國(guó)外機(jī)械行業(yè)的軸承熱處理方法(上)摘要：金剛石介紹等離子弧焊接的材料、裝配、工藝與缺陷形式香港華大開(kāi)發(fā)出新型直壓式注塑機(jī)高端模具缺乏工業(yè)之母怎堪重任刀具閱讀知識(shí)數(shù)字化設(shè)計(jì)與并行工程在摩托車(chē)研發(fā)中的應(yīng)用(下)等離子切割設(shè)備選型國(guó)內(nèi)民企首臺(tái)百?lài)嵓?jí)減速機(jī)在常問(wèn)世高精度齒輪滾刀漸開(kāi)線中凹齒形型線設(shè)計(jì)與應(yīng)用螺旋軸磨損表面的堆焊修復(fù)FANUC數(shù)控銑床G功能代碼,M代碼數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系簡(jiǎn)介新刀具技術(shù)在起落架加工中的應(yīng)用自動(dòng)調(diào)零伺服傾角傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的系統(tǒng)整體性及其發(fā)展動(dòng)態(tài)PLC在輪胎模電火花成型機(jī)中的應(yīng)用PDM實(shí)施方法的優(yōu)化大直徑漸開(kāi)線花鍵拉刀的齒形角修正航空薄壁件的刀具偏擺數(shù)控補(bǔ)償加工技術(shù)捷太格特推出改進(jìn)型大型臥式加工中心處理方法行業(yè)機(jī)械國(guó)外馬氏體零件組織軸承工藝熱處理質(zhì)量好壞直接關(guān)系后續(xù)加工質(zhì)量最終影響零件使用性能壽命熱處理機(jī)械行業(yè)能源消耗大戶(hù)污染大戶(hù)近年來(lái)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及其熱處理方面應(yīng)用熱處理技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面清潔熱處理熱處理生產(chǎn)形成廢水廢氣粉塵噪聲電磁輻射環(huán)境造成污染解決熱處理環(huán)境污染. 

　　熱處理質(zhì)量好壞直接關(guān)系著后續(xù)的加工質(zhì)量以致最終影響零件的使用性能及壽命，同時(shí)熱處理又是機(jī)械行業(yè)的能源消耗大戶(hù)和污染大戶(hù)。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及其在熱處理方面的應(yīng)用，熱處理技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　(1)清潔熱處理

　　熱處理生產(chǎn)形成的廢水、廢氣、廢鹽、粉塵、噪聲及電磁輻射等均會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。解決熱處理的環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)行清潔熱處理(或稱(chēng)綠色環(huán)保熱處理)是發(fā)達(dá)國(guó)家熱處理技術(shù)發(fā)展的方向之一。為減少SO2、CO、CO2、粉塵及煤渣的排放，已基本杜絕使用煤作燃料，重油的使用量也越來(lái)越少，改用輕油的居多，天然氣仍然是最理想的燃料。燃燒爐的廢熱利用已達(dá)到很高的程度，燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和空-燃比的嚴(yán)格控制保證了合理燃燒的前提下，使NOX和CO降低到最低限度；使用氣體滲碳、碳氮共滲及真空熱處理技術(shù)替代鹽浴處理以減少?gòu)U鹽及含CN-有毒物對(duì)水源的污染；采用水溶性合成淬火油代替部分淬火油，采用生物可降解植物油代替部分礦物油以減少油污染。

　　(2)精密熱處理

　　精密熱處理有兩方面的含義：一方面是根據(jù)零件的使用要求、材料、結(jié)構(gòu)尺寸，利用物理冶金知識(shí)及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬和檢測(cè)技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，達(dá)到所需的性能或最大限度地發(fā)揮材料的潛力；另一方面是充分保證優(yōu)化工藝的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量分散度很小(或?yàn)榱?及熱處理畸變?yōu)榱恪?br />
　　(3)節(jié)能熱處理

　　科學(xué)的生產(chǎn)和能源管理是能源有效利用的最有潛力的因素，建立專(zhuān)業(yè)熱處理廠以保證滿負(fù)荷生產(chǎn)、充分發(fā)揮設(shè)備能力是科學(xué)管理的選擇。在熱處理能源結(jié)構(gòu)方面，優(yōu)先選擇一次能源；充分利用廢熱、余熱；采用耗能低、周期短的工藝代替周期長(zhǎng)、耗能大的工藝等。

