（材料加工工程专业论文）冷辗扩环件热处理组织性能的实验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环件冷辗扩是在室温下进行的连续局部塑性回转成形工艺，冷辗扩生产的 环件实现了少、无切削加工，保存了金属内部的流线组织，提高了环件的机械 性能。冷辗扩技术比传统工艺生产的轴承套圈平均寿命要长，而且生产效率比 传统工艺高。对轴承钢冷轧和热处理组织的研究主要集中在冷轧过程碳化物形 态的变化和淬回火组织性能的提高上。本文在前人的研究基础上，从冷辗扩变 形量入手，对经过球化处理的环件进行了冷辗扩、再结晶和淬回火微观组织和 性能方面的研究，较全面的反映了冷辗扩加工工艺对环件组织和机械性能的影 响。该研究对改善环件的稳定性，进一步提高环件使用寿命和综合机械性能具 有比较重要的实际意义。 本文研究了环件冷辗扩变形后的微观组织和性能，观察了不同变形量下， 冷辗扩环件的微观组织，对变形过程中组织变化的特点进行了分析；测定了不 同变形量下，环件组织的显微硬度值，对显微硬度的变化趋势和分布规律进行 了讨论。研究表明较大变形量的环件组织中碳化物更细小、均匀，硬度分布均 匀性也更好。 在不同温度和时间下对环件进行再结晶退火实验，通过显微硬度曲线的变 化对再结晶的完成情况进行了分析，探讨了轴承钢中第二相碳化物对再结晶微 观机理的影响。研究表明第二相细化过程阻碍了再结晶过程使再结晶温度提高； 小变形量环件可以通过低于再结晶温度长时间保温完成再结晶。 在不同温度和时间下对环件进行淬回火实验，对淬回火过程中微观组织的 变化进行了详细分析；研究了不同变形量环件淬回火显微硬度的特点，并结合 微观组织的特点对综合力学性能的变化进行了较全面的讨论。研究表明不同变 形量环件淬火后的硬度，主要受淬火组织中马氏体体积分数的影响；增大变形 量可以提高组织中合金碳化物溶解的均匀性和环件的韧性，同时减小淬火显微 裂纹产生和扩展的几率；回火过程环件综合机械性能明显提高。 关键词：环件冷辗扩，变形量，显微硬度，碳化物，再结晶 a b s t r a c t c o l dr i n gr o l l i n gi sak i n do fc o n t i n u a ll o c a lp l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yu n d e r r o o mt e m p e r a t u r e t h ec o l dr i n gr o l l i n gr e a l i z e dn e tp r o d u c e r i n g ，w h i c hk e e p st h e m e t a ls t r e a m l i n ei nt h er i n gb o d ya n di n c r e a s e st h e r i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t y c o m p e r e dw i t ho t h e rp r o d u c i n gc r a f t ，c o l dr o l l i n gc r a f tg r e a t l ye x t e n d st h el i f eo f b e a r i n gr i n ga n di sm o r ee f f i c i e n tt h a nt r a d i t i o n a lc r a f t t h er e s e a r c ho fc o l dr o l l i n ga n dh e a tt r e a t m e n to f b e a r i n gs t e e lw a sm a i n l vo n t h es h a p eo fc a r b i d e sa n di m p r o v e m e n to fm e c h a n i c a lp r o p e r t ya f t e rq u e n c h i n g a n d t e m p e r i n g b a s e d o nt h er e s e a r c ho fo t h e rp e o p l e ，r e s e a r c ho fm i c r o s t u c t u r ea n d p r o p e r t yo fc o l dr o l l i n g 、r e c r y s t a l l i z a t i o n 、q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gw a sc a r r i e do u t o ns p h e r o i d i z e dr i n gb yc h a n g i n gd e f o r m a t i o na m o u n t t h ee f f e c t so fc o l dr 0 1 l i l l g c r a f to ns t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yw e r er e f l e c t e do v e r a l l 1 1 1 i