一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法与流程

[0001]
本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法。


背景技术：

[0002]
以高速机床主轴承、航空发动机轴承为代表的高端轴承，常在极端严苛工况下服役，对寿命和可靠性的要求极高，是我国高端装备自主研制与国产化的“卡脖子”部件。轴承通常由内、外环形基体、滚动体和保持架所组成。其中，包含着滚道的环形基体是轴承的核心构件，其组织稳定性、结构强韧性和性能一致性是决定轴承服役寿命的关键。
[0003]
轴承基体的成形制造工艺直接决定着其组织状态和服役性能，因此如何通过成形制造工艺来改善其综合性能保障轴承稳定服役是迫切需要解决的技术问题。然而，目前轴承基体的传统成形制造工艺已不能满足其高性能服役需求，传统成形制造工艺存在以下缺陷：1、因其惯常采用热锻成形，导致基体晶粒组织粗大，流线缺失，严重削弱了基体的强韧性能；2、因其一直延用马氏体淬回火工艺，所获单一的马氏体强化相致使基体强韧性配比差，而较高含量的亚稳相残余奥氏体难以保障基体组织稳定性。由此可见，传统成形制造工艺仅利用力场实现基体成形，通过热场调控基体晶粒尺寸、亚稳组织和残余应力，导致效果十分有限且难以大幅提升。此外，基体在成形制造过程中由于力场、热场不均导致的性能离散问题也无法得到有效解决。鉴于上述原因，迫切需要引入多能场实现轴承基体组织稳定性、结构强韧性和性能一致性的协同调控。


技术实现要素：

[0004]
针对上述现状，本发明提供一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法，它综合利用力场、电场、磁场、热场多能场协同作用，在传统热场基础上引入力场和电磁场对基体组织性能进行多尺度调控，从而显著提升组织稳定性、结构强韧性和性能一致性。
[0005]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]
一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法，包括以下步骤：
[0007]
s1、采用冷轧环工艺成形轴承基体；
[0008]
s2、对轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，进行电磁耦合辅助处理；
[0009]
辅助电脉冲处理过程包括：设置脉冲峰值电流其中，r和r分别为轴承基体的外径和内径，j为通过轴承基体的脉冲电流密度，j的取值为1
×
10
6
a/m
2
～2
×
10
6
a/m
2
，使脉冲电流通过轴承基体的方向平行于轴承基体的轴向，在常温下对轴承基体施加60个及以上电脉冲作用，单个电脉冲作用的时间为0.01～1s，每施加完一次电脉冲作用后间歇0.1s～1s；
[0010]
辅助磁脉冲处理过程包括：在磁饱和强度1.2～2.5t、磁场频率1.5～4hz的条件下对轴承基体进行90～120s磁脉冲处理；
[0011]
s3、对轴承基体进行复相组织调控热处理，以获得马贝复相组织；
[0012]
s4、对轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，进行电磁耦合强化处理；
[0013]
强化电脉冲处理过程包括：对轴承基体进行60～300次连续电脉冲处理，两次连续电脉冲处理间隔5～60s，单次连续电脉冲处理中，电流密度低于1
×
10
6
a/m
2
，单个电脉冲的作用时间为0.01s～1s，施加2～16个电脉冲；
[0014]
强化磁脉冲处理过程包括：在磁场感应强度0.5～3t、磁脉冲频率1～100hz的条件下对轴承基体进行60～480s磁脉冲处理。
[0015]
按上述技术方案，若轴承基体的材质为普通轴承钢，步骤s3中，所述复相组织调控热处理过程包括：先将轴承基体缓慢加热至500～700℃进行再结晶，并保温一段时间；再将轴承基体快速加热840～860℃进行奥氏体化；然后对轴承基体进行盐浴，预淬火处理温度为160～220℃，使局部低碳区形成板条马氏体；再将轴承基体加热至240～280℃并保温，进行贝氏体转变；最后将轴承基体油冷至室温。
[0016]
按上述技术方案，若轴承基体的材质为高温轴承钢，步骤s3中，所述复相组织调控热处理过程包括：先将轴承基体缓慢加热至a
cm
温度点以上30～60℃，保温30min进行低温奥氏体化；然后继续加热至a