　　(4)少無(wú)氧化熱處理

　　由采用保護(hù)氣氛加熱替代氧化氣氛加熱到精確控制碳勢(shì)、氮?jiǎng)莸目煽貧夥占訜幔瑹崽幚砗罅慵男阅艿玫教岣?，熱處理缺陷如脫碳、裂紋等大大減少，熱處理后的精加工留量減少，提高了材料的利用率和機(jī)加工效率。真空加熱氣淬、真空或低壓滲碳、滲氮、氮碳共滲及滲硼等可明顯改善質(zhì)量、減少畸變、提高壽命。

　　軸承零件的熱處理質(zhì)量控制在整個(gè)機(jī)械行業(yè)是最為嚴(yán)格的。軸承熱處理在過(guò)去的20來(lái)年里取得了很大的進(jìn)步，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：熱處理基礎(chǔ)理論的研究；熱處理工藝及應(yīng)用技術(shù)的研究；新型熱處理裝備及相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

　　1高碳鉻軸承鋼的退火

　　高碳鉻軸承鋼的球化退火是為了獲得鐵素體基體上均勻分布著細(xì)、小、勻、圓的碳化物顆粒的組織，為以后的冷加工及最終的淬回火作組織準(zhǔn)備。傳統(tǒng)的球化退火工藝是在略高于Ac1的溫度(如GCr15為780~810℃)保溫后隨爐緩慢冷卻(25℃/h)至650℃以下出爐空冷。該工藝熱處理時(shí)間長(zhǎng)(20h以上)[1]，且退火后碳化物的顆粒不均勻，影響以后的冷加工及最終的淬回火組織和性能。之后，根據(jù)過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)等溫球化退火工藝：在加熱后快冷至Ar1以下某一溫度范圍內(nèi)(690~720℃)進(jìn)行等溫，在等溫過(guò)程中完成奧氏體向鐵素體和碳化物的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完成后可直接出爐空冷。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省熱處理時(shí)間(整個(gè)工藝約12~18h),處理后的組織中碳化物細(xì)小均勻。另一種節(jié)省時(shí)間的工藝是重復(fù)球化退火：第一次加熱到810℃后冷卻至650℃，再加熱到790℃后冷卻到650℃出爐空冷。該工藝雖可節(jié)省一定的時(shí)間，但工藝操作較繁。

　　2高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火

　　2.1常規(guī)馬氏體淬回火的組織與性能

　　近20年來(lái)，常規(guī)的高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火工藝的發(fā)展主要分兩個(gè)方面：一方面是開(kāi)展淬回火工藝參數(shù)對(duì)組織和性能的影響，如淬回火過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變、殘余奧氏體的分解、淬回火后的韌性與疲勞性能等[2~10]；另一方面是淬回火的工藝性能，如淬火條件對(duì)尺寸和變形的影響、尺寸穩(wěn)定性等[11~13]。常規(guī)馬氏體淬火后的組織為馬氏體、殘余奧氏體和未溶(殘留)碳化物組成。其中，馬氏體的組織形態(tài)又可分為兩類(lèi)：在金相顯微鏡下(放大倍數(shù)一般低于1000倍)，馬氏體可分為板條狀馬氏體和片狀馬氏體兩類(lèi)典型組織，一般淬火后為板條和片狀馬氏體的混合組織，或稱(chēng)介于二者之間的中間形態(tài)—棗核狀馬氏體(軸承行業(yè)上所謂的隱晶馬氏體、結(jié)晶馬氏體)；在高倍電鏡下，其亞結(jié)構(gòu)可分為位錯(cuò)纏結(jié)和孿晶。其具體的組織形態(tài)主要取決于基體的碳含量，奧氏體溫度越高，原始組織越不穩(wěn)定，則奧氏體基體的碳含量越高，淬后組織中殘余奧氏體越多，片狀馬氏體越多，尺寸越大，亞結(jié)構(gòu)中孿晶的比例越大，且易形成淬火顯微裂紋。一般，基體碳含量低于0.3％時(shí)，馬氏體主要是位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)為主的板條馬氏體；基體碳含量高于0.6％時(shí)，馬氏體是位錯(cuò)和孿晶混合亞結(jié)構(gòu)的片狀馬氏體；基體碳含量為0.75％時(shí)，出現(xiàn)帶有明顯中脊面的大片狀馬氏體，且片狀馬氏體生長(zhǎng)時(shí)相互撞擊處帶有顯微裂紋[8]。與此同時(shí)，隨奧氏體化溫度的提高，淬后硬度提高，韌性下降，但奧氏體化溫度過(guò)高則因淬后殘余奧氏體過(guò)多而導(dǎo)致硬度下降。