sr e s e a r c hh a s g r e a tp r a c t i c a lv a l u eo ni m p o v e m e n to fr i n g ss t a b i l i t y 、d u r a b i l i t ya n dc o m b i n a t i o n m e c h a n i c a lp r o p e r t y m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo f r i n gc o l dr o l l i n gw a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h ec h a r a c t e ro f r i n g s m i c r o s t u c t u r ei nd i f f e r e n td e f o n n a t i o n 锄o u n tw a s o b e r s e v e da n dd i s c u s s e d t h em i c r o h a r d n e s so f r i n g si nd i f f e r e n td e f o r m a t i o nw 嬲 m e a s u r e d t h er u l e so fc h a n g ea n dd i s t r i b u t i o no f m i c r o h a r d n e s sw e r ed i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ea r es m a l l e ra n dm o r e w e l l p r o p o r t i o n e dc a r b i d e si ns t r u c t u r e o fr i n gw i t hm o r ed e f o r m a t i o na m o u n t ，a n di nw h i c hd i s t r i b u t i o no fm i c r o h a “1 1 1 e s si s m o r ee v e n t h e nr e c r y s t a l l i z a t i o n a n n e a l i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti nd i 任e r e n t t e m p e r a t u r e a n d t i m e ，f i n i s ho fr e c r y s t a l l i z a t i o nc o u l db e a n a l y z e db yt h e m i c r o h a r d n e s sc u r v e t h ei n f l u e n c eo fs e c o n dp h a s ec a r b i d e so nr e c r y s t a l l i z a t i o nw 嬲 m a i n l yd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h es e c o n dp h a s eh i n d e r e dt h ep r o c e s so f r e c r y s t a l l i z a t i o na n di m p r o v e dt e m p e r a t u r eo fr e c r y s t a l l i z a t i o n ；t h er e c r y s t a l l i z a t i o n o ff i n gw i t hs m a l ld e f o r m a t i o na m o u n tc o u l db ef i n i s h e di nr e l a t i v el o w t e m p e r a t u r e a n d l o n gt i m e q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n ge x p e r i m e n t sw e r ed o n ei nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n d 武汉理工大学硕士学位论文 t i m e t h e q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n gm i c r o s t r u c t u r e o fr i n g sw e r ea n a l y z e di n d e t a i l t h ec h a r a c t e ro f r i n g s q u e n c h i n g s t r u c t u r e w a s a n a l y z e dt h r o u g h m i c r o h a r d n e s sc a lv e ，a n dc o m b i n a