專利名稱：：一種提高42CrMo軸承低溫沖擊功的熱處理工藝的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于熱處理工藝
技術領域：
，尤其涉及的是一種提高42CrMo軸承低溫沖擊功的熱處理工藝。
背景技術：
：偏航、變漿風電軸承套圈是采用42CrMo鋼材作為原材料。風電軸承是安裝在一百多米高空的風力發(fā)電機上，不可避免地要長期受到巨大的風力作用，承受著巨大的沖擊載荷，而且要在零下幾十度的環(huán)境溫度下工作。風電軸承特殊的服役條件決定其必須具有極高的可靠性，否則，一旦軸承發(fā)生早期失效，僅一次安裝拆卸費用就超過ioo萬元，這將給軸承用戶帶來巨大的經(jīng)濟損失，因此，用戶對其低溫沖擊功的要求越來越高。低溫沖擊功是衡量風電軸承是否具有高可靠性的一個非常重要的性能指標。為保證風電軸承能夠具有高的可靠性，軸承行業(yè)制訂了JB/T10705-2007《滾動軸承風力發(fā)電機軸承》標準。標準中明確規(guī)定風電軸承套圈的低溫沖擊功要求為-20°CAKV不小于27J。42CrMo鋼屬于中碳合金結構鋼，無論是教科書還是國家合金結構鋼標準"GB/T3077-1999合金結構鋼"中對其規(guī)定的熱處理淬火的冷卻方式均為油冷。由于油的冷卻速度較慢，風電軸承鍛件淬火后難以得到100%的馬氏體組織，回火后，組織中不但存在條狀和塊狀鐵素體，而且還存在托氏體組織(見圖l)。由于托氏體中碳化物呈細片狀，因此，其低溫沖擊韌性指標(AKV)遠低于回火索氏體組織，組織中的大量條狀和塊狀鐵素體，造成組織不均勻，最終導致性能不均勻，大量的鐵素體還將導致局部硬度低。由于鐵素體和托氏體的存在，降低了鋼的綜合機械性能，導致了鋼材沖擊功的大幅度降低，因此，風電軸承鍛件按照現(xiàn)行的熱處理工藝難以滿足對其高的低溫沖擊功的要求。為了進一步提高公司風電軸承的低溫沖擊功，使其具有高的可靠性，本發(fā)明對影響42CrMo材料低溫沖擊功的諸多因素和提高其低溫沖擊功的熱處理方法進行了大量地研究。
發(fā)明內容為了解決風電軸承鍛件現(xiàn)行熱處理工藝難以滿足對其高的低溫沖擊功要求這一技術難題，本發(fā)明提供了一種提高42CrMo軸承低溫沖擊功的熱處理工藝，該熱處理工藝能夠大幅度地提高風電軸承的低溫沖擊功及其力學性能。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的本發(fā)明采用的技術方案是通過采用43種熱處理工藝(43種工藝中采用了不同的熱處理工藝方法、淬火溫度、回火溫度、淬火介質及濃度)及不同化學成分的42CrMo材料對風電軸承套圈用42CrMo材料進行調質熱處理工藝的試驗研究，對化學成分、金相組織、晶粒度、淬火、回火溫度、淬火介質的種類及濃度等對42CrMo材料低溫沖擊功的影響進行了大量的研究分析，提出了風電軸承套圈用42CrMo材料的調質熱處理工藝。在風電軸承鍛件調質熱處理中，淬火介質的冷卻速度是影響其低溫沖擊功的一個關鍵因素。隨著淬火介質冷卻速度的增加，調質材料的淬透性也隨著增加，并且材料淬火后3得到的馬氏體組織越細小，馬氏體的數(shù)量也隨之增加，材料回火后就能得到比較細小且數(shù)量較多的的回火索氏體組織。在所有金相組織中，回火索氏體組織的沖擊功是最高的。因此，隨著調質所采用的淬火介質的冷卻速度的增加，-201:、-401:的沖擊功也依次增加。但是，如果淬火介質的冷卻速度過快，易導致淬火零件的變形和開裂。理想的淬火介質是在高溫階段(30(TC以上)冷卻速度盡可能快，以便能夠得到100%的馬氏體組織，而馬氏體轉變的低溫階段(30(TC以下)冷卻速度盡可能慢，以便減少零件的淬火變形和開裂傾向。如果采用純水、乳化液淬火，由于其冷卻速度非?？欤讓е麓慊鹆慵淖冃魏烷_裂；PAG類淬火介質存在一個非常致命的缺點——易變質、老化。淬火介質在惡劣的使用環(huán)境下，由于氧化降解、熱降解、機械降解的作用，將會促使聚二醇(PAC)分子鏈斷裂而變短。分子鏈變短意味著流動性變異，即粘度減少。