cm
温度点以上250～350℃，保温20min进行高温奥氏体化；随后将轴承基体快速冷却至m
s
相变点以上20～80℃保温，进行贝氏体等温淬火；再将轴承基体快速冷却至m
s
相变点以下进行马氏体淬火；待轴承基体冷却至室温后浸入-196～-120℃温度范围内的液氮冷冻箱中，进行冷处理，冷处理一段时间后取出在大气环境中恢复至室温；最后将轴承基体加热至530～550℃范围内进行高温回火，保温一段时间后空冷。
[0017]
按上述技术方案，步骤s4中，所述磁脉冲的波形设置为正弦波或方波。
[0018]
本发明产生的有益效果是：本发明利用力场、电场、磁场、热场多能场全流程协同调控轴承基体组织性能，采用冷轧环方法实现轴承基体成形，为后续处理提供有利的形变组织；对冷轧轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，从而调控基体内部微观缺陷和残余应力；采用复相热处理工艺获得马贝复相组织，从而使轴承基体获得优良的强韧性匹配；对热处理后的轴承基体同时施加电脉冲和磁脉冲，从而起到强化组织性能弱区、提升性能一致性的作用。
[0019]
本发明具体原理如下：
[0020]
1)首先，本发明采用冷轧环形变预处理实现轴承基体成形，使退火态的轴承基体产生足够的位错，同时不产生组织损伤，从而为后续处理过程提供有利的高密度位错组织，起到细化晶粒组织的作用；
[0021]
2)其次，本发明采用合理的电磁脉冲工艺对形变预处理后的轴承基体进行处理，利用脉冲电场的热效应和非热效应，对轴承基体的冷轧缺陷进行靶向修复；同时，利用脉冲磁场的磁致振动作用，使轴承基体的位错分布均匀化，降低冷轧环成形后轴承基体的残余应力，减少后续加热过程中的淬火变形；此外，通过脉冲电场和磁场加速位错运动，形成均匀分布的小角度晶界，这些高密度的小角度晶界将有利于升温过程奥氏体的形核从而起到细化晶粒的效果；
[0022]
3)然后，本发明采用复相组织调控热处理工艺，在马氏体单相组织的基础上引入贝氏体，马贝复相组织能够协同配合调控轴承基体的强韧性；
[0023]
4)最后，本发明采用电磁耦合强化工艺对热处理后的轴承基体进行处理，由于轴承基体成形制造过程中形变和相变不均，不可避免的使组织和应力不均，这些组织和应力
不均将会导致轴承基体的电/磁物理性能不均，而利用电磁脉冲能量与基体内能耦合，能够使基体组织朝着电/磁性能均匀的方向发展(例如局部电阻率高的区域发生微区相变，局部应力高的区域发生微区形变等)、不稳定组织趋向于热力学稳定状态(例如局部亚稳态的残余奥氏体进一步分解)，实现轴承基体的微区组织调控以及整体应力均化，从而实现轴承基体的性能靶向强化，最终显著提升组织稳定性、结构强韧性和性能一致性。
附图说明
[0024]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0025]
图1是本发明实施例中电场耦合处理发生器的原理图。
具体实施方式
[0026]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
本发明实施例提供一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法，包括以下步骤：
[0028]
s1、采用冷轧环工艺成形轴承基体；
[0029]
s2、对轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，进行电磁耦合辅助处理；
[0030]
辅助电脉冲处理过程包括：设置脉冲峰值电流其中，r和r分别为轴承基体的外径和内径，j为通过轴承基体的脉冲电流密度，j的取值为1
×
10
6
a/m
2
～2
×
10
6
a/m
2
，使脉冲电流通过轴承基体的方向平行于轴承基体的轴向，在常温下对轴承基体施加60个及以上电脉冲作用，单个电脉冲作用的时间为0.01～1s，每施加完一次电脉冲作用后间歇0.1s～1s；
[0031]
辅助磁脉冲处理过程包括：利用变频调压电源产生交流励磁电流，通过磁脉冲发生器中由励磁线圈绕组和铁芯构成的磁化器产生低频交变磁场，在磁饱和强度1.2～2.5t、磁场频率1.5～4hz的条件下对轴承基体进行90～120s磁脉冲处理；
[0032]
s3、对轴承基体进行复相组织调控热处理，以获得马贝复相组织；
[0033]
s4、对轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，进行电磁耦合强化处理，从而起到强化组织性能弱区、提升性能一致性的作用；
