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摘 要

轴承套圈是决定轴承性能和寿命的核心组件，碳化物的组织状态对轴承套圈的综合机械性能有着重要影响，它与预处理工艺密切关联，退火态的碳化物部分会在淬回火后残留下来，从而影响淬回火后的组织状态。通过有效的预热处理可以使GCr15钢组织中碳化物细小、均匀、圆整，获得良好的淬火组织，避免碳化物的危害，提高轴承的使用寿命。GCr15轴承套圈传统通过球化退火预处理调控碳化物尺寸，其时间长、能耗高、碳化物粗大不均，直接影响轴承的抗疲劳性能，缩短轴承寿命。因此，通过更好的工艺获得超细的球状碳化物组织是提高轴承钢疲劳寿命的关键。本文借助金相和SEM显微表征，对热轧—高温回火工艺中不同终冷温度下碳化物组织演变规律进行分析，对不同热轧—预处理工艺中组织形态演变规律进行研究和分析，并对两种球化工艺进行了比较。研究结果表明：采用高温回火工艺的碳化物平均直径比采用传统球化退火的碳化物平均直径要减少30%，而且采用高温回火工艺的大颗粒碳化物数量明显减少，分布也更加均匀；对比分析不同热轧后水冷的终冷温度对高温回火后碳化物的影响，可以发现回火态组织中碳化物在终冷温度300℃~400℃时，碳化物随着温度上升平均直径减小；终冷温度400~700℃时，随着温度上升平均直径增大，均匀性提高。在300℃~500℃时，回火态组织显微硬度会随着终冷温度上升而变高；热轧后终冷温度在500℃~700℃时，回火态组织显微硬度会随着终冷温度上升而减小。所得结果对于GCr15轴承生产高效优质化具有重要的指导意义。

关键词：GCr15轴承钢；碳化物细化；预处理工艺；热轧；高温回火

Abstract

Bearing is a key basic component in mechanical equipment, but the quality, performance and green level of bearing steel in China are not high. The bearing ring is the core component that determines the performance and life of the bearing. The structure of the carbide has an important impact on the comprehensive mechanical properties of the bearing ring. It is closely related to the pretreatment process. The size and nature of the annealed carbide directly determine the final The state of carbide after quenching and tempering. Through effective pre-heat treatment, the carbides in the GCr15 steel structure can be fine, uniform and round, and a good quenched structure can be obtained to avoid the harm of carbides and improve the service life of the bearing. GCr15 bearing rings traditionally adjust the size of carbides by spheroidizing annealing pretreatment. Their long time, high energy consumption and uneven coarse carbides directly affect the anti-fatigue performance of bearings and shorten bearing life. Therefore, obtaining a superfine spherical carbide structure through a better process is the key to improving the fatigue life of bearing steel.

With the help of metallography and SEM micro-characterization, this paper analyzes the evolution of carbide structure at different final cooling temperatures in the hot rolling-high temperature tempering process, and studies and analyzes the evolution of the structure morphology in different hot rolling-pretreatment processes. The two spheroidization processes are compared, and the results obtained have important guiding significance for the efficient and high-quality production of GCr15 bearings. The research results show that the average diameter of carbides using high-temperature tempering process is 30% smaller than that of conventional spheroidizing annealing, and the large-sized carbides using high-temperature tempering process are significantly reduced and the distribution is more uniform; After high temperature tempering at different final cooling temperatures, the diameter of carbides in the tempered structure at the final cooling temperature is 700~400℃, the diameter decreases as the temperature decreases, and the uniformity increases; at 400℃~300℃The diameter of the object increases. When the final cooling temperature after hot rolling is 700℃~500℃, the microhardness of the tempered structure will increase with the decrease of the final cooling temperature; when it is 500℃~300℃, the microhardness of the tempered structure will follow the final cooling temperature drops.