　　常規(guī)馬氏體淬火后的組織中殘余奧氏體的含量一般為6~15％，殘余奧氏體為軟的亞穩(wěn)定相，在一定的條件下(如回火、自然時(shí)效或零件的使用過(guò)程中)，其失穩(wěn)發(fā)生分解為馬氏體或貝氏體。分解帶來(lái)的后果是零件的硬度提高，韌性下降，尺寸發(fā)生變化而影響零件的尺寸精度甚至正常工作。對(duì)尺寸精度要求較高的軸承零件，一般希望殘余奧氏體越少越好，如淬火后進(jìn)行補(bǔ)充水冷或深冷處理，采用較高溫度的回火等[12~14]。但殘余奧氏體可提高韌性和裂紋擴(kuò)展抗力，一定的條件下，工件表層的殘余奧氏體還可降低接觸應(yīng)力集中，提高軸承的接觸疲勞壽命，這種情況下在工藝和材料的成分上采取一定的措施來(lái)保留一定量的殘余奧氏體并提高其穩(wěn)定性，如加入奧氏體穩(wěn)定化元素Si、Mn,進(jìn)行穩(wěn)定化處理等[15,16]。

　　2.2常規(guī)馬氏體淬回火工藝

　　常規(guī)高碳鉻軸承鋼馬氏體淬回火為：把軸承零件加熱到830~860℃保溫后，在油中進(jìn)行淬火，之后進(jìn)行低溫回火。淬回火后的力學(xué)性能除淬前的原始組織、淬火工藝有關(guān)外，還很大程度上取決于回火溫度及時(shí)間。隨回火溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度下降，強(qiáng)度和韌性提高?？筛鶕?jù)零件的工作要求選擇合適的回火工藝：GCr15鋼制軸承零件：150~180℃；GCr15SiMn鋼制軸承零件：170~190℃。對(duì)有特殊要求的零件或采用較高溫度回火以提高軸承的使用溫度，或在淬火與回火之間進(jìn)行-50~-78℃的冷處理以提高軸承的尺寸穩(wěn)定性，或進(jìn)行馬氏體分級(jí)淬火以穩(wěn)定殘余奧氏體獲得高的尺寸穩(wěn)定性和較高的韌性。

　　不少學(xué)者對(duì)加熱過(guò)程中的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究[2，7~9,17]，如奧氏體的形成、奧氏體的再結(jié)晶、殘留碳化物的分布及使用非球化組織作為原始組織等。G.Lowisch等[3，8]兩次奧氏體化后淬火的軸承鋼100Cr6的機(jī)械性能進(jìn)行了研究：首先，進(jìn)行1050℃奧氏體化并快冷至550℃保溫后空冷，得到均勻的細(xì)片狀珠光體，隨后進(jìn)行850℃二次奧氏體化、淬油，其淬后組織中馬氏體及碳化物的尺寸細(xì)小、馬氏體基體的碳含量及殘余奧氏體含量較高，通過(guò)較高溫度的回火使奧氏體分解，馬氏體中析出大量的微細(xì)碳化物，降低淬火應(yīng)力，提高硬度、強(qiáng)韌性和軸承的承載能力。在接觸應(yīng)力的作用下，其性能如何，需進(jìn)行進(jìn)一步的研究，但可推測(cè)：其接觸疲勞性能應(yīng)優(yōu)于常規(guī)淬火。

