GCr15轴承钢热处理工艺设计.doc
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工艺课程设计（论文）
题目：
GCr15轴承钢热处理工艺设计
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起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
教研室：
材料科学与工程教研室
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课程设计（论文）题目
GCr15轴承钢热处理工艺设计
课程设计（论文）要求与任务
一、课设要求
熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。
完成工艺设计。
阐述GCr15轴承钢退火、淬火、回火热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述轴承热处理质量检验项目、内容及要求；阐明轴承热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。
二、课设任务
1.轴承材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；
2.给出GCr15的C曲线；
3.给出GCr15轴承钢冷热加工工艺流程图；
4.制定GCr15轴承钢退火、淬火-回火热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括三部分：
1）概述；2）工艺设计；3）参考文献。
设计说明书结构见《工艺设计模板》。
工作计划
集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：
1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。
指导教师评语及成绩
成绩：
学生签字：
指导教师签字：
年月日
辽宁工业大学课程设计说明书（论文）
目录
1GCr15轴承钢热处理概述 1
2GCr15轴承钢热处理工艺设计 2
2.1GCr15轴承钢的服役条件、失效形式及性能要求 2
2.1.1服役条件、失效形式 2
2.1.2性能要求 2
2.2轴承钢材料的选择 2
2.3GCr15钢的C曲线 3
2.4GCr15轴承钢的热处理工艺设计 3
2.4.1GCr15轴承钢的工艺流程 4
2.4.2GCr15轴承钢的热处理工艺设计 5
2.5GCr15轴承钢的热处理工艺理论基础、原则 7
2.5.1GCr15轴承钢的球化退火工艺理论基础、原则 7
2.5.2GCr15轴承钢淬火工艺原理 8
2.5.3GCr15轴承钢回火工艺理论基础、原则 10
2.6选择设备、仪表和工夹具 11
2.6.1设备 11
2.6.2仪表 13
2.6.3设计工夹具 14
2.7GCr15轴承钢热处理质量检验项目、内容及要求 14
2.8GCr15轴承钢热处理常见缺陷的预防及补救方法 15
2.8.1加热时常见的缺陷的预防及补救方法 15
2.8.2淬火、回火缺陷与预防、补救 16
2.9热处理工艺卡 17
2.9.1GCr15轴承钢球化退火工艺卡 18
2.9.2GCr15轴承钢淬火工艺卡 19
2.9.3GCr15轴承钢回火工艺卡 20
3.参考文献 21
21
1GCr15轴承钢热处理概述
对轴承钢的冶炼质量要求很高，需要严格控制硫、磷和非金属夹杂物的含量和分布，因为非金属夹杂物的含量和分布对轴承钢的寿命影响很大。
对轴承钢的基本质量要求就是纯净和组织均匀。
纯净就是杂质元素及非金属杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细小，分布要均匀。
夹杂物量愈高，寿命就越短。
为了满足这些性能的要求，常常采用高碳铬轴承钢（GCr15）经退火、淬火加低温回火的热处理工艺，为了改善冶炼质量，近来已采用电炉冶炼并经电渣重熔，亦可采用真空冶炼，真空自耗精炼等新工艺来提高轴承钢的质量。
高碳铬轴承钢的含碳质量分数比较高，一次预备热处理是球化退火，主要目的是为了降低硬度，改善切削加工性，同时获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理做好组织上的准备。
通过对经典GCr15轴承钢热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。
能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。
根据轴承的工作条件，失效形式及性能要求，本设计选择的轴承材料为GCr15轴承钢；在设计球化退火-淬火加低温回火热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理工程师手册》，《钢的热处理》，《热处理工程基础》，《金属热处理原理与工艺》等。
根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理的GCr15轴承钢具有高硬度，高耐磨性，高的耐点蚀性能，高的疲劳强度，从而满足轴承的质量要求。
2GCr15轴承钢热处理工艺设计
2.1GCr15轴承钢的服役条件、失效形式及性能要求
2.1.1服役条件、失效形式
滚动轴承运转时，内外套圈与滚动体之间呈点接触或线接触，受到周期性的载荷作用，由于接触面积极小，在接触面上承受极大的压应力和交变载荷，接触应力可达2000～5000MPa，应应力交变次数可达每分钟数万次甚至更高，从而容易造成轴承钢的接触疲劳破换。
轴承在工作中，滚动体和套圈及保持器之间还会有相对滑动，产生相互摩擦；大气和润滑剂对轴承还有一定的腐蚀作用；某些情况情况下轴承还会受到冲击负荷的作用。
轴承的破坏形式是多种多样的，如疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等。
2.1.2性能要求
1.高的弹性极限、抗拉强度和接触疲劳强度；
2.高的淬硬性和必要的淬透性，以保证高耐磨性，其硬度为（HRC）61～65；