Key Words：GCr15 bearing steel; Carbide refinement; Pretreatment process; Hot rolled; High temperature tempering

目 录

第一章 绪论 1

1.1 高端精密轴承概述 1

1.2 课题研究的背景、目的和意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 主要研究内容、预期目标 4

1.5 本章小结 4

第二章 实验测试研究方案 5

2.1 实验条件 5

2.1.1 实验材料 5

2.1.2 轧制工艺设备和参数 6

2.2 轴承套圈预备热处理试验 6

2.3 轴承环微观组织结构表征 7

2.3.1 试验试样准备 8

2.3.2 扫描电子显微镜观测 8

2.4 预处理后显微硬度测试 9

2.5 本章小结 9

第三章 GCr15轴承钢热轧—高温回火控冷工艺研究 10

3.1 不同终冷温度下热轧态微观组织的演变规律 10

3.2 不同终冷温度冷却后高温回火态碳化物组织的演变规律 13

3.3 不同终冷温度冷却后高温回火态显微硬度的变化规律 15

3.4本章小结 15

第四章 GCr15轴承钢球化工艺分析 16

4.1 不同终冷温度下两种球化工艺碳化物组织对比分析 16

4.2 试验结果与分析 18

4.2.1 不同球化工艺对碳化物组织状态的影响 18

4.2.2 不同球化工艺对GCr15轴承钢维氏显微硬度的影响 19

4.3 本章小结 20

第五章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1高端精密轴承概述

轴承是重要的机械基础零件，其具有紧凑的结构，普适性和标准化水平高，应用领域范围广。在具有战略意义的航空方面中，航空发动机最重要的部件之一就是航空轴承，其在高温在工作不仅受到的载荷大、受力状况复杂，还需要保持高速的工作状况。提高航空发动机的推力和燃烧效率的方法之一就是提高转子转速，从而对发动机轴承的转速能力、耐高温能力和润滑性能有更高的要求^[1,2]。我国的轴承业从上世纪50年代起，经过了多年的发展，在中低端的轴承产业方面已经发展比较完备，但在高级轴承领域与国外先进国家相比差距仍然明显，无法满足我国重要战略装备发展的要求。我国航空轴承的寿命是计算寿命的3倍至5倍，涡轮发动机的主轴轴承寿命只有500至1500小时左右，最大耐温没有超过200℃。而西方发达国家航空轴承的寿命是计算寿命的8倍以上，涡轮发动机主轴轴承寿命可达到3000至6000小时，最大耐温达到了350℃^[3,4]。正是因为我国在高端轴承的研制领域中水平不高，导致国内的航空轴承、高速铁路火车轴承等高端轴承必须依赖进口，因此我国必须要提高在高端轴承领域方面的技术水平^[5,6]。我国高端轴承产业发展不够好，原因除了加工设备受国外限制，还有我国的轴承制造的工艺也不够完善，因此我们仍然需要研究和提高轴承的制造工艺。

GCr15作为高碳低合金钢是轴承的重要材料之一，轴承套圈在工作时的硬度要求是在HRC58以上，则淬回火态的钢中C含量需要在1%以上；为增加淬火时钢的淬透性，在钢中加入了Cr元素，Cr作为碳化物形成元素可以大幅改善碳化物分布，使碳化物得到细化，抑制含铬渗碳体碳化物在退火时发生聚集，并提高马氏体的回火稳定性。因此，轴承钢中也必须要含1.5%左右的Cr元素^[7]。随着我国高端工业领域的发展，对轴承的性能有了更高的要求，高端轴承需要耐受高的、能进行高速回转、回转性能好、具有互换性、能够长期使用，那么相应地，轴承材料应具备高硬度、高耐磨性、高纯洁度和均匀性、高疲劳强度^[7]。Cr元素在GCr15钢生产时需求并不高，而且其价格便宜，能提高钢材的耐磨性和接触疲劳强度。此外，少量的Mo元素也存在于GCr15钢种，一般其含量为0.1%~0.4%，能提高轴承钢的在淬火时的淬透性，并提高在回火时的稳定性。因此GCr15轴承钢材可以满足轴承在严苛服役状况下的正常工作。

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