[0034]
强化电脉冲处理过程包括：采用小电流对轴承基体进行60～300次连续电脉冲处理，两次连续电脉冲处理间隔5～60s，单次连续电脉冲处理中，电流密度低于1
×
10
6
a/m
2
，单个电脉冲的作用时间为0.01s～1s，施加2～16个电脉冲；
[0035]
强化磁脉冲处理过程包括：在磁场感应强度0.5～3t、磁脉冲频率1～100hz的条件下对轴承基体进行60～480s磁脉冲处理。
[0036]
步骤s1中，冷轧环工艺可以采用现有技术，冷轧环形变预处理过程包括：首先根据轴承基体套圈尺寸和轧制比设计冷轧环坯尺寸，采用常规热锻制坯方法制得冷轧环坯；然后根据轴承基体套圈尺寸、冷轧环坯尺寸和冷轧变形条件设计加工冷轧孔型；最后利用冷
轧孔型和冷轧设备，按高速轧制、中速轧制、低速轧制三个阶段，在冷轧变形量20％～40％、进给速度0.5mm/s～1mm/s条件范围内，对轴承基体套圈控制冷轧成形。
[0037]
步骤s2中，电磁耦合辅助处理可采用如图1所示的电场耦合处理发生器进行，可以对冷轧轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，分别调控内部微观缺陷和残余应力。如图1所示，电场耦合处理发生器包括电脉冲发生器和磁脉冲发生器，将轴承基体夹持在电脉冲发生器的电极之间，同时置于磁脉冲发生器的磁场中，可以对置于磁场中的轴承基体同步通脉冲电流。待轴承基体冷却至室温，取出轴承基体即完成其内部微观缺陷的修复，得到高组织稳定性、低内应力的轴承基体。
[0038]
在本发明的优选实施例中，若轴承基体的材质为普通轴承钢，步骤s3中，复相组织调控热处理过程包括：先将轴承基体缓慢加热至500～700℃进行再结晶，并保温一段时间；再将轴承基体快速加热840～860℃进行奥氏体化；然后对轴承基体进行盐浴，预淬火处理温度为160～220℃，使局部低碳区形成板条马氏体；再将轴承基体加热至240～280℃并保温，进行贝氏体转变；最后将轴承基体油冷至室温。
[0039]
在本发明的优选实施例中，若轴承基体的材质为高温轴承钢，步骤s3中，复相组织调控热处理过程包括：先将轴承基体缓慢加热至a
cm
温度点以上30～60℃，保温30min进行低温奥氏体化；然后继续加热至a
cm
温度点以上250～350℃，保温20min进行高温奥氏体化；随后将轴承基体快速冷却至m
s
相变点以上20～80℃保温，进行贝氏体等温淬火；再将轴承基体快速冷却至m
s
相变点以下进行马氏体淬火；待轴承基体冷却至室温后浸入-196～-120℃温度范围内的液氮冷冻箱中，进行冷处理，冷处理一段时间后取出在大气环境中恢复至室温；最后将轴承基体加热至530～550℃范围内进行高温回火，保温一段时间后空冷。
[0040]
本发明针对不同类型的轴承钢，复相组织调控热处理工艺的参数和流程规划进行相应的调整，可以确保获得马贝复相组织。
[0041]
在本发明的优选实施例中，步骤s4中，磁脉冲的波形设置为正弦波或方波，并保持整个轴承基体所在磁场磁感应强度相同，无局部方向偏转。
[0042]
以下列举2个具体应用实施例对本发明进行进一步说明。
[0043]
实施例1
[0044]
本发明实施例1以gcr15材料某型号轴承基体为例，提供一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法，具体包括以下步骤：
[0045]
s1、冷轧环形变预处理：采用冷轧环方法实现轴承基体成形(冷轧环方法可采用中国专利cn103316926a公布的一种l型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法)，在平均进给速度为1mm/s的轧制条件下，基体环坯的外径由35mm轧扩至48.5mm，对轴承环坯进行室温形变预处理，过程中同时实现滚道的精准近净成形；
[0046]
s2、电磁耦合辅助处理：对冷轧轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲分别调控内部微观缺陷和残余应力，脉冲电处理工艺可采用中国专利cn108950175 a公布的一种冷轧轴承套圈微观缺陷修复的脉冲电流处理方法，通过轴承基体的脉冲电流设置为1.2
×
10
6
a/m
2
，单个电脉冲作用的时间为0.02s，每施加完一次电脉冲作用后间歇1s，总共施加120个电脉冲作用；同步施加的脉冲磁处理工艺可采用cn201410145023.1公布的轴承组件加工残余应力控制磁处理方法，在磁饱和强度2.0t、磁场频率4hz、磁处理总时间为240s的条件下，对冷轧轴承基体进行脉冲磁处理；