t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sd i s c u s s e db a s e do n c h a r a c t e ro fq u e n c h i n gs t r u c t u r e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tm i c r o h a r d n e s so ff i n gw i t h d i f f e r e n td e f o r m a t i o na m o u n tw a sm a i n l yi n f l u n e n c e db yp r o p o r t i o no fm a r t e n s i t ei n s t r u c t u r e h o m o g e n e i t yo fa l l o yc a r b i d er e s o l v e d ，t h o u g h n e s so fb e a r i n gr i n gc o u l d b ei m p r o v e da n dg e n e r a t i o no re x t e n s i o no fm i c r o c r a c k sc o u l db ec o n t r o l l e db y i n c r e a s i n g d e f o r m a t i o na m o u n t c o m b i n a t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o u l db e i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yd u r i n gt h ep r o c e s so ft e m p e r i n g k e yw o r d s ：r i n gc o l dr o l l i n g ，d e f o r m a t i o na m o u n t ，m i c r o h a r d n e s s ，c a r b i d e r e c r y s t a l l i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武 汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：墨垒堑丝日期釜竺壅堑当月 关才论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 研究生签名： 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章绪论 轴承是重要的基础机械零件【1 i ，其应用范围之厂遍布汽车、船舶、化工设 备、航空发动机、军事设备等各个领域。其质量直接决定了机械设备可靠性和 精度。随着现代化建设的发展、工业技术水平的进步，轴承零件工作环境越来 越恶劣，对其性能要求也越来越高。不断提高轴承钢冶炼质量、改进热处理工 艺是改善轴承零件质量的重要手段。冷辗扩加工工艺是应对这一需求发展起来 的，提高轴承环件质量年n ) j n i 效率的先进技术之一。 11 冷轧微观组织和冷辗扩技术 1 1 1 过共析钢冷轧组织研究现状 g c r l 5 轴承钢属于过共折钢，因此通过了解标准的过共析钢冷轧组织的演 变规律是十分有用的。退火态的过共折钢，晶粒为等轴状态，经过冷轧冷拔后， 晶粒延轧制和拉拔方向伸长。当变形量很大时，晶界可变得模糊不清。当组织 中含有可变形的夹杂物或第二相，如m n o 、f e o 等，它们可随晶粒一起沿着受 力方向延伸。而另一种夹杂物如f e c 3 、a 1 2 0 3 等，不能随晶粒一起变形，晶粒伸 长时，这些夹杂物呈带状分布或在更大的变形量下发生断裂，如图1 - 1 所示b l 。 ( a ) 弯曲的珠光体片层( b ) 断裂的珠光体片层 图1 - 1 过共析钢冷轧变形组织 武汉理工大学硕士学位论文 s t a g a h i r a 等人【3 】的研究把冷轧过程中过共析钢产生以下几种不均匀变 形分为3 种：( 1 ) 珠光体片层与轧向成较大角度的珠光体团在轧制过程中发生 弯曲变形；( 2 ) 珠光体片层与轧向成较小角度( 特别是片层平行于轧向的珠光体 团) 的珠光体团，在轧制过程中发生显著细化并平行于轧向；( 3 ) 对于珠光体片 层与轧向夹角介于前两种情况之间时，很可能通过各珠光体团之间的协调变形 转化为第二种情况，无法协调时也会发生局部剪切变形形成剪切带。 孙淑华，熊毅，傅万堂等人【4 】认为按渗碳体形态特点，变形珠光体组织可 分为以下3 种类型：( 1 ) 不规则弯曲片层型，即变形后的渗碳体与轧制面呈大 角度偏离且不规则弯曲的珠光体。( 2 ) 带有剪切带的粗大片层型，即被渗碳体 剪切带分开且变形轻微的珠光体。( 3 ) 精细片层型，即与轧制方向平行排列、 片间距细小且渗碳体严重变形的珠光体，精细片层区域的比例随着轧制压下率 的提高而增大。此外，重度冷轧变形还引起渗碳体严重塑性变形和部分溶解。 冯志明等人【5 】研究了冷轧变形并结合退火处理对共析钢组织球化超细化与 性能的影响。