渗碳纳米贝氏体轴承钢表层组织与性能演变的研究
发布时间：2021-10-12 16:19
纳米贝氏体轴承钢因优异的强韧性和滚动接触疲劳性能而受到轴承行业的广泛关注,现已用于大型风电机组主轴轴承和轧机轴承等重载轴承的制造中。因为渗碳钢表层高碳部分较薄,不易研究,因此设计了一种高碳钢,模拟G23Cr2Ni2SiMo渗碳纳米贝氏体轴承钢表层高碳成分,利用膨胀仪、扫描电镜以及透射电镜等设备表征组织随等温时间的变化规律;测试试样的硬度、冲击韧性和压缩性能,揭示奥氏体化温度以及等温时间对渗碳纳米贝氏体轴承钢表层组织与性能的影响规律。得到以下结果:两种不同奥氏体化温度下试样的贝氏体铁素体板条尺寸均小于100 nm。较高奥氏体化温度工艺等温获得的未溶渗碳体尺寸小,含量约为较低奥氏体化温度工艺的50%。随着贝氏体相变等温时间的延长,纳米贝氏体铁素体含量逐渐增加,马氏体含量逐渐降低,残余奥氏体含量呈现先升高后降低的趋势。两种奥氏体化工艺,在不同贝氏体等温时间的工艺下,其硬度最小值均大于58HRC,即满足轴承硬度的最小要求。在同一奥氏体化温度前提下,不同贝氏体等温时间的试样硬度随着时间的延长呈现先减小后增大趋势。抗压强度随着等温时间的延长逐渐减小,应变值逐渐增大。冲击韧性随着等温时间的延长逐渐增...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圆柱滚子轴承
燕山大学工学硕士学位论文-4-代初国外研究人员开始研究高碳高铬轴承钢的低温贝氏体等温工艺，通过贝氏体等温淬火获得了由薄膜状残余奥氏体、球状渗碳体和下贝氏体三相组成的无碳化物贝氏体组织，典型组织如图1-2所示。该复合组织虽然硬度较马氏体低，但是其具有较高的韧性值，韧性值可以达到回火马氏体的3倍以上[6-7]。当下贝氏体与马氏体轴承钢回火温度相同时，下贝氏体组织轴承钢表面为压应力状态，具有更高的耐磨性和疲劳寿命。图1-2GCr15钢在230℃等温5h后的下贝氏体组织形貌[6]我国对贝氏体轴承钢的研究较国外晚30余年。我国对贝氏体钢的研究首先是对RCC型铁路货车无油箱轴承等温淬火工艺的研究[8]。热处理得到的贝氏体轴承在装车后未发现装配裂纹，并且长达5年的服役后，发现贝氏体轴承钢较马氏体轴承钢更加适用于在重载铁路货运车上运用。在1991年，研究者将机车轴承进行贝氏体淬火得到贝氏体轴承，在使用过程中表现出优异的性能[9]。瑞典SKF公司发明了一种表层含有下贝氏体组织的滚动轴承钢，并且SKF公司在全世界多个国家都申请了专利[10]。SKF公司选用高碳铬系列传统的轴承钢，首先进行冷变形处理以改善轴承钢的组织与性能，之后进行奥氏体化处理并进行贝氏体等温淬火处理，最终在工件的表层获得贝氏体组织。经过冷变形处理得到的轴承钢使用寿命得到明显的提高，具有广泛的应用前景。1991年日本一家企业提出可以利用高碳钢来制造轴承[11]，所使用的高碳钢化学成分如表1-2所示。热处理分为以下几个阶段：奥氏体化温度选择为750-850℃，然后进行30%的塑性变形，在350-500℃的盐浴炉中进行贝氏体等温淬火，淬火时间为20-150s，从而获得具有全贝氏体组织的轴承钢。之后国外轴承制造公司也开始将贝氏体轴承钢应用于矿山机和
燕山大学工学硕士学位论文-6-2.5GPa，硬度超过600HV，断裂韧性达到了30-40MPa·m1/2，超过了以往出现的贝氏体钢的力学性能。1.3.2纳米贝氏体钢的组织结构特征在2003年Bhadeshia[19]正式确定了新型贝氏体钢的成分体系，如表1-3所示。他们首先将高碳钢在1000℃保温15分钟，然后放入温度为200℃的盐浴炉中进行贝氏体等温淬火，等温15天生成的纳米贝氏体如图1-3所示，组织由贝氏体铁素体和分布在贝氏体板条之间的薄膜状残余奥氏体两相组成，贝氏体铁素体板条的厚度只有20-40nm。在随后的研究中Bhadeshia教授将这种复合组织命名为纳米贝氏体。表1-3新型贝氏体钢化学成分wt.%[19]成分CSiMnCrMoNiV含量0.981.591.941.330.300.020.11图1-3在200℃保温15天得到的低温贝氏体组织[19]1.3.3纳米贝氏体钢的性能特征纳米贝氏体钢是在低温等温淬火时获得的一种复合组织，在低温等温时，Fe原子扩散动力较弱导致扩散较困难，从而使得转变生成的贝氏体铁素体板条尺寸达到纳米级别[18,20]。这种纳米贝氏体组织钢的硬度达到了相同成分淬火马氏体钢的硬度水平，且具有良好的综合性能。贝氏体钢中的渗碳体与基体的交界处易产生微裂纹，并且较易形成空洞[21]，使得钢的性能降低，而较高含量的Si元素的存在会抑制碳化物的析出，减少钢中碳化物的含量，从而使得贝氏体钢具有较优异的性能。有文献报道[22]，纳米贝氏体钢的断裂韧性和抗拉强度达到了较低级别马氏体时效钢的综合
