本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种高尺寸稳定性的轴承钢热处理工艺。
背景技术：
轴承是机械装备承载负荷和传递运动的核心精密部件，其精度直接影响主机的运转精度和工作寿命。为了保障轴承服役过程精度持久保持，轴承钢热处理后不仅需要具有优良的综合的机械性能，如强韧性、耐磨性、抗疲劳性等，还需要有较好的尺寸稳定性，以控制轴承服役过程材料尺寸变化造成的轴承精度衰减。
轴承钢的尺寸稳定性与其亚稳态组织密切相关，服役过程中亚稳态组织的转变都会导致轴承尺寸变化，从而导致轴承磨损失效。然而，现有的轴承钢成分标准和热处理工艺窗口都不能对实现对亚稳组织的精确控制，无法保证精密轴承的长寿命。因此，如何通过调整轴承钢的主要成分结合热处理工艺的优化，实现对精密轴承的亚稳组织控制是延长轴承寿命的关键技术途径。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高尺寸稳定性的轴承钢热处理工艺，它通过对轴承钢标准中成分范围的优化控制和热处理工艺窗口的优化设计，实现对尺寸稳定性的针对性调控，提高轴承钢热处理后的组织稳定性，从而提高其尺寸稳定性，控制轴承服役过程的精密衰减，提高轴承精度保持性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高尺寸稳定性的轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：
s1、轴承钢成分优化控制：所述轴承钢中各成分的质量百分比为：c：0.80～0.90％、cr：0.95～1.25％、si：0.40～0.70％、mn：0.40～0.80％；
s2、热处理工艺优化设计：
s201、预备热处理：先将轴承钢缓慢加热至奥氏体相变开始温度ac1以上20～50℃进行保温，其中ac1＝723-14mn+12si+23.3cr，保温时间根据工件厚度确定，每1mm保温3～5min，最少保温10min，最多保温3h，随后炉冷至珠光体转变开始温度ar1以下30～80℃保温3～4h，其中ar1＝853-115c-48mn+36si-25cr；再出炉空冷；
s202、最终热处理：先在保护气氛下将轴承钢加热至t1以上20～50℃，其中t1＝910-83c+64.7si，保温时间根据工件厚度确定，每1mm保温3～5min，最少保温10min，最多保温3h；再放入60～70℃淬火油中冷却5～8min后取出空冷至室温；随后将工件加热至t2以下30～50℃进行回火，其中t2＝550-325c-40mn-20cr，保温时间根据工件厚度确定，每1mm保温15～30min，最后出炉空冷；
所有公式中元素符号等于其对应的质量分数*100。
按上述技术方案，步骤s1中，所述轴承钢中各成分的质量百分比为：c：0.85％、si：0.6％、mn：0.6％、cr：1.1％、mo：0.04％、s：0.025％以下、p：0.024％以下，余量为铁。
按上述技术方案，步骤s201中，以2℃/min的速度将轴承钢缓慢加热至奥氏体相变开始温度ac1以上20～50℃。
本发明产生的有益效果是：本发明根据材料尺寸稳定性与主要元素成分和热处理工艺之间的密切作用规律，在现有轴承钢材料成分与热处理工艺基础上进行关键成分含量和热处理工艺窗口优化，达到既能提高尺寸稳定性又能保障其它关键机械性能的目的。
首先，本发明通过合理降低c、cr含量，能够有效调整轴承钢的相变温度点，在奥氏体化碳化物溶解的过程中，起到减少c和cr在基体中固溶的效果，当高温奥氏体中c和cr的含量降低，导致奥氏体的热稳定性会有所下降，马氏体相变温度升高，从而使更多的高温奥氏体在快速冷却过程中转变形成马氏体组织，即减少了未转变的残余奥氏体含量结合回火稳定提升，从而减少残余奥氏体含量，控制残余奥氏体稳定性。
其次，因为si和mn是提高轴承钢淬透性的重要元素，因此，本发明通过合理提高si和mn含量，能够使轴承钢的淬透性提高，保证淬火工件质量，可适用于更大尺寸轴承工件的淬火热处理；与此同时，更高的si含量能够抑制回火过程中的过渡碳化物的析出，使富含碳的马氏体固溶碳中的碳向残余奥氏体转移，即碳存在由马氏体向残余奥氏体转移的配分过程。该过程提高了残余奥氏体的碳含量，使残余奥氏体的热稳定性提升，提高了轴承工件的尺寸稳定性。
