高铁轴承GCr18Mo套圈贝氏体等温淬火热处理工艺仿真优化研究

1

研究亮点为优化国产高铁使用的GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温淬火工艺，开展试验测试轴承钢的热物理参数以及过冷奥氏体等温转变曲线，基于试验测得的轴承钢材料参数，采用DEFORM-HT软件建立轴承套圈的热处理工艺全流程仿真模型。针对贝氏体等温淬火工艺中的加热温度、等温温度、等温时间和回火温度，采用正交试验法设计16种贝氏体等温淬火工艺仿真方案并进行仿真分析。基于仿真结果，以轴承套圈的贝氏体体积分数和硬度构建优化目标函数，结合蒙特卡洛法和复合形法对工艺参数进行线性回归分析及优化，在优化得出的工艺参数范围内开展3组验证性热处理试验。研究成果可为国内GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温热处理提供有效的工艺参考。

2

研究内容1）仿真模型建立与准确性分析基于DEFORM-HT软件，构建GCr18Mo套圈热处理全流程仿真模型，并通过金相组织、硬度以及残余奥氏体含量的仿真结果与测试结果对比分析，完成仿真模型准确性的校验。轴承外圈模型与有限元模型见图1。GCr18Mo钢的化学成分、不同温度下的热物理性能参数，以及GCr18Mo钢的相变温度及TTT曲线详见原文。基于所建立的热处理仿真模型，进行GCr18Mo轴承套圈的热处理仿真，仿真结果如图2所示。由图2可知，套圈热处理后组织主要为贝氏体以及少量的残余奥氏体，硬度分布比较均匀。将仿真结果与试验结果对比，见表1，误差均在1%以内，表明仿真模型具有准确性。(a)轴承外圈简化模型(单位：mm)；(b)有限元模型图1

轴承外圈模型与有限元模型

(a)贝氏体仿真结果；(b)残余奥氏体仿真结果；(c)硬度仿真结果图2

套圈的热处理仿真结果

表1

仿真与试验对比2）热处理工艺参数仿真优化针对高碳铬钢轴承贝氏体等温淬火工艺参数，依据国内某轴承厂提供的热处理工艺参数的控制范围，建立正交试验方案，并利用所构建的热处理仿真模型完成各方案的仿真分析。基于仿真分析结果，采用基于蒙特卡洛法和复合形优化方法开发的热处理参数优化设计软件OptimumDesign，通过多元线性回归方法，优化热处理工艺参数范围。热处理关键参数及水平如表2所示。根据表2中的因素及水平划分，对照正交表L16(45)的排列组合，共组合成16种不同的热处理仿真方案，具体仿真方案的工艺参数如表3所示。对16种方案进行仿真计算，结果如表4所示。将回归方程、约束条件等初始条件输入优化设计软件OptimumDesign，计算得到的优化结果见表5。

表2

热处理关键参数及水平表3

正交试验方案表4

各方案仿真结果

表5

Optimumdesign优化结果3）优化工艺验证试验及测试分析a.轴承套圈热处理优化工艺验证试验针对优化后的分步贝氏体等温淬火热处理工艺参数范围，选取均值、上下限的值，设计了表6中的3种热处理工艺方案，以GCr18Mo轴箱轴承套圈为试验对象，分别进行热处理试验。图3所示为轴承厂用于高碳铬钢轴承热处理的相关设备。图4分别是3种热处理工艺方案生产出的轴承套圈。

表6

热处理工艺试验方案图3

热处理生产设备

图4

3种热处理工艺方案生产出的轴承套圈

b.优化工艺的测试分析对3种新方案生产的轴承套圈进行取样，分别用于金相组织观察、硬度测试以及残余奥氏体含量检测。3种方案热处理后的金相组织如图5所示。按照《JB/T34891—2017》第5级别图评级为贝氏体1级。贝氏体体积分数、残余奥氏体和硬度的检测结果见表7，各项指标均满足贝氏体等温热处理的控制指标要求，并与仿真优化结果具有较高的一致性，误差均在1%以内。(a)方案1金相组织；(b)方案2金相组织；(c)方案3金相组织图5

轴承套圈金相组织图

表7

优化结果验证

3

研究结论1)基于试验测得的轴承钢热物理性能参数和TTT曲线建立的热处理全流程仿真模型，贝氏体含量、硬度、奥氏体含量与试验结果的误差均在1%以内，具有良好的准确性。2)优化了贝氏体分步等温热处理工艺参数范围。奥氏体化阶段加热温度：869～877℃，保温时间：40min；第1次等温淬火的等温温度：300℃，等温时间：10min；第2次等温淬火的等温温度：233～243℃，等温时间：68～140min；等温淬火后进行低温回火，回火的温度：213～248℃，回火时间：120min。3)轴承套圈经新的分步热处理工艺优化后，其性能满足行业标准，等温淬火时间相比于最初的贝氏体