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳含量对Cr-Mo-V系模具钢连续冷却转变规律的影响[J]. 邱凌,吴红庆,张乐,吴晓春. 材料导报. 2019(S1)
[2]高性能纳米贝氏体轴承用钢发展与展望[J]. 张福成,杨志南. Engineering. 2019(02)
[3]加速贝氏体相变研究方法综述[J]. 杨志南,赵晓洁,张福成,李艳国,龙晓燕,张明. 燕山大学学报. 2018(06)
[4]Material analysis of the fatigue mechanism of rollers in tapered roller bearings[J]. GUO Wei,CAO HongRui,ZI YanYang,HE ZhengJia. Science China（Technological Sciences）. 2018(07)
[5]GCr15轴承钢相变规律及合金元素的影响[J]. 李辉,房洪杰,代永娟,纪仁龙,孙杰. 热加工工艺. 2016(20)
[6]G8SiMnMoVRE耐冲击高淬透性轴承用钢的研究[J]. 陶治安,陶惠芳,许云,郝彭,史立新,王占良,陶卫东,司徒春. 热处理技术与装备. 2015(06)
[7]Q&P工艺对60Mn2SiCr钢中超级贝氏体组织转变的影响[J]. 郭明阳,吴化,修文翠,韩英,李欣红,刘云旭. 材料热处理学报. 2015(12)
[8]热处理工艺对高碳铬轴承钢组织和性能的影响[J]. 米振莉,张小垒,李志超,李辉. 材料热处理学报. 2015(07)
[9]高碳铬轴承钢的成分设计和热处理工艺的研究进展[J]. 张国宏,张志成,吴开明. 特殊钢. 2015(03)
[10]An Investigation on Rotating Bending Fatigue Behavior of Nanostructured Low-Temperature Bainitic Steel[J]. B.R.Shendy,M.N.Yoozbashi,B.Avishan,S.Yazdani. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2014(02)
博士论文
[1]中碳Si-Mn系高强度TRIP钢高周疲劳破坏行为研究[D]. 班丽丽.昆明理工大学 2008
硕士论文
[1]G23Cr2Ni2Si1Mo纳米贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳及磨损行为研究[D]. 纪云龙.燕山大学 2018
[2]新型贝氏体轴承钢的组织与压缩、接触疲劳及磨损性能[D]. 苏丽婷.燕山大学 2016
[3]高碳轴承钢纳米贝氏体组织与性能的研究[D]. 赵敬.燕山大学 2013
本文编号：3432910
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
圆柱滚子轴承
燕山大学工学硕士学位论文-4-代初国外研究人员开始研究高碳高铬轴承钢的低温贝氏体等温工艺，通过贝氏体等温淬火获得了由薄膜状残余奥氏体、球状渗碳体和下贝氏体三相组成的无碳化物贝氏体组织，典型组织如图1-2所示。该复合组织虽然硬度较马氏体低，但是其具有较高的韧性值，韧性值可以达到回火马氏体的3倍以上[6-7]。当下贝氏体与马氏体轴承钢回火温度相同时，下贝氏体组织轴承钢表面为压应力状态，具有更高的耐磨性和疲劳寿命。图1-2GCr15钢在230℃等温5h后的下贝氏体组织形貌[6]我国对贝氏体轴承钢的研究较国外晚30余年。我国对贝氏体钢的研究首先是对RCC型铁路货车无油箱轴承等温淬火工艺的研究[8]。热处理得到的贝氏体轴承在装车后未发现装配裂纹，并且长达5年的服役后，发现贝氏体轴承钢较马氏体轴承钢更加适用于在重载铁路货运车上运用。在1991年，研究者将机车轴承进行贝氏体淬火得到贝氏体轴承，在使用过程中表现出优异的性能[9]。瑞典SKF公司发明了一种表层含有下贝氏体组织的滚动轴承钢，并且SKF公司在全世界多个国家都申请了专利[10]。SKF公司选用高碳铬系列传统的轴承钢，首先进行冷变形处理以改善轴承钢的组织与性能，之后进行奥氏体化处理并进行贝氏体等温淬火处理，最终在工件的表层获得贝氏体组织。经过冷变形处理得到的轴承钢使用寿命得到明显的提高，具有广泛的应用前景。1991年日本一家企业提出可以利用高碳钢来制造轴承[11]，所使用的高碳钢化学成分如表1-2所示。热处理分为以下几个阶段：奥氏体化温度选择为750-850℃，然后进行30%的塑性变形，在350-500℃的盐浴炉中进行贝氏体等温淬火，淬火时间为20-150s，从而获得具有全贝氏体组织的轴承钢。之后国外轴承制造公司也开始将贝氏体轴承钢应用于矿山机和