本发明基于调整后的主要元素成分，通过控制热处理工艺参数，从达到轴承钢成分含量和热处理工艺窗口协同优化的效果，提高热处理组织稳定性和尺寸稳定性，具有效果好、经济、易操作实施等综合优点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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。
本发明提供一种高尺寸稳定性的轴承钢热处理工艺，包括以下步骤：
s1、轴承钢成分优化控制：所述轴承钢中各成分的质量百分比为：c：0.80～0.90％、cr：0.95～1.25％、si：0.40～0.70％、mn：0.40～0.80％；
s2、热处理工艺优化设计：
s201、预备热处理：先将轴承钢缓慢加热至奥氏体相变开始温度ac1以上20～50℃进行保温，其中ac1＝723-14mn+12si+23.3cr，保温时间根据工件厚度确定，每1mm保温3～5min，最少保温10min，最多保温3h，随后炉冷至珠光体转变开始温度ar1以下30～80℃保温3～4h，其中ar1＝853-115c-48mn+36si-25cr；再出炉空冷；
s202、最终热处理：先在保护气氛下将轴承钢加热至t1以上20～50℃，其中t1＝910-83c+64.7si，保温时间根据工件厚度确定，每1mm保温3～5min，最少保温10min，最多保温3h；再放入60～70℃淬火油中冷却5～8min后取出空冷至室温；随后将工件加热至t2以下30～50℃进行回火，其中t2＝550-325c-40mn-20cr，保温时间根据工件厚度确定，每1mm保温15～30min，最后出炉空冷；
所有公式中元素符号等于其对应的质量分数*100，如mn＝0.4～0.8。
gcr15轴承钢作为诞生百余年的典型高碳铬轴承钢，其包括c、cr、si和mn在内的主要元素成分范围基本确定，常规的淬火和回火工艺参数也基本确定，这是基本事实。然而，随着对轴承服役性能要求的提高，经常规淬回火工艺处理后，轴承钢的组织稳定性和尺寸稳定性这两个近年来尤为重视的性能指标往往不能满足高端轴承的服役性能要求。针对该问题，本发明经过定量分析轴承钢的主要元素含量、热处理工艺与稳定性三者的关联关系，提出了优化轴承钢主要成分含量并提供了与之匹配的热处理工艺参数，以提高轴承钢的尺寸稳定性。
对于gcr15轴承钢，c、cr、si、mn是影响其综合性能的关键元素成分，根据每种元素对于轴承钢性能的影响，在标准规定成分范围内对四种关键元素成分范围进行优化，在提高尺寸稳定性的同时保障强韧性、耐磨性、接触疲劳性能等服役性能。
对原始组织为珠光体的轴承钢而言，c元素主要集中在渗碳体中，极少量存在于铁素体中。在奥氏体化过程中，ac1～ac3阶段为铁素体+部分渗碳体→奥氏体，在ac3以上为渗碳体继续溶解。奥氏体化之后经马氏体淬(回)火处理，微观组织为(回火)隐晶马氏体+残余奥氏体+渗碳体。轴承钢的热处理过程可看作c在不同相内的分配过程，控制轴承钢的c含量即是从源头上控制了各热处理环节的组织性能。
本发明将普通gcr15轴承钢中的c、cr、si、mn元素质量百分比含量进行相应的调整，将c、cr的含量降至标准范围之下，并提高si、mn的含量。将c和cr含量降低能够有效调整轴承钢的相变温度点，在奥氏体化碳化物溶解的过程中，起到减少c和cr在基体中固溶的效果，当高温奥氏体中c和cr的含量降低，导致奥氏体的热稳定性会有所下降，马氏体相变温度升高，从而使更多的高温奥氏体在快速冷却过程中转变形成马氏体组织，即减少了未转变的残余奥氏体含量。si和mn是提高轴承钢淬透性的重要元素，将si和mn含量提高，能够使轴承钢的淬透性提高，保证淬火工件质量，可适用于更大尺寸轴承工件的淬火热处理。与此同时，更高的si含量能够抑制回火过程中的过渡碳化物的析出，使富含碳的马氏体固溶碳中的碳向残余奥氏体转移，即碳存在由马氏体向残余奥氏体转移的配分过程。该过程提高了残余奥氏体的碳含量，使残余奥氏体的热稳定性提升，进一步提高了亚稳组织-残余奥氏体的稳定性，提高了轴承工件的尺寸稳定性。
同时，本发明基于轴承钢现有预备热处理和最终热处理工艺窗口，根据轴承钢成分对材料相变及组织转变的影响，结合优化调整的元素成分范围，优化设计热处理工艺窗口，在提高尺寸稳定性的同时保障强韧性、耐磨性、接触疲劳性能等服役性能。