结果表明：共析钢经冷轧形变量9 0 结合6 0 0 - - 7 0 0 退火得了晶 粒尺寸为亚微米级铁素体晶粒和颗粒状渗碳体的双相组织，颗粒状渗碳体的尺 寸旱双峰分布。原因是在冷变形过程中产生了高密度位错以及大量空位等缺陷， 为碳原子的扩散提供了高速率扩散通道，促进了碳原子的扩散。细小渗碳体粒 子在铁索体基体上的弥散分布可以用溶解一再析出机制来解释。 张熹，工春旭等人【2 】用s e m 、t e m 研究了不同冷轧变形量( 变形量0 - - 8 1 6 ) 的过共析钢的组织演变规律，研究表明：由于珠光体片层与轧向的位向不同， 冷轧变形过程中会使各珠光体团产生不均匀变形，出现片层的弯曲、断裂、剪 切、显著细化等变形方式；随着冷轧变形量的增加，组织会经历均匀一不均匀 一均匀的变化过程。变形初期以珠光体团协调变形和弯曲变形为主，随着变形 量增大弯曲变形减少，剪切变形增多，变形量达到较高水平时剪切带减少，几 乎所有珠光体片层都平行于轧面；冷轧变形会导致过共析珠光体钢中渗碳体的 碎化，但渗碳体不溶解到铁素体中。 刘禹f - j r 6 j x , j - 塑性变形的微观机理进行了深入探讨，通过t e m 研究了位错 随变形量的改变而发生的一系列变化，结合共析钢中铁素体和渗碳体的特点分 析了位错的运动规律、加工硬化的产生机理和碳化物断裂过程。结论认为在渗 碳体界面上发生增殖的位错在向前运动过程中发生交互作用形成位错缠结，随 着变形量的的增加，聚集在渗碳体界面的位错密度越来越高，巨大的应力集中 2 武汉理工大学硕士学位论文 最终导致渗碳体的断裂。 1 1 2 冷辗扩加工技术 1 1 2 1 环件冷辗扩原理 环件辗扩是借助于辗环机使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形 的塑性加工工艺【7 l 。而环件冷辗扩则是指在常温下对坯料进行辗扩，其实质是金 属墩粗与延伸变形，其辗扩原理如图1 - 2 所示【7 】。 冷辗扩的实现主要是使环形工件通过主动辊和芯辊形成的间隙，在主动辊 的压力作用下使环件作旋转运动而产生塑性变形，实现辗扩成型，右边的导向 辊在辗扩过程中对工件起导向作用以保证轧制的顺利进行，为了确保工件的轧 制精度，一般还要设置信号辊。冷辗扩按主动辊与芯辊形成间隙的形状大致可 以分为开式和闭式两种。开式冷辗扩较简单，主动辊与芯辊都是简单的圆柱体， 工件可沿两端开放间隙进行轴向扩展。闭式冷辗扩主动辊设有凹槽，与芯辊形 成的间隙是两端闭合的，工件辗扩过程嵌入凹槽使金属轴向变形受到约束。 il 图1 2 环件冷辗扩基本原理图 1 驱动辊2 环件3 导向辊4 芯辊5 信号辊 1 1 2 2 环件冷辗扩加工质量 冷辗扩的优点包括：节约原材料，减少加工余量和切削加工量；节约加工 成本，减少加工工序和提高材料加工质量等。作为一种新工艺，冷辗扩可以在 以下4 个方面提高环件的质量： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 经过冷辗扩加工，使工件金属材料内部的晶粒按工件表面形状延伸( 图 1 3 a 所示) 【8 】，而不象车削沟道那样被切断( 图1 - 3 b ) ，同时也提高了材料的密 度，使零件表面耐磨性和使用寿命大大提高。据相德国巴德杜本( b a dd u b e n ) 公司介绍，冷辗扩加工的套圈寿命至少提高5 0 ，一般达车削加工工件的4 - 1 0 倍【10 1 。 ( )b 图1 3 车削加工与冷辗扩加工的对比 ( 2 ) 由于在辗扩过程中实现了自动化，使得零件的形状精度和尺寸精度大 大提高，从而减少了零件的废品率。传统工艺的废品率在2 0 - 3 0 之间，而冷 辗扩加工的废品率只有2 左右【9 1 。这一优点在异形截面环件辗扩中表现尤为突 出。轴承套圈冷辗扩和车加工的精度对比如表1 - 1 所剥1 0 】： 表1 1 冷辗扩和车加工轴承套圈主要精度指标对比 粗糙度直径沟曲率沟道圆度 内外径 加工方法 r a ( g m ) 变动量半径公差( 岬) 公差 车削 1 6o 0 6o 0 32 5 o 0 8 冷辗扩o 5o 0 20 0 0 3 4 50 0 5 ( 3 ) 提高了零件的表面光洁度，一般无需后续磨削加工。传统工艺的环件 表面粗糙度为3 2 1 t m ，而冷辗扩加工的环件表面粗糙度为o 8 1 , t m 。 ( 4 ) 可以提高零件的硬度，传统工艺加工的环件硬度为1 7 9 - - - 2 0 7 h b ，而冷 辗扩加工的环件硬度为2 5 0 - - - 2 8 0 h b 1 1 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 轴承环件的热处理 1 2 1 再结晶退火研究状况 冷变形后的金属加热到更高温度后，在原来的变形组织中重新产生了无畸 变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这一过程 称作再结晶f l2 1 ，对应的工艺称为再结晶退火。再结晶是一种形核和长大过程， 即通过新的可移动的大角度晶界的形成及随后的移动，从而形成无应变的新晶 粒组织的过程。在工业生产中，再结晶退火工艺就是利用再结晶现象来消除冷 加工变形对金属材料组织与性能的影响。