3.一定的冲击韧性；
4.良好的尺寸稳定性（或组织稳定性），这对精密轴承特别重要；
5.在和大或润滑油接触时要能抵抗化学腐蚀；
6．好的工艺性能，以满足大规模生产的需要。
2.2轴承钢材料的选择
轴承钢一般要经球化退火处理和淬火加低温回火处理，球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，同时获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理做好组织上的准备。
GCr15SiMn（A）钢是在GCr15基础上，提高Si、Mn含量的改型钢，以改善其淬透性和弹性极限，耐磨性也有所提高。
但其热处理工艺麻烦，成本高。
渗碳钢如20Mn、20NiMo、12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2MoA等，经渗碳-淬火低温回火处理后，表面有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而心部具有很高的冲击韧性。
用渗碳钢做轴承，加工工艺性能好，可以采用冷冲压技术，提高材料的利用率，再经渗碳淬火处理后，在表层形成有利的残余应力，提高轴承的使用寿命。
但适用于轧钢机械、矿山挖掘机和其他一些受冲击负载荷较大的机械使用的轴承。
高速钢如Cr4Mo4V（M50）、W6Mo5Cr4V2、W9Cr4V2。
这类钢的特点是含有大量的M、Mo、Cr、V等碳化物形成元素，经淬火后可获得高合金化的高碳马氏体，具有良好的回火稳定性，并在高温回火后产生二次硬化现象，因此能在高温下保持高硬度、高耐磨性和良好的接触疲劳强度。
但其加工复杂，成本高，适用于在高温、高速和高载荷下工作的航空发电机、宇航飞行器、燃气轮机和涡轮增压器等装置中的轴承。
综上所述，GCr15钢含有较少的合金元素，综合性能良好，淬火回火后具有高而均匀的硬度，耐磨性能好，接触疲劳强度高。
钢的热加工性好，球化退火后有良好的可切削性。
适宜制造各种轴承套圈及较宽尺寸范围的滚动体、滚针；还可用于制造量具、冲压模具、机床丝杠以及柴油机油泵油嘴上的精密零件等。
2.3Cr15钢的C曲线
通过查找《热处理手册》获得Cr15钢的C曲线如图1所示。
图1GCr15钢的C曲线
2.4GCr15轴承钢的热处理工艺设计
2.4.1GCr15轴承钢的工艺流程
1.加工路线
材料→冲压或锻制毛坯（材料加热）→热处理（退火）→车削加工→热处理（淬火、回火）→研磨加工。
2.锻造工艺设计
锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，已获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。
查阅《热处理工艺规范数据手册》可以找出GCr15轴承钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表1所示。
表1GCr15轴承钢的热加锻造工艺规范
项目
Ac1（Ar1）
Ac3（Ar3）
加热温度
始锻温度
终锻温度
钢坯
760℃（695℃）
900℃（707℃）
1200～1240℃
1080℃
800℃
图2是滚动轴承的零件图。
图2GCr15轴承零件图
2.4.2GCr15轴承钢的热处理工艺设计
1．预备热处理工序—球化退火
球化退火目的是使组织变为均匀分布的细粒状珠光体，获得最佳的机加工性能并未淬火提供良好的原始组织，淬火、回火后获得最佳的力学性能。
Cr15钢退火组织为细粒状珠光体（碳化物平均直径为0.5～1.0um,最小0.2um,最大2.5um）和不均匀粗粒状珠光体（碳化物平均直径为2.5～3.5um，最小0.5um,最大6um）的206内套，经不同温度淬火并回火，加工后在轴承寿命试验机上实验，结果下表2。
表2退火组织中碳化物颗粒大小和均匀性对轴承接触疲劳寿命的影响
原始组织
淬火温度/℃
平均寿命/h
寿命波动范围/h
稳定系数
均匀细小粒状珠光体
820
396
198～561
2．8
840
811
354～1941
5.4
860
581
401～818
2.0
不均匀粗粒状珠光体
820
340
89～489
5.4
840
505
186～1408
7.6
860
558
413～870
2.0
轴承钢球化退火温度：
GCr15钢为780～810℃，锻件经特殊热处理后，其退火温度应降低10～20℃。
其球化退火工艺曲线如图2所示。
770℃
790℃
≤20℃/h
720℃
≤20℃/h
650℃
温度T/℃
3h
5h
3h
时间t/h
0
图2GCr15钢球化退火工艺曲线
2．最终热处理工序—淬火、低温回火
该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。
所以选择淬火加回火，使其具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。
其工艺曲线如图3所示。
820～840℃
油冷
150～160℃
空冷
淬火
2～3h
回火
0
时间t/h
温度T/℃
30～40min
图3GCr15钢的最终热处理工艺曲线
2.5GCr15轴承钢的热处理工艺理论基础、原则
2.5.1GCr15轴承钢的球化退火工艺理论基础、原则
1．球化退火加热温度
球化退火加热温度为Ac1+（20～40）℃或Accm-（20～30）℃，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。
在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。
因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。
球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。
普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。
等温球化退火是与普通球化
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