后的钢板进行-80°C深冷处理,深冷处理介质为液氮;最后对深冷处理后的试样进行回火处理,回火温度分别为 150、250、350、450、550、650 °C,保温时间为2h。

表1试验钢材料的化学成分(质量分数

c

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

N

0.34

0.74

0.58

0.009

0.006

16.6

1.08

0.48

将热处理金相试样磨平、拋光后用4%的硝酸酒精溶液腐蚀,腐蚀时间为8s;采用OLYMPUS金相显微镜对显微组织进行观察,并采用QUANTA-400扫描电镜对不同热处理的试样组织及第二相进行了观察;采用MC010-HRS-150型数显洛氏硬度计测量试验钢的硬度值,测量时分别取3个点的平均值作为最终硬度值。

2试验结果及分析

2.1热处理工艺对组织的影响

图2为球化退火后的试验钢在1030 °C淬火、1030°C淬火+-80°C深冷处理及1030 °C淬火+-80 °C深冷处理+150 °C回火热处理状态下的显微组织。由图可以看出,试验钢在淬火处理后组织中主要为细小的板条马氏体+大量残余奥氏体+未溶析出相,其中白色块状为残余奥氏体,对此时的奥氏体含量进行统计,大约占到60%左右。这主要是因为在加热至1030 °C时奥氏体化,大部分碳化物分解,合金元素固溶于奥氏体,此时Ms点较低,淬火冷却至室温时仍有较多奥氏体未向马氏体转变;当进行一8〇°C深冷处理时,奥氏体进一步向马氏体转变,残余奥氏体含量减少,此时残余奥氏体含量降低至22%左右;当进一步进行低温回火处理时,残余奥氏体含量进一步减少,此时组织主要转变为回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物,残余奥氏体含量约为14%左右。

2.2淬火温度对组织和硬度的影响

图3为不同淬火温度的试验钢回火组织扫描照片。试验钢淬火并深冷处理后均在150°C回火。由图可以看出,当淬火温度为1000 °C时,试验钢回火马氏体基体中有大量细小的第二相粒子,呈圆球状均匀分布,部分第二相粒子还呈现链状聚集;当淬火温度提高至103CTC时,第二相粒子数量明显减少,同时尺寸也减小,链状分布的第二相粒子几乎完全消失;当淬火温度进一步提高至1050 °C时,回火马氏体基体有所粗化,第二相粒子含量进_步减少,当淬火温度达到1070°C时马氏体组织粗化己十分明显,第二相粒子几乎完全溶解。

图4为不同淬火温度对试验钢回火硬度及组织中残余奥氏体含量的影响,试验钢淬火并深冷处理后均在150°C回火。由图可以看出,在单纯淬火时,试验钢硬度值在1000°C时最大,为56.5HRC左右,这主要是由于在KKXTC以下时,随着温度提高,具有较低溶点的碳化物粒子溶解,C等元素逐渐固溶于基体,使得淬火后的马氏体组织具有较高硬度,当温度超过1 ooo°c时,氮化物等高熔点第二相粒子逐渐溶解,基体分布的第二相粒子大量减少,同时合金元素的增加使得风点下降,淬火后的残余奧氏体含量增加,因此硬度明显降低。在淬火+深冷以及淬火+深冷+回火时,试验钢的硬度值变化规律几乎一致,说明回火过程中残余奥氏体含量的减少对于硬度的提高和马氏体中碳化物析出对硬度的降低两者几乎相互抵消,随着淬火温度的提高,硬度值先升高后降低,淬火温度为1030°C时试验钢能获得最高的回火硬度,回火组织中残余奥氏体含量大约为14%,而当继续提高淬火温度时,残余奥氏体含量逐渐增加,硬度下降。

2.3回火温度对组织和硬度的影响

图5为不同回火温度的试验钢回火组织扫描照片,试验钢在1030°C淬火并深冷处理后在不同温度回火。由图可以看出,当回火温度低于250°C时,组织主要为回火马氏体,组织呈现明显的板条形态,其上分布着较多的圆球状的第二相粒子;当回火温度在350?450°C时,主要组织为回火屈氏体,在呈板条状的铁素体基体上分布,第二相粒子尺寸有所长大;当回火温度达到550°C以上时,第二相粒子明显粗化,此时的基体组织主要为回火索氏体,马氏体板条形态完全消失„

图6为不同回火温度的试验钢回火硬度,试钢在1030 °C淬火并深冷处理后在不同温度回火。由图可以看出,当回火温度低于350 °C时,随着回火温度升高,试验钢回火硬度略微降低,这是由于低温回火时,提高回火温度有利于马氏体基体中碳、氮化物析出,降低了硬度,最低硬度为57HRC;随后继续提高回火温度试验钢回火硬度又有所提高,450 °C回火时达到60HRC,当进一步提高回火温度时,试验钢硬度值迅速降低,当回火温度达到650 °C时,硬度值仅有34HRC
3结论
(1) 试验钢淬火组织为板条马氏体+大量残余奥氏体+未溶析出相,经-80 °C深冷处理、低温回火处理后残余奥氏体含量逐步减少。

(2)随淬火温度提高,回火马氏体基体逐渐粗化,第二相粒子数量逐渐减少,尺寸也有所减小;在淬火+深冷处理或者淬火+深冷处理+回火时,硬度值先提高后降低,淬火温度为1030 °C时获得最高的回火硬度。

(3) 随回火温度提高,基体组织逐渐由回火马氏体转变为回火屈氏体、回火索氏体,第二相粒子逐渐粗化;硬度先几乎不变,当温度超过450 °C时硬度值迅速下降,650°C时降低至34HRC。

 

 

 

 

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