轴承材料热处理

HEATS · 发表于 2010-9-11 21:18:56

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　　轴承零件的热处理质量控制在整个机械行业是最为严格的。轴承热处理在过去的20来年里取得了很大的进步，主要表现在以下几个方面：热处理基础理论的研究；热处理工艺及应用技术的研究；新型热处理装备及相关技术的开发。

　　1高碳铬轴承钢的退火

　　高碳铬轴承钢的球化退火是为了获得铁素体基体上均匀分布着细、孝匀、圆的碳化物颗粒的组织，为以后的冷加工及最终的淬回火作组织准备。传统的球化退火工艺是在略高于Ac1的温度(如GCr15为780~810℃)保温后随炉缓慢冷却(25℃/h)至650℃以下出炉空冷。该工艺热处理时间长(20h以上)[1]，且退火后碳化物的颗粒不均匀，影响以后的冷加工及最终的淬回火组织和性能。之后，根据过冷奥氏体的转变特点，开发等温球化退火工艺：在加热后快冷至Ar1以下某一温度范围内(690~720℃)进行等温，在等温过程中完成奥氏体向铁素体和碳化物的转变，转变完成后可直接出炉空冷。该工艺的优点是节省热处理时间(整个工艺约12~18h),处理后的组织中碳化物细小均匀。另一种节省时间的工艺是重复球化退火：第一次加热到810℃后冷却至650℃，再加热到790℃后冷却到650℃出炉空冷。该工艺虽可节省一定的时间，但工艺操作较繁。

　　2高碳铬轴承钢的马氏体淬回火

　　2.1常规马氏体淬回火的组织与性能

　　近20年来，常规的高碳铬轴承钢的马氏体淬回火工艺的发展主要分两个方面：一方面是开展淬回火工艺参数对组织和性能的影响，如淬回火过程中的组织转变、残余奥氏体的分解、淬回火后的韧性与疲劳性能等[2~10]；另一方面是淬回火的工艺性能，如淬火条件对尺寸和变形的影响、尺寸稳定性等[11~13]。

　　常规马氏体淬火后的组织为马氏体、残余奥氏体和未溶(残留)碳化物组成。其中，马氏体的组织形态又可分为两类：在金相显微镜下(放大倍数一般低于1000倍)，马氏体可分为板条状马氏体和片状马氏体两类典型组织，一般淬火后为板条和片状马氏体的混合组织，或称介于二者之间的中间形态—枣核状马氏体(轴承行业上所谓的隐晶马氏体、结晶马氏体)；在高倍电镜下，其亚结构可分为位错缠结和孪晶。其具体的组织形态主要取决于基体的碳含量，奥氏体温度越高，原始组织越不稳定，则奥氏体基体的碳含量越高，淬后组织中残余奥氏体越多，片状马氏体越多，尺寸越大，亚结构中孪晶的比例越大，且易形成淬火显微裂纹。一般，基体碳含量低于0.3%时，马氏体主要是位错亚结构为主的板条马氏体；基体碳含量高于0.6%时，马氏体是位错和孪晶混合亚结构的片状马氏体；基体碳含量为0.75%时，出现带有明显中脊面的大片状马氏体，且片状马氏体生长时相互撞击处带有显微裂纹[8]。与此同时，随奥氏体化温度的提高，淬后硬度提高，韧性下降，但奥氏体化温度过高则因淬后残余奥氏体过多而导致硬度下降。

　　常规马氏体淬火后的组织中残余奥氏体的含量一般为6~15%，残余奥氏体为软的亚稳定相，在一定的条件下(如回火、自然时效或零件的使用过程中)，其失稳发生分解为马氏体或贝氏体。分解带来的后果是零件的硬度提高，韧性下降，尺寸发生变化而影响零件的尺寸精度甚至正常工作。对尺寸精度要求较高的轴承零件，一般希望残余奥氏体越少越好，如淬火后进行补充水冷或深冷处理，采用较高温度的回火等[12~14]。但残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力，一定的条件下，工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中，提高轴承的接触疲劳寿命，这种情况下在工艺和材料的成分上采取一定的措施来保留一定量的残余奥氏体并提高其稳定性，如加入奥氏体稳定化元素Si、Mn,进行稳定化处理等[15,16]。

　　2.2常规马氏体淬回火工艺

　　常规高碳铬轴承钢马氏体淬回火为：把轴承零件加热到830~860℃保温后，在油中进行淬火，之后进行低温回火。淬回火后的力学性能除淬前的原始组织、淬火工艺有关外，还很大程度上取决于回火温度及时间。随回火温度升高和保温时间的延长，硬度下降，强度和韧性提高。可根据零件的工作要求选择合适的回火工艺：GCr15钢制轴承零件：150~180℃；GCr15SiMn钢制轴承零件：170~190℃。对有特殊要求的零件或采用较高温度回火以提高轴承的使用温度，或在淬火与回火之间进行-50~-78℃的冷处理以提高轴承的尺寸稳定性，或进行马氏体分级淬火以稳定残余奥氏体获得高的尺寸稳定性和较高的韧性。