而對流階段冷卻與介質的流動性(粘度)密切相關。粘度變小，對流冷速加大。盡管在保證相同濃度的情況下，隨著使用過程的不斷延續(xù)，PAG類淬火介質的粘度逐漸變小，冷卻速度特別是對流階段(低溫階段)冷卻速度逐漸變大，因此，將加大鍛件淬火變形、開裂的傾向；F2000淬火介質與純水、PAG和乳化液相比的突出優(yōu)點是永不變質，并且具有接近淬火油的低溫冷卻速度。自來水的30(TC冷速為85-100°C/s左右，而一般礦物油的300°C/s時冷速為5-10°C/s左右，PAG30(TC時冷速一般在40-5(TC/s，F(xiàn)2000在15%時該值可以降低到10_15°C/s。眾所周知，在淬火冷卻的過程中，在低溫的馬氏體轉變區(qū)的冷卻速度越小，淬火變形開裂的傾向就越小，因此，本發(fā)明選擇F2000作為風電軸承鍛件調質熱處理冷卻介質。<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表1采用油、F2000、乳化液、PAG、和水五種冷卻介質對42CrMo樣件進行調質熱處理，處理工藝及檢驗結果見表l。材料的晶粒度對其低溫沖擊功有著顯著的影響。隨著晶粒度級別的提高(晶粒越細小)，低溫沖擊功越高。晶粒度對沖擊功的影響機理為晶粒越細，晶粒越多，晶界就越多，裂紋擴展的阻力就越大，沖擊功就越高。在對風電軸承鍛件進行調質熱處理過程中，淬火加熱溫度和保溫時間是影響其晶粒度的主要因素，其中加熱溫度的影響尤為顯著。零件在淬火加熱過程中，隨著淬火零件加熱溫度的提高，碳原子擴散系數(shù)將增大，特別是碳原子在奧氏體中的擴散系數(shù)的增大加快了奧氏體的長大速度；此外，隨著淬火溫度的增加，奧氏體_鐵素體相界面與奧氏體_滲碳體相界面之間的濃度差加大，這就增大了奧氏體中碳的濃度梯度，由于碳濃度梯度的增大，因而加快了奧氏體的長大速度。當溫度從74(TC提高到80(TC時，奧氏體的長得速率約增加80倍。因此，在對風電軸承鍛件進行調質熱處理時，加熱溫度是影響鍛件晶粒度的重要因素，必須嚴格控制其加熱溫度和保溫時間。本發(fā)明確定的淬火溫度為84(TC，保溫時間為210min。本發(fā)明對風電軸承用42CrMo材料采用不同的調質熱處理工藝，獲得不同級別晶粒度的樣件，并對樣件進行了低溫沖擊功檢驗，檢驗結果見表2，晶粒度照片見圖3、圖4、圖5。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2風電軸承鍛件調質熱處理后的金相組織是影響其低溫沖擊功的關鍵因素。隨著金相組織的級別增大，沖擊功值降低。當調質后的金相組織為1級時，金相組織為100%的回火索氏體組織，且組織較細小，由于回火索氏體組織具有良好的綜合機械性能，因此，其低溫沖擊功值最高。隨著金相組織的級別增大，組織中的回火索氏體比例在下降，組織中存在的鐵素體、托氏體等非馬氏體組織比例在增加，因此，其低溫沖擊功值逐漸降低。1級金相組織100%的回火索氏體組織，且組織較細小，見圖6。3級金相組織回火索氏體+少量鐵素體，見圖7。4級金相組織回火索氏體+條狀及少量塊狀鐵素體，見圖8。5級金相組織回火索氏體+部分托氏體+條狀及塊狀鐵素體，見圖9。6級金相組織回火索氏體+部分托氏體+條狀及塊狀鐵素體，見圖10。從金相組織照片可以看出，當金相組織超過3級時，金相組織中存在數(shù)量較多的鐵素體(條狀或塊狀)，當大于5級時，金相組織中不但存在鐵素體，而且還存在托氏體組織。由于托氏體中碳化物呈細片狀，因此，其韌性指標遠低于回火索氏體組織。金相組織中的大量條狀及塊狀鐵素體，造成組織不均勻，最終導致性能不均勻。大量的鐵素體還將導致局部硬度低。由于鐵素體和托氏體的存在，降低了鋼的綜合機械性能，因此，導致了鋼材沖擊功的大幅度降低。在鋼調質后的諸多組織中，回火索氏體具有最高的綜合機械性能和低溫沖擊韌性。當調質組織達到或接近l級時，組織中的回火索氏體所占的比重最大，因此，隨著金相組織的級別增大，沖擊功值降低。在調質熱處理過程中，淬火加熱溫度及淬火后的冷卻速度是決定淬火后金相組織級別的主要因素，其中，淬火后冷卻速度的影響尤其顯著。