　　酒井久裕等[7]對(duì)循環(huán)熱處理后的SUJ2軸承鋼的顯微組織及機(jī)械性能進(jìn)行了研究：先加熱到1000℃保溫0.5h使球狀碳化物固溶，然后，預(yù)冷至850℃淬油。接著重復(fù)1~10次由快速加熱到750℃、保溫1min后油冷至室溫的熱循環(huán)，最后快速加熱到680℃保溫5min油冷。此時(shí)組織為超細(xì)鐵素體加細(xì)密的碳化物(鐵素體晶粒度小于2μm、碳化物小于0.2μm)，在710℃下出現(xiàn)超塑性(斷裂延伸率可到500％)，可利用材料的這一特性進(jìn)行軸承零件的溫加工成型。最后，加熱到800℃保溫淬油并進(jìn)行160℃回火。經(jīng)這種處理后，接觸疲勞壽命L10比常規(guī)處理大幅度提高，其失效形式由常規(guī)處理的早期失效型變?yōu)槟p失效型。

　　軸承鋼經(jīng)820℃奧氏體化后在250℃進(jìn)行短時(shí)分級(jí)等溫空冷，接著進(jìn)行180℃回火，可使淬后的馬氏體中碳濃度分布更為均勻，沖擊韌性比常規(guī)淬回火提高一倍。因此，В.В.БЁЛОЗЕРОВ等提出把馬氏體的碳濃度均勻程度可作為熱處理零件的補(bǔ)充質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[6]。

　　2.3馬氏體淬回火的變形及尺寸穩(wěn)定性

　　馬氏體淬回火過(guò)程中，由于零件各個(gè)部位的冷卻不均勻，不可避免地出現(xiàn)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力而導(dǎo)致零件的變形。淬回火后零件的變形(包括尺寸變化和形狀變化)受很多因素影響，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。如零件的形狀與尺寸、原始組織的均勻性、淬火前的粗加工狀態(tài)(車(chē)削時(shí)進(jìn)刀量的大小、機(jī)加工的殘余應(yīng)力等)、淬火時(shí)的加熱速度與溫度、工件的擺放方式、入油方式、淬火介質(zhì)的特性與循環(huán)方式、介質(zhì)的溫度等均影響零件的變形。國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，提出不少控制變形的措施，如采用旋轉(zhuǎn)淬火、壓模淬火、控制零件的入油方式等[11,13，18]。Beck等人的研究表明：由蒸氣膜階段向沸騰期的轉(zhuǎn)變溫度過(guò)高時(shí)，大的冷速而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力使低屈服點(diǎn)的奧氏體發(fā)生變形而導(dǎo)致零件的畸變。Lübben等人認(rèn)為變形是單個(gè)零件或零件之間浸油不均勻造成，尤其是采用新油是更易出現(xiàn)這種情形。Tensi等人認(rèn)為：在Ms點(diǎn)的冷卻速度對(duì)變形起決定性作用，在Ms點(diǎn)及以下溫度采用低的冷速可減少變形。Volkmuth等人[13]系統(tǒng)研究了淬火介質(zhì)(包括油及鹽浴)對(duì)圓錐滾子軸承內(nèi)外圈的淬火變形。結(jié)果表明：由于冷卻方式不同，套圈的直徑將有不同程度的“增大”，且隨介質(zhì)溫度的提高，套圈大小端的直徑增大程度趨于一致，即“喇叭”狀變形減小，同時(shí)，套圈的橢圓變形(單一徑向平面內(nèi)的直徑變動(dòng)量Vdp、VDp)減??；內(nèi)圈因剛度較大，其變形小于外圈。

　　馬氏體淬回火后零件的尺寸穩(wěn)定性主要受三種不同轉(zhuǎn)變的影響[12,14]：碳從馬氏體晶格中遷移形成ε-碳化物、殘余奧氏體分解和形成Fe3C，三種轉(zhuǎn)變相互疊加。50~120℃之間，由于ε-碳化物的沉淀析出，引起零件的體積縮小，一般零件在150℃回火后已完成這一轉(zhuǎn)變，其對(duì)零件以后使用過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性的影響可以忽略100~250℃之間，殘余奧氏體分解，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體，將伴隨著體積漲大；200℃以上，ε-碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致體積縮小。研究也表明：殘余奧氏體在外載作用下或較低的溫度下(甚至在室溫下)也可發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸變化。因此，在實(shí)際使用中，所有的軸承零件的回火溫度應(yīng)高于使用溫度50℃，對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求較高的零件要盡量降低殘余奧氏體的含量，并采用較高的回火溫度。