　　不少学者对加热过程中的转变进行了研究[2，7~9,17]，如奥氏体的形成、奥氏体的再结晶、残留碳化物的分布及使用非球化组织作为原始组织等。

　　G. Lowisch等[3，8]两次奥氏体化后淬火的轴承钢100Cr6的机械性能进行了研究：首先，进行1050℃奥氏体化并快冷至550℃保温后空冷，得到均匀的细片状珠光体，随后进行850℃二次奥氏体化、淬油，其淬后组织中马氏体及碳化物的尺寸细孝马氏体基体的碳含量及残余奥氏体含量较高，通过较高温度的回火使奥氏体分解，马氏体中析出大量的微细碳化物，降低淬火应力，提高硬度、强韧性和轴承的承载能力。在接触应力的作用下，其性能如何，需进行进一步的研究，但可推测：其接触疲劳性能应优于常规淬火。

　　酒井久裕等[7]对循环热处理后的SUJ2轴承钢的显微组织及机械性能进行了研究：先加热到1000℃保温0.5h使球状碳化物固溶，然后，预冷至850℃淬油。接着重复1~10次由快速加热到750℃、保温1min后油冷至室温的热循环，最后快速加热到680℃保温5min油冷。此时组织为超细铁素体加细密的碳化物(铁素体晶粒度小于2μm、碳化物小于0.2μm)，在710℃下出现超塑性(断裂延伸率可到500%)，可利用材料的这一特性进行轴承零件的温加工成型。最后，加热到800℃保温淬油并进行160℃回火。经这种处理后，接触疲劳寿命L10比常规处理大幅度提高，其失效形式由常规处理的早期失效型变为磨损失效型。

　　轴承钢经820℃奥氏体化后在250℃进行短时分级等温空冷，接着进行180℃回火，可使淬后的马氏体中碳浓度分布更为均匀，冲击韧性比常规淬回火提高一倍。因此，В.В.БЁЛОЗЕРОВ等提出把马氏体的碳浓度均匀程度可作为热处理零件的补充质量标准[6]。

　　2.3马氏体淬回火的变形及尺寸稳定性

　　马氏体淬回火过程中，由于零件各个部位的冷却不均匀，不可避免地出现热应力和组织应力而导致零件的变形。淬回火后零件的变形(包括尺寸变化和形状变化)受很多因素影响，是一个相当复杂的问题。如零件的形状与尺寸、原始组织的均匀性、淬火前的粗加工状态(车削时进刀量的大孝机加工的残余应力等)、淬火时的加热速度与温度、工件的摆放方式、入油方式、淬火介质的特性与循环方式、介质的温度等均影响零件的变形。国内外对此进行了大量的研究，提出不少控制变形的措施，如采用旋转淬火、压模淬火、控制零件的入油方式等[11,13，18]。Beck等人的研究表明：由蒸气膜阶段向沸腾期的转变温度过高时，大的冷速而产生大的热应力使低屈服点的奥氏体发生变形而导致零件的畸变。Lübben等人认为变形是单个零件或零件之间浸油不均匀造成，尤其是采用新油是更易出现这种情形。Tensi等人认为：在Ms点的冷却速度对变形起决定性作用，在Ms点及以下温度采用低的冷速可减少变形。Volkmuth等人[13]系统研究了淬火介质(包括油及盐浴)对圆锥滚子轴承内外圈的淬火变形。结果表明：由于冷却方式不同，套圈的直径将有不同程度的“增大”，且随介质温度的提高，套圈大小端的直径增大程度趋于一致，即“喇叭”状变形减小，同时，套圈的椭圆变形(单一径向平面内的直径变动量Vdp、VDp)减小；内圈因刚度较大，其变形小于外圈。