因此，為了使風電軸承鍛件淬火后得到較為理想的金相組織，在制定風電軸承鍛件進行調質熱處理工藝時，除了要控制好加熱溫度和保溫時間之外，更重要的是要選擇合適冷卻速度的淬火介質。低溫沖擊功與金相組織的關系見表3。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3淬火加熱溫度是影響風電軸承鍛件力學性能的重要因素之一。當回火溫度相同時，在一定的淬火溫度范圍內，隨著鍛件淬火溫度的提高，鍛件淬火后的強度、硬度也在提高，塑性、韌性略有下降。其影響機理為隨著淬火溫度的升高，原始組織中的鐵素體溶解于奧氏體就越充分，淬火后馬氏體的含量就越多，回火后得到的回火索氏體組織就越多，未溶鐵素體就越少，因此，隨著淬火溫度的提高，鋼的強度、硬度增加。本發(fā)明選擇的淬火加熱溫度為840°C。本發(fā)明采用相同的回火溫度、四種不同的淬火溫度對42CrMo材料進行了調質熱處理工藝試驗，淬火工藝和力學性能的檢驗結果見表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表4在制定風電軸承的調質熱處理工藝時，不僅要考慮加熱溫度對低溫沖擊功的影響，同時還應考慮加熱溫度對其力學性能的影響。風電軸承鍛件的回火溫度是影響其力學性能的重要因素之一。當淬火溫度相同時，隨著鍛件回火溫度的提高，鍛件淬火后的強度、硬度下降，塑性、韌性略有提高。影響機理為在淬火溫度相同的情況下，隨著回火溫度的升高，回火時析出的Fe3C聚集長大，回火溫度越高，F(xiàn)e3C顆粒越大，因此，強度、硬度就越低，塑性、韌性越高。本發(fā)明選擇的回火溫度為580°C。本發(fā)明采用相同的淬火溫度、四種不同的回火溫度對42CrMo材料進行調質熱處理工藝試驗，調質熱處理工藝和力學性能的檢驗結果見表5。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表6綜上所述，本發(fā)明在制定風電軸承鍛件調質熱處理工藝時，綜合考慮了材料、淬火介質、晶粒度、金相組織、淬火溫度和回火溫度等對其低溫沖擊功的影響因素，制定了能夠顯著提高其低溫沖擊功的熱處理工藝，其調質工藝參數(shù)如下調質熱處理淬火加熱溫度84(TC±10°C;調質熱處理淬火保溫時間(h):3.5小時；調質熱處理回火加熱溫度58(TC±10°C;調質熱處理回火保溫時間(h):8小時；調質熱處理采用的冷卻介質為F2000，濃度為6X;其操作步驟如下A、通過吊車將風電軸承用42CrMo鍛件吊入爐內，以每小時小于6(TC速度升溫到淬火加熱溫度84(TC±10°C;B、當鍛件的表面和心部的溫度均達到淬火加熱溫度時，在84(TC士1(TC段內保溫，淬火保溫時間為3.5小時；C、達到保溫時間后，將鍛件吊入淬火槽中進行淬火；D、淬火時，采用的淬火冷卻介質為F2000，濃度為6%;淬火液的溫度應控制在105(TC之間；溫度如果超過5(TC，液體的冷卻速度就會受到影響；當淬火液溫度低于l(TC時，應采用加熱的廢套圈對淬火液進行加熱，當淬火液溫度高于5(TC時，應對淬火液進行冷卻；E、鍛件淬火后，應立即將其吊入回火爐中進行回火，回火加熱溫度58(TC±10°C;F、當鍛件的心部和表面均達到回火溫度時，對其進行保溫，回火保溫時間8小時；回火后的冷卻方式為空冷；經(jīng)上述調質工藝處理后，對鍛件的力學性能及低溫沖擊功進行了檢測，檢驗結果如下低溫沖擊功值-20。CAkv:66J;_40。CAkv:42J;室溫Akv:110J;Rm:950Mpa;RpO.2:780Mpa;A:20%;Z:64%;硬度:276HBW;從檢驗結果可以看出，采用上述理想的調質工藝處理后，低溫沖擊功有顯著的提高，其低溫沖擊功遠遠超過了"JB/T10705-2007《滾動軸承風力發(fā)電機軸承》"標準規(guī)定的"-20°CAKV不小于27J"的技術要求。將試驗得到的理想調質熱處理工藝的檢驗結果與現(xiàn)有的工藝進行比較，低溫沖擊功得到了大幅度的提高，具體指標見表7。