[0047]
s3、复相组织调控热处理：复相热处理工艺可采用中国专利cn108060291a公布的一种提高冷环轧轴承套圈强韧性并改善淬火变形的制造方法，首先将冷轧轴承基体加热至840℃，保温20分钟，随后在200℃进行马氏体预淬火，保温5分钟，生成部分马氏体；然后在240℃保温30min进行贝氏体转变，冷却至室温后，最终轴承套圈中形成马氏体-贝氏体复相组织；
[0048]
s4、电磁耦合强化处理：对热处理后的轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，设置单个电脉冲的作用时间t在0.02s范围内，采用小电流对轴承套圈进行电脉冲处理，设置电流密度为5
×
10
5
a/m
2
，待连续输入电脉冲结束后，间隙5s后继续对轴承套圈连续输入电脉冲，重复上述步骤120次；同步对轴承基体进行磁脉冲处理，磁脉冲频率为50hz，磁场感应强度为1.5t，处理时间为120s，磁脉冲的波形设置为正弦波，并保持整个轴承基体所在磁场磁感应强度相同，无局部方向偏转。
[0049]
对按本实施例1方法和传统成形制造方法获得的轴承基体机械性能和尺寸变化率结果进行比较，具体对比结果如表1所示：
[0050]
表1
[0051][0052]
从表1可看出：相比传统成形制造工艺，本发明实施例1所获得的gcr15材料轴承基体的抗拉强度和冲击韧性都得到了显著提升，且均方差明显下降，从而证明了本发明方法能够显著提升轴承基体的结构强韧性和性能一致性，同时尺寸变化率下降证实了本发明方法能够有效改善轴承基体的组织稳定性。
[0053]
实施例2
[0054]
本发明实施例2以m50材料某型号轴承基体为例，提供一种高性能轴承基体多能场协同成形制造方法，具体包括以下步骤：
[0055]
s1、冷轧环形变预处理：采用冷轧环方法实现轴承基体成形，在平均进给速度为0.5mm/s的轧制条件下，基体环坯的外径由100mm轧扩至123.7mm，对轴承环坯进行室温形变预处理，过程中同时实现滚道的精准近净成形；
[0056]
s2、电磁耦合辅助处理：对冷轧轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲分别调控内部微观缺陷和残余应力，脉冲电处理工艺中，通过轴承基体的脉冲电流设置为1.6
×
10
6
a/m
2
，单个电脉冲作用的时间为0.02s，每施加完一次电脉冲作用后间歇2s，总共施加240个电脉冲作用；同步施加的脉冲磁处理工艺中，在磁饱和强度2.5t、磁场频率4hz、磁处理总时间为480s的条件下，对冷轧轴承基体进行脉冲磁处理；
[0057]
s3、复相组织调控热处理：首先将轴承基体缓慢加热至850℃保温30min，继续加热至1090℃保温20min进行奥氏体化；待奥氏体化结束后，在235℃盐浴炉中进行贝氏体等温淬火，保温1h；随后将轴承基体快速油冷至室温进行马氏体淬火，清洗轴承基体后在液氮环境下冷处理1h；最后将淬火后的轴承基体缓慢加热至530℃进行高温回火，保温2h后空冷；
[0058]
s4、电磁耦合强化处理：对热处理后的轴承基体同步施加电脉冲和磁脉冲，设置单个电脉冲的作用时间t在0.02s范围内，采用小电流对轴承套圈进行电脉冲处理，设置电流密度为1
×
10
6
a/m
2
。待连续输入电脉冲结束后，间隙8s后继续对轴承套圈连续输入电脉冲，重复上述步骤120次；同步对轴承基体进行磁脉冲处理，磁脉冲频率为50hz，磁场感应强度为2.0t，处理时间为240s，磁脉冲的波形设置为正弦波，并保持整个轴承基体所在磁场磁感应强度相同，无局部方向偏转。
[0059]
对按本实施例2方法和传统成形制造方法获得的轴承基体机械性能和尺寸变化率结果进行比较，具体对比结果如表2所示：
[0060]
表2
[0061][0062]
从表2可看出：相比传统成形制造工艺，本发明实施例2所获得的m50材料轴承基体的抗拉强度和冲击韧性也都得到了显著提升，且均方差明显下降，从而证明了本发明方法能够显著提升轴承基体的结构强韧性和性能一致性，同时更低的尺寸变化率证实了本发明方法能够有效改善轴承基体的组织稳定性。
[0063]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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