　　马氏体淬回火后零件的尺寸稳定性主要受三种不同转变的影响[12,14]：碳从马氏体晶格中迁移形成ε-碳化物、残余奥氏体分解和形成Fe3C，三种转变相互叠加。50~120℃之间，由于ε-碳化物的沉淀析出，引起零件的体积缩小，一般零件在150℃回火后已完成这一转变，其对零件以后使用过程中的尺寸稳定性的影响可以忽略；100~250℃之间，残余奥氏体分解，转变为马氏体或贝氏体，将伴随着体积涨大；带炉和无马弗网带炉、铸链炉、辊底炉、滚筒炉系列生产线，从上料、前清洗、保护气氛(或可控气氛)下加热、淬火、后清洗(有时还进行二次深冷)及回火均自动完成。自动化程度及控制精度高，处理后工件的质量均匀，有些生产线还配有在线检测设备对处理后的工件进行变形或质量检测与控制，整条热处理生产线可作为轴承自动生产线的一部分使用。不同的热处理生产线根据其结构特点适用于不同类型和尺寸轴承零件的热处理，如网带炉适用于中小型轴承套圈；辊底炉配有自动升降淬火装置，适用于尺寸较大的轴承零件；滚筒炉适用于滚动体及小型套圈。

　　(2)多用炉

　　多用炉把可控气氛加热和保护气氛下淬火结合为一体，完成工件的无氧化淬火工艺过程，主要适用于小批量多品种的轴承零件热处理。

　　(3)感应加热淬回火设备

　　感应加热具有加热速度快、节能等优点，处理后的工件具有一些常规加热所没有的性能。设备体积小，易于集成到轴承生产线中，实现自动化生产。

　　(4)真空炉

　　真空状态下加热可减少或避免工件的氧化，配合高压气淬可控制工件的冷却及变形，避免了油淬带来的环境污染问题，实现清洁热处理，另外，真空热处理后，工件的显微组织更加细小均匀，表面与心部组织一致，硬度均匀，有利于轴承疲劳寿命的提高。

　　(5)淬火冷却介质及装备

　　淬火介质可分为三大类：油基、水基和气体淬火介质。

　　油基淬火介质是最常用的淬火介质。普通的淬火油是N32或N15机械油，为提高其冷却性能、抗老化性能、光亮性能、高温性能等分别加入催冷剂、清洗剂、光亮剂、抗氧化剂，形成了快速油、快速光亮油、高温分级等温油等系列淬火油以应用于不同尺寸和要求的轴承零件的淬火，另外还有低挥发性的真空淬火油。油基淬火介质的缺点是淬火过程中产生油烟造成空气污染、在随后的清洗过程中造成水污染。

　　水基淬火介质是由有机聚合物、抗腐蚀剂和其他添加剂组成的水溶液。通过改变有机聚合物的类型和浓度可得到不同的冷却特性以适合于不同轴承零件的淬火冷却要求，在淬火冷却过程中，有机物附着在零件表面可减少零件淬火开裂的危险性，且不产生油烟，清洗方便，无污染，是淬火介质的发展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介质，需对溶液经常进行测试，定期添加有机物溶液以保证其冷却性能。

　　气体淬火是采用惰性气体为介质(常用的氮气)，把压缩气体通过特殊设计的喷嘴喷射到工件表面实现工件的淬火冷却。通过调节气体的压力和喷嘴的结构可以控制冷却特性和变形，如Tinscher等人的研究[11]表明：当氮气的流速达到100m/s时，其冷却特性与油相近，当对工件的表面的光亮度没有特殊的要求时，可采用压缩空气作为淬火介质，淬火时表面形成的3~5μm的氧化层可通过以后的磨加工去除掉。气体淬火比水基淬火更洁净，且成本更低，其关键技术是喷嘴的结构设计。

　　淬火冷却装备是除淬火介质外影响工件淬火效果的另一大因素。国外对常用的淬火油槽实行多参数控制，如油温、油的冷却特性、油的循环与搅拌的方向及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火组织与性能，同时把变形减小到最小程度。日本NSK等著名轴承公司对淬火油进行定期或在线检测，根据检测结果添加所需的添加剂或更新淬火油；另一方面，对淬火后工件的变形进行在线检测，把变形超差的工件自动分检出去，进行矫正后再进入下道工序，可大大减小工件的磨加工留量。另外，油槽中淬火介质的冷却逐步由水循环冷却改为全风冷，利用空气作为冷却介质节省大量的水资源。

　　多工位自动淬火压床也是国外普遍采用的淬火工装，可自动完成升降、上下料、喷油冷却、油温调节及张紧(或压力)的调节等动作，微机控制，生产节拍可调，可作为轴承自动生产线的一部分适用。

　　(6)清洗设备

　　清洗通常是油淬后的必备工序。连续生产线所用的清洗设备一般完成热皂水浸泡、清水喷淋、热风烘干等过程，并带有油水分离装置。先进的清洗设备中，在烘干前还加有二次冷却装置(配有制冷设备，温度在5~10℃之间可调)，以减少残余奥氏体的含量，提高尺寸稳定性。