燕山大学工学硕士学位论文-6-2.5GPa，硬度超过600HV，断裂韧性达到了30-40MPa·m1/2，超过了以往出现的贝氏体钢的力学性能。1.3.2纳米贝氏体钢的组织结构特征在2003年Bhadeshia[19]正式确定了新型贝氏体钢的成分体系，如表1-3所示。他们首先将高碳钢在1000℃保温15分钟，然后放入温度为200℃的盐浴炉中进行贝氏体等温淬火，等温15天生成的纳米贝氏体如图1-3所示，组织由贝氏体铁素体和分布在贝氏体板条之间的薄膜状残余奥氏体两相组成，贝氏体铁素体板条的厚度只有20-40nm。在随后的研究中Bhadeshia教授将这种复合组织命名为纳米贝氏体。表1-3新型贝氏体钢化学成分wt.%[19]成分CSiMnCrMoNiV含量0.981.591.941.330.300.020.11图1-3在200℃保温15天得到的低温贝氏体组织[19]1.3.3纳米贝氏体钢的性能特征纳米贝氏体钢是在低温等温淬火时获得的一种复合组织，在低温等温时，Fe原子扩散动力较弱导致扩散较困难，从而使得转变生成的贝氏体铁素体板条尺寸达到纳米级别[18,20]。这种纳米贝氏体组织钢的硬度达到了相同成分淬火马氏体钢的硬度水平，且具有良好的综合性能。贝氏体钢中的渗碳体与基体的交界处易产生微裂纹，并且较易形成空洞[21]，使得钢的性能降低，而较高含量的Si元素的存在会抑制碳化物的析出，减少钢中碳化物的含量，从而使得贝氏体钢具有较优异的性能。有文献报道[22]，纳米贝氏体钢的断裂韧性和抗拉强度达到了较低级别马氏体时效钢的综合
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳含量对Cr-Mo-V系模具钢连续冷却转变规律的影响[J]. 邱凌,吴红庆,张乐,吴晓春. 材料导报. 2019(S1)
[2]高性能纳米贝氏体轴承用钢发展与展望[J]. 张福成,杨志南. Engineering. 2019(02)
[3]加速贝氏体相变研究方法综述[J]. 杨志南,赵晓洁,张福成,李艳国,龙晓燕,张明. 燕山大学学报. 2018(06)
[4]Material analysis of the fatigue mechanism of rollers in tapered roller bearings[J]. GUO Wei,CAO HongRui,ZI YanYang,HE ZhengJia. Science China（Technological Sciences）. 2018(07)
[5]GCr15轴承钢相变规律及合金元素的影响[J]. 李辉,房洪杰,代永娟,纪仁龙,孙杰. 热加工工艺. 2016(20)
[6]G8SiMnMoVRE耐冲击高淬透性轴承用钢的研究[J]. 陶治安,陶惠芳,许云,郝彭,史立新,王占良,陶卫东,司徒春. 热处理技术与装备. 2015(06)
[7]Q&P工艺对60Mn2SiCr钢中超级贝氏体组织转变的影响[J]. 郭明阳,吴化,修文翠,韩英,李欣红,刘云旭. 材料热处理学报. 2015(12)
[8]热处理工艺对高碳铬轴承钢组织和性能的影响[J]. 米振莉,张小垒,李志超,李辉. 材料热处理学报. 2015(07)
[9]高碳铬轴承钢的成分设计和热处理工艺的研究进展[J]. 张国宏,张志成,吴开明. 特殊钢. 2015(03)
[10]An Investigation on Rotating Bending Fatigue Behavior of Nanostructured Low-Temperature Bainitic Steel[J]. B.R.Shendy,M.N.Yoozbashi,B.Avishan,S.Yazdani. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2014(02)
博士论文
[1]中碳Si-Mn系高强度TRIP钢高周疲劳破坏行为研究[D]. 班丽丽.昆明理工大学 2008
硕士论文
[1]G23Cr2Ni2Si1Mo纳米贝氏体轴承钢的滚动接触疲劳及磨损行为研究[D]. 纪云龙.燕山大学 2018
[2]新型贝氏体轴承钢的组织与压缩、接触疲劳及磨损性能[D]. 苏丽婷.燕山大学 2016
[3]高碳轴承钢纳米贝氏体组织与性能的研究[D]. 赵敬.燕山大学 2013
本文编号：3432910
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3432910.html