再结晶后的晶粒尺寸对材料性能有着 直接的影响，因此再结晶退火是工业上控制和改变金属材料组织、结构和性能 的重要手段。 由于轴承钢中碳化物的干扰，观察组织中的晶粒并不容易，对其再结晶的 研究还较少，主要研究现状如下： 刘景荣等人【13 】利用f o r m a s t o r - p r e s s 热模拟机对g c r l 5 钢高速热变形及其再 结晶过程进行了研究，结果表明：在高速变形条件下，随着变形速率的增加， 形变孪晶数量逐渐增加，同时，形变速率的增加促进了再结晶过程的进行，改 善了再结晶组织的均匀性。 刘靖，韩静涛等人【1 4 】通过实验测得了g c r l 5 轴承钢的再结晶全图，分析认 为在变形温度一定时，随变形量的增加，奥氏体再结晶百分数增加；在变形量 一定时，随变形温度的提高，奥氏体再结晶百分数增加；在其他条件一定时， 随变形温度的提高，奥氏体再结晶的临界变形量降低。 田素贵，于宏等人f l5 】通过试验研究发现：( 1 ) 冷变形钢发生再结晶时，钢 中渗碳体对再结晶及晶粒长大过程有阻碍作用。随碳含量的提高，钢中的渗碳 体数量增多，阻碍晶粒长大的作用增强，使钢的再结晶温度升高。( 2 ) 在含碳量 相同的条件下，加入铬或钼可使钢的再结晶温度升高。与粒状渗碳体相比，层 片状渗碳体对再结晶及晶粒长大有更大的阻碍作用，因此，层片状渗碳体钢具 有较慢的再结晶速率和较高的再结晶温度。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 轴承环件最终热处理 轴承钢的最终热处理包括淬火和回火，淬火的目的是获得以马氏体或贝氏 体为主的不平衡组织，然后根据工件对力学性能的要求，在适当的温度下回火， 获得不平衡程度较低的组织。淬火和回火的配合可使工件具有良好的使用性能。 例如：刀具、冷冲压模具、量具、滚动轴承零件及其他对耐磨性要求较高的零 件，淬火并在较低的温度下回火，可以达到硬度和耐磨性高，使用寿命长的要 求。 1 2 2 1 轴承钢淬火研究状况 轴承钢的淬火组织和工艺的研究主要集中在改善淬火组织的均匀性和钢 的强韧性方面。 闰光成，十健熠【l6 】试验研究了高淬透性轴承钢g c r l5 s i m o 贝氏体( b ) 等温 淬火的组织与性能，结果表明：该钢的全b 的冲击韧度及接触疲劳寿命优于b m 复合组织的性能。 陈跃勤，唐英【1 7 】研究了g c r l 5 钢经过淬火回火、渗硼、渗钒等不同热处理 下艺后的磨损特性，结合表面磨损形貌，探讨了磨损机理。认为磨损过程基本 上是氧化磨损加磨粒磨损。 山云峰，吴敬东，李迎春【18 】借助金相显微镜和图像分析仪研究了g c r l 5 钢 热处理工艺及原始组织对最终淬火、回火组织均匀性的影响。结果表明，g c r l 5 淬火组织均匀性与本身球化组织溶解能力、奥氏体晶粒内微区成份不均匀有关。 细片状对组织均匀性有所改善。加热温度升高、保温时间或回火时间延长，均 有利于提高淬火组织的均匀性和轴承钢的使用寿命。 张庆安，吴慧英，谷南驹【1 9 】利用透射电镜，对g c r l 5 钢中马氏体形态进行 了研究。结果发现：过冷奥氏体等温转变过程中，首先形成沿晶界生长的板条 马氏体以及由晶界向晶内生长的板条马氏体和孪晶马氏体，然后在晶内形成孪 晶马氏体和共生片状孪晶体马氏体。 宗斌，魏建忠，王国红【2 0 】经过实验研究认为g c r l 5 钢正常淬火组织中的 黑、白区及过热淬火组织中的明暗相间的带状组织，实际上都是与钢中碳、铬 元素分布的不均匀性，即由于存在不同含铬量的合金渗碳体的偏聚或带状组织 有关，只是在不同淬火温度条件下其表现不同。因此，在实际生产中只要避免 6 武汉理工大学硕士学位论文 过热淬火，就可以避免带状组织的出现。 蔡查敏，张惠娟【2 l 】对g c r l 5 轴承钢进行了不同淬火和回火热处理工艺试验。 发现当淬火加热温度过高时，淬火组织中将会呈现出一种明暗相间的过热“带 状组织 ，系由于高温下二次碳化物过多的溶解，而且由于原始组织中含铬量不 同的碳化物溶解难易程度的差异造成奥氏体成分的偏析，导致淬火后不同区域 抗蚀性能差别而引起的。 汪建利【2 2 】研究了预淬火马氏体对g c r l5 钢马氏体下贝氏体( m b ) 复合组织 及性能的影响，实验结果表明：通过m s 以下适当温度的预淬火，获得的m b 复合组织具有更优的机械性能，预淬火温度的高低对m b 复合组织的强韧性有 较大的影响。 ， 1 2 2 2 轴承钢回火的研究现状 轴承钢的回火研究主要集中在m 亚结构中碳化物的析出过程和m 分解过 程对组织性能的影响这方面的内容上。 吴世雄【2 3 1 对g c r l 5 钢制轴承环回火的质量分析中归纳出淬火后回火温度 与硬度的关系式：t = 2 0 0 斗k ( 6 5 - - h r c ) 式中t 为回火温度，k 为回火系数， h r c 为回火后硬度，式中得出的回火温度和实际值误差1 0 。 郑逊昭，陈君【2 4 】通过冲击与扭转试验，讨论了不同奥氏体化温度下g c r l 5 钢低温回火脆性的规律。结果表明：g c r l 5 钢低温回火脆性区受组织中m 亚结 构、a r 和碳化物形态分布及原始奥氏体晶粒大小的影响。低温回火脆性区随奥 氏体化温度的提高而有规律的向高回火温度区漂移：8 1 0 奥氏体化温度下，g c r 1 5 钢已没有明显的回火脆性区。 