　　真空清洗是近年来发展起来的清洗设备。其利用淬火油等挥发性液体减压后沸点下降和油、水、水蒸气等有机液一起加热其沸点亦下降的原理进行清洗；另外，使用特殊的气、液混合泵产生微小的空气泡混入清洗液中，利用微气泡在工件表面破裂时产生的爆破力破坏污渍和工件的结合力，从而进一步提高真空清洗的效果。在前室清洗后，进入后真空室，通过抽真空将残存的油和水蒸发出来并进行真空快速干燥。该类清洗设备的优点是：清洗效果好，尤其是对结构复杂的零件，清洗效果更为显著，清洗后工件表面光亮；安全、清洁，清洗液为清水，不加对环境有害的氯化物和石油类溶剂；自动化程度高，且可利用清洗加热替代低温回火，节省回火费用。

　　7.3贝氏体等温淬火装备

　　根据轴承加工的特点，所使用的设备主要有两大类：自动生产线和周期炉。

　　(1)自动生产线：品种少、批量大的轴承适合自动化生产，如铁路轴承的生产多使用自动生产线。自动生产线主要由保护气氛加热炉和等温淬火槽组成，其中等温淬火部分所用设备按运送工件的动作又可分为三类：转底、推盘及输送带式。由爱协林公司开发的转底、推盘式等温淬火设备是把转底或推盘机构置于等温盐浴中，工件按一定的节拍进出，记忆控制顺序出料，动作由PLC程序控制，该类设备自动化程度高，投资大；由沙菲公司开发的输送带式等温淬火自动线与目前普遍使用的网带式保护气氛淬火自动线结构原理相似，只是所用淬火介质为盐浴，这类设备一般只适用于小尺寸的零件。

　　(2)周期式等温淬火设备：轧机轴承由于品种多、批量小，中小型轧机轴承生产厂家多采用箱式炉+淬火冷却槽+等温槽+清洗槽，也有采用箱式炉+多个等温槽。该配置投资少，适用性强，但劳动强度大，安全性差。易普森公司把多用炉和贝氏体淬火等温结合为一体,避免了由加热设备到等温淬火之间的氧化,且等温采用空气炉,配一套残盐回收系统,避免了残盐的环境污染。除此之外，可利用多用炉的特点进行小批量多品种轴承零件的处理，克服了一般自动等温设备的尺寸限制。目前，在贝氏体等温淬火大力推广之际，该设备具有很大的推广价值。

　　3.4保护气氛及控制

　　随着对工件淬火后表面质量要求的提高，保护(可控)气氛加热越来越普及，包括退火在内的热处理均采用保护(或可控)气氛加热。20世纪70年代，主要采用吸热式气氛。吸热式气氛是原料气和空气的混合气体在催化剂的作用下部分反应形成一种含18～23%CO、37～42%H2、余量N2的保护气氛。80年代，国际能源危机给世界经济以巨大冲击，氮基气氛应运而生，氮-甲醇气氛的组份与吸热式气氛相近，以氮-甲醇为代表的氮基气氛得到广泛推广。90年代，出现了把空气和碳氢化合物直接通入高于800°C炉膛内的产气方法，即直生式气氛。通过研究发现，这种含有高CH4成分的气氛，虽然其气体反应达不到类似于吸热式气氛的平衡程度，但其碳的传输能力还是由气氛中CO与H2的含量来控制，用氧探头结合CO2分析仪进行碳势控制是可以实现的。直生式气氛的主要优点是大量节省了原料气消耗量，据统计这种气氛无论用在周期式气氛炉还是连续性气氛炉，其原料气消耗节省费用70%左右。今天，全球约有300多台套气氛炉使用这种气氛进行渗碳、碳氮共渗、保护气氛淬火等多种热处理。

　　近几年的实际应用表明，氧探头的使用寿命是不定的，氧探头信号的逐步漂移是固定电解质的典型缺陷所致。由于这种漂移主要受炉子运行工况的影响，而且漂移的开始及大幅度的漂移是不可预见的，所以由氧探头测量的碳势与实际值之间差异也是不可预见的。因此，人们定期校验其测量精度，例如，一个星期一次，用钢箔定碳片来检测氧探头信号是否失真，这真是一个麻烦的工作，不利于炉子实现全自动化，有时甚至会影响正常生产。鉴于上述原因，Ipsen开发了一个双重测量系统。其中一个带标准氧探头用于正常的控制碳势，另一个独立测量系统用于检测这个氧探头的工作状况，即这两个系统分别测量气氛的碳势，当结果出现很大偏差时，就会报警。这第二个测量系统工作元件可以是CO2红外分析仪，也可以是一个微型氧探头(λ-探头)，迄今为止，已有许多气氛炉安装了这种双重测量系统。【MechNet】

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