8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表7本發(fā)明提出的工藝解決了風電軸承采用傳統(tǒng)的熱處理工藝處理后，低溫沖擊功不能滿足要求的重大技術難題；大幅度地提高了風電軸承的低溫沖擊功，確保其能夠具有高的可靠性，減少了質量隱患。圖1為42CrMo鍛件采用油淬火、回火后金相組織回火索氏體+部分托氏體+條狀及塊狀鐵素體。圖2為低溫沖擊功與化學成分的關系。圖3為8.5級晶粒度圖。圖4為9級晶粒度圖。圖5為10.5級晶粒度圖。圖6為1級金相組織。圖7為3級金相組織。圖8為4級金相組織。圖9為5級金相組織。圖10為6級金相組織。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明加以說明本發(fā)明在制定風電軸承鍛件調質熱處理工藝時，綜合考慮了材料、淬火介質、晶粒度、金相組織、淬火溫度和回火溫度等對其低溫沖擊功的影響因素，制定了能夠顯著提高其低溫沖擊功的熱處理工藝，其調質工藝參數(shù)如下調質熱處理淬火加熱溫度84(TC±10°C;調質熱處理淬火保溫時間(h):3.5小時；調質熱處理回火加熱溫度58(TC±10°C;調質熱處理回火保溫時間(h):8小時；調質熱處理采用的冷卻介質為F2000，濃度為6X;其操作步驟如下A、通過吊車將風電軸承用42CrMo鍛件吊入爐內，以每小時小于6(TC速度升溫到淬火加熱溫度84(TC±10°C;B、當鍛件的表面和心部的溫度均達到淬火加熱溫度時，在84(TC士1(TC段內保溫，淬火保溫時間為3.5小時；C、達到保溫時間后，將鍛件吊入淬火槽中進行淬火；D、淬火時，采用的淬火冷卻介質為F2000，濃度為6%;淬火液的溫度應控制在105(TC之間；溫度如果超過5(TC，液體的冷卻速度就會受到影響；當淬火液溫度低于l(TC時，應采用加熱的廢套圈對淬火液進行加熱，當淬火液溫度高于5(TC時，應對淬火液進行冷卻；E、鍛件淬火后，應立即將其吊入回火爐中進行回火，回火加熱溫度58(TC±10°C;F、當鍛件的心部和表面均達到回火溫度時，對其進行保溫，回火保溫時間8小時；回火后的冷卻方式為空冷。權利要求一種提高42CrMo軸承低溫沖擊功的熱處理工藝，其特征在于所述熱處理工藝的調質工藝參數(shù)如下調質熱處理淬火加熱溫度840℃±10℃；調質熱處理淬火保溫時間(h)3.5小時；調質熱處理回火加熱溫度580℃±10℃；調質熱處理回火保溫時間(h)8小時；調質熱處理采用的冷卻介質為F2000，濃度為6％；其操作步驟如下A、通過吊車將風電軸承用42CrMo鍛件吊入爐內，以每小時小于60℃速度升溫到淬火加熱溫度840℃±10℃；B、當鍛件的表面和心部的溫度均達到淬火加熱溫度時，在840℃±10℃段內保溫，淬火保溫時間為3.5小時；C、達到保溫時間后，將鍛件吊入淬火槽中進行淬火；D、淬火時，采用的淬火冷卻介質為F2000，濃度為6％；淬火液的溫度應控制在10～50℃之間；E、鍛件淬火后，應立即將其吊入回火爐中進行回火，回火加熱溫度580℃±10℃；F、當鍛件的心部和表面均達到回火溫度時，對其進行保溫，回火保溫時間8小時；回火后的冷卻方式為空冷。全文摘要本發(fā)明屬于熱處理工藝
技術領域：
，公開一種提高42CrMo軸承低溫沖擊功的熱處理工藝，其調質工藝參數(shù)為調質熱處理淬火加熱溫度840℃±10℃；調質熱處理淬火保溫時間(h)3.5小時；調質熱處理回火加熱溫度580℃±10℃；調質熱處理回火保溫時間(h)8小時；調質熱處理采用的冷卻介質為F2000，濃度為6％。本發(fā)明解決了風電軸承采用傳統(tǒng)的熱處理工藝處理后，低溫沖擊功不能滿足要求的重大技術難題；大幅度地提高了風電軸承的低溫沖擊功，確保其能夠具有高的可靠性，減少了質量隱患。文檔編號C21D9/40GK101705342SQ20091006634公開日2010年5月12日申請日期2009年11月3日優(yōu)先權日2009年11月3日發(fā)明者孫偉,沈偉毅,王麗霞,王云廣,王明杰,王明禮,羅素娟,雷平申請人:洛陽Lyc軸承有限公司