张喜燕，武小雷等人【2 5 】使用透射电镜系统地研究了低、中、高碳合金钢中马 氏体回火时碳化物的析出形态。结果表明，低、中碳回火马氏体中碳化物主要 以交叉( 多重变态) 分布为主，但也有单一排列的碳化物，高碳回火马氏体中既可 看到交叉碳化物分布组态，也可看到单一方向分布组态，大部分单一排列组态 的碳化物与马氏体孪晶并无直接关系。 石淑琴，工宝奇等人【2 6 】用c m 2 0 0 型透射电子显微镜研究了超高碳钢双相 区淬火+ 中、高温回火后的组织。淬火组织为大量的板条马氏体与少量的孪晶马 氏体的混合组织。4 0 0 回火后，大量回火碳化物在位错处呈网状析出；4 5 0 7 武汉理工大学硕士学位论文 回火后，碳化物以断续的片状析出，基体仍然保持马氏体的淬火形态；6 5 0 。c 时， 回火碳化物呈球状，基体转变为铁素体等轴晶。 朱光辉，于芸等人【2 7 】研究了淬回火g c r l 5 钢洛氏硬度与马氏体( 2 1 1 ) 晶面x 射线半高宽间的关系，用数理统计方法对实验数据进行了分析。结果表明，洛 氏硬度与半高宽间存在良好的相关性，相关系数约为o 9 7 3 ；建立了洛氏硬度与 半高宽间的线性均方回归方程，利用该方程可预测淬回火g c r l 5 钢的硬度。 1 3 论文选题的意义及其研究内容 1 3 1 课题研究意义 环件冷辗扩应用最广的是轴承套圈冷辗扩。轴承套圈冷辗扩技术研究开发 起源于2 0 世纪八十年代，该技术己经在德国、日本、美国、俄罗斯等国家得到 推广应用。国内自九十年代研究开发轴承套圈冷辗扩技术，并从德国、日本引 进冷辗扩设备进行轴承套圈冷辗扩生产r 7 1 。冷辗扩生产的环件实现了少、无切削 加工，保存了金属内部的流线组织，提高了环件的机械性能。用冷辗扩技术生 产的轴承套圈比传统工艺生产的轴承套圈平均寿命要长，而且生产效率比传统 工艺高。正是由于冷辗扩这项新技术的这些优势才使其成为许多人研究的焦点。 近年来，我国对冷辗扩原理、工艺和设备的研究取得了显著的成效，冷辗扩加 工已成为了轴承环件生产的重要加工方式之一。 目前，国内对于环件冷辗扩的研究还多集中在环件冷辗扩加工工艺、成形 的宏观质量和模具设备等方面，对环件冷加工过程中的微观组织的变化以及热 处理过程中微观组织和机械性能变化的研究还较少。从文献的查阅看，冷轧组 织的研究多集中在亚共析钢上，对于球化后的过共析钢( 如g c r l 5 ) 冷轧组织的 研究并不多。其主要原因是轴承钢硬度较高，传统工艺中多采用热轧成型。对 轴承钢冷轧和热处理组织的研究主要集中在冷轧过程碳化物形态的变化和淬回 火组织性能的提高上。本文在前人的研究基础上，从冷辗扩变形量入手，对经 过球化处理的环件进行了冷辗扩、再结晶和淬回火微观组织和性能方面的研究， 较全面的反映了冷辗扩加工工艺对环件组织和机械性能的影响。该研究对改善 环件的稳定性，进一步提高环件使用寿命和综合机械性能具有重要的实际意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 研究内容 本文主要分析讨论了环件冷辗扩变形后的微观组织和性能，再结晶退火和 淬回火过程对环件组织和性能的影响，具体内容如下： ( 1 ) 研究了不同变形量下，冷辗扩环件的微观组织，对变形过程中组织变 化的特点进行了分析；测定了不同变形量下，环件组织的显微硬度值，研究了 显微硬度的变化趋势和分布规律。 ( 2 ) 在不同温度和时间下对环件进行再结晶退火，通过显微硬度曲线的变 化对再结晶的完成情况进行了分析。最后针对轴承钢组织的特点，研究了环件 再结晶过程的微观机理。 ( 3 ) 在不同温度和时间下进行淬回火热处理，通过光学金相照片和s e m 照 片对微观组织进行了详细分析；通过显微硬度曲线对不同变形量环件淬回火组 织的特点以及综合力学性能的变化进行了研究。 1 4 本章小结 本章概述了冷辗扩加工技术和环件热处理基本工艺，并对轴承钢冷轧组织 和热处理组织的研究现状进行了总结。最后提出了本文的研究目的和意义以及 主要的研究内容。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章实验研究 本文的实验目的是为了研究冷辗扩变形对环件微观组织和性能的影响；分 析不同变形量环件再结晶的完成情况和规律：研究不同变形量环件淬回火后组 织和性能的变化规律。 2 1 实验研究方案 1 毛坯冷辗扩完成后，直接观察金相组织和测量显微硬度，研究显微硬度曲 线和冷辗扩组织的变化规律。 2 再结晶实验是在不同温度和时间下进行的，研究温度时间对环件显微硬度 变化的影响。 3 经过再结晶后的环件，在不同温度时间下淬回火，通过对微观组织的观察 和显微硬度的测定，分析冷辗扩变形量和热处理工艺对环件组织性能的影响。 实验流程如图2 - 1 所示： 图2 - 1 实验流程图 1 0 武汉理丁大学硕士学位论文 2 2 实验材料 实验用环件毛坯是黄石哈特贝尔精密锻造厂制造，材料为g c r l 5 钢，化学 成分和质量分数如表2 一l 所示。 表2 - 1g c r l 5 的化学成分 化学成分c c rm ns ips f e 质量百分数( ) 10 215 5 o3 4o3 00 0 20 0 1 8余量 毛坯是以轧制棒材或挤压棒材做为原材料通过下料一加热一热锻等工序 得到，毛坯尺寸如图2 - 2 所示。出厂前毛坯已经过球化退火，球化退火工艺如 图2 - 4 所示，球化组织如图2 - 3 所示。