研究表明，淬火前的轴承钢微观组织为粒状珠光体时，淬回火后的力学性能较好，因此有必要对轴承钢进行预处理。经实验验证，在本发明所提供的预处理时间范围内可获得较好的球化效果。若缩短时间容易出现球化不足；若延长时间则粒状碳化物颗粒过大，影响轴承钢的最终疲劳性能。在奥氏体化等温过程阶段，等温时间决定了碳化物的溶解程度，继而影响淬透性、残余奥氏体的含量与组织稳定性(与碳含量相关)和轴承钢的尺寸稳定性(与残余奥氏体的含量相关)。经实验验证，在本发明所提供的淬火等温时间范围内可获得较好的综合力学性能与稳定性。若缩短时间碳化物溶解较少，高温奥氏体碳含量偏低，容易出现淬透性不足，淬火后硬度偏低的情况；若延长时间则碳化物溶解过多，残余奥氏体的含量显著增加，影响轴承钢的尺寸稳定性与强度性能。因此，针对本发明提供的成分优化的轴承钢，应严格遵循等温时间范围以满足各热处理环节的组织性能要求。
在本发明的优选实施例中，步骤s1中，所述轴承钢中各成分的质量百分比为：c：0.85％、si：0.6％、mn：0.6％、cr：1.1％、mo：0.04％、s：0.025％以下、p：0.024％以下，余量为铁。
在本发明的优选实施例中，步骤s201中，以2℃/min的速度将轴承钢缓慢加热至奥氏体相变开始温度ac1以上20～50℃。
本发明在具体应用时，包括以下步骤：
1、轴承钢成分优化控制
对于轴承钢，c、cr、si、mn是影响其综合性能的关键元素成分，根据每种元素对于轴承钢热处理相变条件的影响，对四种关键元素成分范围进行优化，在提高尺寸稳定性的同时保障强韧性、耐磨性、接触疲劳性能等服役性能；
调控轴承钢的质量百分比含量为：c：0.85％、si：0.6％、mn：0.6％、cr：1.1％、mo：0.04％、s：0.025％以下、p：0.024％以下，余量为铁，工件材料的有效厚度为8mm；
2、热处理工艺优化设计
基于轴承钢现有预备热处理和最终热处理工艺窗口，根据轴承钢成分对材料相变及组织转变的影响，结合优化调整的元素成分范围，优化设计热处理工艺窗口，在提高尺寸稳定性的同时保障强韧性、耐磨性、接触疲劳性能等服役性能；
(a)预备热处理：依据预备热处理温度设计，计算等温球化退火的保温温度为767.4～797.4℃，炉冷温度为640.6～690.6℃，保温时间为24～40min范围内，优选的，将钢以2℃/min的速度加热至775℃，保温时间28min，随后炉冷至680℃后保温3.2h，出炉空冷；
(b)最终热处理：依据最终热处理温度设计，计算得到淬火加热温度为828.3～858.3℃，淬火保温时间为24～40min，回火温度为177.8～197.8℃，回火时间为90～240min范围内，优选的，在保护气氛下加热至835℃，保温时间24min，再放入65℃淬火油中冷却12min后取出空冷至室温；回火加热温度180℃，保温时间按工件厚度计算140min，随后出炉空冷。
将上述实施例下轴承钢的室温尺寸稳定性进行测试，104h内尺寸变化率最大为0.003％，相比常规轴承钢的尺寸稳定性值减小60％以上，由此可见本发明能够有效保证轴承钢的高尺寸稳定性。
残余奥氏体作为轴承钢的亚稳态组织，在服役过程中受到温度或者力的作用会发生转变，从而降低轴承的尺寸精度，即组织失稳转变会导致尺寸精度丧失。本发明，一方面通过将c和cr的含量降低，使更多的高温奥氏体在快速冷却过程中转变形成马氏体组织，降低了残余奥氏体的含量，亚稳组织的含量得到的控制，即从源头上控制了组织稳定性；另一方面，即便轴承钢中存在一些少量的残余奥氏体，通过将si含量提高，使得马氏体中饱和的固溶碳原子向残余奥氏体迁移，从而提高了残余奥氏体的碳含量，由于富碳的残余奥氏体具有更高的稳定性，因此其更不容易在服役过程中发生转变，即提高了尺寸稳定性。
以上所述仅为本范明的有限实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，对于本领域的技术人员来说，其依据前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的竞速和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。