根据j b l 2 5 5 - - 9 1 第一级别图进行评定， 其组织球化级别为2 3 级，符合国家规定。 图2 - 2 环件毛坯尺寸图2 3 球化组织 o2 g1 0 41 5 21 9 2t ( h ) 图2 - 4 球化退火工艺 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 冷辗扩实验 冷辗扩实验在国产d 5 6 g 9 0 型精密冷辗环机上进行，设备参数如表2 2 所示： 表2 2d 5 6 g 9 0 型冷辗环机主要参数 参数名称 机床指标 媛火外径( h i m )9 0 绷工施豳 爱大宽度( m l n ) 2 3 公称辗压力( i 【n )1 0 0 童辅转逮( r t m i n ) 1 4 6 末滑块最大行稷( n l l l i )1 3 7 主滑块避绘逸缆( r a m s ) i 阻1 6 辗轮琦巷葩最小闭台中心距( m m ) 孤6 辗轮峰苍琵最大嘲台中, o t 蓖( m r n ) 1 2 8 工作帑麴( s )7 1 4 将环件毛坯加工到d 5 6 g 9 0 型冷辗机允许的最大加工外径，具体加工参数如 表2 3 所示。冷辗扩加工完成后测量实际环件尺寸如图2 - 5 所示。 表2 - 3 环件冷辗扩加工参数 图9 - 5最大变形量环件尺寸 经过计算，环件冷辗扩变形量约为2 5 6 ，轧制比为1 3 4 5 。在o 到2 5 6 最大变形量之间选取1 0 和2 0 9 6 两中间变形量，计算得到这两个环件外径分别为 7 7 3 m m 和8 5 5 m m 。冷辗扩后测量两环件实际尺寸，将实验所用4 个环件的尺寸 在表2 - 4 中一并列出。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 4实验环件尺寸 参 小心 外径内径 轴向尺寸壁厚 变形量 等 ( m m )( 1 姗)( 姗)( 姗)( ) 17 1 5 05 2 0 02 1 o o9 7 5o 27 7 3 05 9 1 32 1 o o9 0 9l o 38 5 5 06 9 5 02 1 o o8 o o2 0 49 3 0 07 8 5 02 1 o o7 2 52 5 6 2 4 环件冷辗扩组织性能实验 利用线切割机，分别从4 个环件上各切下1 块尺寸约为8 m m xl o m m 的试 样测量显微硬度。显微硬度的在h x 1 0 0 0 t m 型数字显微硬度计上测量，载荷为 l o o n ，加载时间为5 秒。 测量方法为：依次用n 0 2 8 0 , 、, n 0 1 0 0 0 型砂纸将试样垂直于变形方向的平面 磨平、抛光，在这两个面上分别取l o 个点进行测量( 如图2 - 6 所示) ，为做到准 确1 0 个点尽量平均分布在整个面上，然后计算硬度的平均值。最后用3 的硝 酸酒精腐蚀，在c m m - 5 5 z 型光学金相显微镜和h i t a c h is - 4 8 0 0 型f i e l d e m i s s i o n 扫描电子显微镜下观察。 图2 - 6 试样切割方法和观察面 面 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 再结晶退火实验 对于轴承钢，组织的均匀性直接影响了环件质量的好坏，再结晶不完全，组 织存在各向异性，再结晶温度过高或时间太长又会导致晶粒过大影响机械性能。 因此，本实验选择测量多个温度、时间点的显微硬度，能比较准确地分析环件 再结晶的完成情况。制定再结晶退火工艺，如表2 5 所示。 表2 5 再结晶退火工艺 加热温度改变的实验保温时间改变的实验 加热温度保温时间加热温度保温时间加热温度保温时间加热温度保温时间 ( )( m i n )( )( m i n )( )( r a i n )( )( r a i n ) 4 0 03 05 5 056 5 057 5 05 4 5 03 05 5 01 06 5 01 07 5 01 0 5 0 03 05 5 01 56 5 01 57 5 0 1 5 5 5 03 05 5 02 06 5 02 07 5 02 0 6 0 03 05 5 03 06 5 03 07 5 03 0 6 5 03 05 5 04 06 5 04 07 5 04 0 7 0 03 05 5 06 06 5 06 07 5 06 0 7 5 03 05 5 0 8 06 5 08 0 7 5 08 0 8 0 03 0 实验设备为：s g z 5 1 2 型坩埚电炉，额定温度1 2 0 0 。c ，额定功率5 0 0 0 w 和k s w - 6 d 1 6 型热电偶温度控制器，温度误差范围5 。显微硬度测量方法 是在每个试样不同位置取4 个点测量，取平均显微硬度值，硬度测量和组织观察 设备同上。 2 6 淬火和回火实验 g c r l 5 属于过共析钢，淬火温度通常选择a c l + 2 0 4 0 【2 羽，本实验为了考 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 察较宽温度范围内环件组织性能的变化情况，将此温度范围扩大。轴承钢淬火 介质通常选择2 0 - 3 0 自来水或1 0 号和2 0 号机油，实验选择2 0 号机油冷却。 回火温度应比轴承零件的工作温度高3 0 - 5 0 ，以保证尺寸、硬度和性能 的稳定。选择低温回火的原因是因为轴承环件要保证较高的硬度、耐磨性和韧 性。回火时间的长短通常由工件的使用环境决定，对组织稳定性要求越高的工 件需要更长的回火时间。由此制定淬回火工艺，如表2 - 6 所示。 表2 - 6 淬火和回火工艺 加热温度改变的实验保温时间改变的实验 加热温度保温时间加热温度保温时间 工艺工艺 ( ) ( r a i n ) ( ) ( r a i n ) 7 0 01 58 5 06 7 5 01 58 5 01 2 淬火8 0 01 5淬火8 5 01 5 采用2 0 号8 5 01 5采用2 0 号8 5 0 2 0 机油冷却9 0 01 5机油冷却 8 5 02 5 9 5 0 1 58 5 03 0 1 0 0 01 5 加热温度保温时间加热温度保温时间 工艺工艺 ( ) ( r a i n ) ( )( r a i n ) 1 0 01 8 01 8 06 0 1 3 01 8 01 8 01 2 0 8 5 0 8 5 0 1 5 m i n 淬火 1 6 01 8 01 8 01 8 0 1 5 m i n 淬火 1 9 01 8 01 8 02 4 0 后回火后回火 2 2 01 8 01 8 0 3 0 0 2 5 0 1 8 0 1 8 0 3 6 0 显微硬度的测量方法、淬回火设备、金相观察设备和显微硬度设备同上再结 晶实验。淬回火工艺曲线如图2 - 7 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 2 7 本章小结 6 3 0 l n “p l - 6 1 p 图2 - 7淬回火工艺曲线 本章制定了实验步骤，介绍了实验材料和实验用仪器及型号，对制样和 实验中工艺参数的选定进行了详细说明。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章环件冷辗扩组织性能 轴承钢经过球化处理后，晶界处的碳化物几乎完全溶解，而且组织中密集 分布着大小不一的碳化物颗粒，这使观察冷轧过程中晶粒的变形过程比较困难， 因此轴承钢球化组织的变形特点主要体现在碳化物形态和分布状态的改变上。 而由于碳化物的存在也使冷辗扩变形组织中应力分布不均匀性增加。1 本章将主 要研究冷辗扩组织的变化和显微硬度变化方面的问题。 3 1 显微组织分析 冷辗扩变形的显微组织光学照片如图3 - 1 所示。通过光学显微镜2 0 0 x ， 可以看到球化组织已经相当细小了，除了图3 - 1 a 中还可以看到较大的白点碳化 物，冷辗扩变形后的组织中基本上很少。图3 1 b 中可以看到少量变形的晶界和 沿变形方向拉长的晶粒，而一般在球化组织中，通过普通观测方法看到晶粒和 晶界是不容易的。原因是碳化物不光出现在晶粒中，也会在晶界上出现。在未 球化的层片珠光体中，碳化物在不同晶粒中以不同方向平行分布，因此通过碳 化物的不同方向的分布可以看到晶粒，如图3 - 2 所示，而在球化后的珠光体组织 中就比较困难了。在2 5 6 的变形量下组织已呈现比较明显的方向性排布，如图 3 1 d 所示，可以看出大量碳化物延变形方向分布这一典型的变形组织特征a a0 变形量试样b1 0 变形量试样 武汉理工大学硕士学位论文 c2 0 变形量试样d2 56 变形量试样 图3 1 冷辗扩变形组织光学照片 图3 - 2 层片珠光体 冷辗扩变形的显微组织s e m 照片如图3 - 3 所示，虽然此前光学显微镜下的 球化级别鉴定，已达到扣3 级的国家规定范围，但在s e m 下观察仍然可以看到 大小分布不均的较大颗粒碳化物和棒状碳化物。 图3 3 a 是0 变形量组织也是球化退火组织，图中圆圈标出的部分存在较多 的大颗粒碳化物和棒状碳化物聚集，棒状碳化物长度约为3 5 j 1 1 i l ，大颗粒碳化 物平均直径为1 5 2 1 t m ，平均直径为0 5 1 u n 左右的细小碳化物还比较少。另外 还可以比较清楚的看晶界上分布着极细微的网状碳化物，说明正火和球化退火 过程并不可能彻底消除网状碳化物，只能将其程度减到最小。 武汉理i 人学硕士学位论文 ao 变形量试样 b1 0 变形量试样 c2 0 变形量试样d2 56 变形量试样 图3 - 3 冷辗扩变形纽织s e m 照片 经过1 0 冷辗扩变形后，基体的变形使得碳化物呈一定的方向性分布，如图 3 3 b 所示，虽然仍然可以看到有一定数量的棒状碳化物，但其尺寸已由原来的 3 5 p r n 减小到2 4 9 m 。和未变形组织相比，05 p m 级的细小碳化物明显增加了 很多。 当变形量达到2 0 后，组织中的棒状碳化物数量显著地减少，如图3 3 c 所示，仅有一些长度约为2 9 m 的短棒存在，不过平均直径在15 9 m 以上的大颗 粒碳化物仍然少量存在。 图3 3 d 中无论是棒状碳化物或大颗粒碳化物都是最少的，最大碳化物的平 均直径也只有1 2 9 i n 左右，更弥散分布着05 p m 以下的超细碳化物，网状碳化 物也随着品粒的变形而断开不再连续分布。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 环件冷辗扩显微硬度分析 4 种变形量下环件的显微硬度平均值如表3 1 所示，显微硬度和变形量关 系曲线如图3 4