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乐邦回收轴承网对轴承热处理技术的理论及生产应用的看法

[ 关键词:轴承热处理技术 发表日期:2019-05-22 09:26:52 ]

  随着机械制造水平的提高,对轴承的寿命和可靠性提出了更高的要求,开发热处理新技术、提高热处理质量是国内外轴承生产企业及相关企事业单位要面临的新课题。乐邦回收轴承网对近年来轴承热处理技术的进展进行综述,以期对我国的轴承行业相关人员有所借鉴。

一 退火

  高碳铬轴承钢的理想退火组织是铁素体基体上 分布着细、小、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Acl的温度(如GCrl5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) uJ,且退火后碳化物的颗粒小均匀,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,开发了等温球化退火工艺:在加 热后快冷至Arl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12一18h)。处 理后的组织中碳化物细小均匀,可较容易地把退火 组织控制在JBl255标准中的2~3级或细点组织, 显著改善最终热处理后的性能。国内在20世纪80 年代开始在行业广泛推广这一工艺,并开发生产了 相应的等温退火设备。近年来,从节能的角度出发, 开发了油电复合加热等温退火炉、双室首尾并联的 等温退火炉,节能效果显著;同时,随着毛坯精密 成形工艺和设备的出现,开始采用氮基保护气氛等 温退火炉,以减少退火过程中的氧化脱碳,降低原 材料的消耗和机加工成本。

二 马氏体淬回火

  常规的高碳铬轴承钢马氏体淬回火工艺的发展 主要分两个方面:一方面是开展淬同火工艺参数对 组织和性能影响的基础性研究,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;另一方面是淬同火的工艺性能的研究, 如淬火条件对尺寸和变形的影响、尺寸稳定性等。

1 组织与性能p列

  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,典犁的马氏 体组织形态又可分为两类:板条状马氏体和片状马 氏体;按亚结构可分为位错缠结和孪晶。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弧结构的片 状马氏体;基体碳含量为0.75%以上时,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】。

  轴承钢淬火后马氏体基体 含碳量为0.55%左右,组织形态一般为板条和片状马 氏体的混合组织,或称介于二者之间的中l’日J形态一 枣核状马氏体,轴承行业上所谓的隐晶马氏体、结 晶马氏体;其哑结构主要为位错缠结以及少量的孪 晶。随淬火温度升高或保温时间延长,组织形态逐 步由隐晶一结晶一细小针状过度。一般淬火后的正 2009年第5期 中国热处理技术通讯 常组织为隐晶+结晶+细小针状马氏体的混合物。一 旦出现大量明显的针状马氏体,则组织为不合格组 织,应设法避免。 关于淬凹火对性能的影响,国内外也进行了大 量研究。洛阳轴承研究所在20世纪80年代开展了 “GCrl5钢热处理工艺的研究川引。

  研究结果表明: 淬火加热为835~865℃、回火为150—180℃畴,能获 得较好的综力学性能和接触疲劳寿命,845℃淬火 畴,压碎载荷最高,疲劳寿命最长;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。 对有特殊要求的零件或采用较高温度同火以提高轴 承的使用温度,或在淬火与回火之间进行一50 ̄-78。C 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。轴承钢淬火加热后在250。C进行短时分 级等温空冷,接着进行180℃回火,或在马氏体转变 温度等温(马氏体等温淬火),可使淬后的马氏体中 碳浓度分布更为均匀,增加稳定的残余奥氏体量, 冲击韧性比常规淬同火提高一倍。因此,B.B.B E31 O3EPOB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【6j。

2 马氏体淬回火的变形及尺寸稳定性

  马氏体淬凹火过程中,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。淬同火后零件的变形(包括尺寸变 化和形状变化)受很多阒素影响,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、 淬火前的租加工状态(车削时进刀鼍的大小、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 【l 01。Beck等人的研究衷明:由蒸气膜阶段向沸腾期 的转变温度过高时,大的冷速而产牛大的热应力使 低屈服点的奥氏体发生变形而导致零件的畸变。Lu bben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F温度采用低的冷速可减少变形。 Volkmuth等人…】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”,且随淬火介质温度的提高,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、vov)减小;内圈冈刚度较大,其变形小于外圈。

  近年来,国内外热处理设备生产厂家通过改变工件 的落料方式或在落料口下增加翻转机构等措施,大 大减少工件的淬火变形。 马氏体淬同火后零件的尺寸稳定性主要受三种 不同转变的影响【l 2’日】:碳从马氏体品格中迁移形成£ 一碳化物、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£.碳化物的沉淀析出, 引起零件的体积缩小,一般零件在150℃同火后己二完 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℃之问,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; 200。C以上,e.碳化物向渗碳体转化,导致体积缩小。 研究也表明:残余奥氏体在外载作用下或较低的温 度F(甚拿在室温下)也可发生分解,导致零件尺 寸变化。冈此,在实际使用中,所有的轴承零件的 同火温度应高于使用温度50℃,对尺寸稳定性要求 较高的零件要尽量降低残余奥氏体的含量,如淬火 后进行补充水冷或深冷处理,并采用较高的回火温 度。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。

3 常规马氏体淬火的发展动向

  目前,轴承零件的常规马氏体淬火多采用铸链 炉、网带炉等连续淬火设备,淬火后的组织、硬度 等指标很容易控制在所期望的范围内。对此类淬火 工艺,今后的发展方向有以下两方面:

(1)淬火变形的控制

  淬火加热设备基本采用了保护气氛或可控气 氛,可以保证不脱碳,或根据需要进行复碳或渗碳, 从而可以大大压缩热处理后的加工余量。但加工余 量的可压缩程度往往又受到淬火变形的制约。目前, 淬火变形(尤其是畸变)成为控制加工余量的主要 冈素;且对密封防尘轴承的套圈,淬火畸变将影响 防尘盖的压入,进而影响密封性能。因此,减小淬 火畸变或实现零畸变将是常规马氏体淬火需要解决 的主要I’UJ题。因影响淬火畸变的冈素繁多,变形的 机理较为复杂,所以,每个生产J‘家应根据自身的 149 第六届中国热处理活动周专辑 2009年10月 设备和产品特点等多方面的因素,从生产实践中探 索出一些控制畸变的、行之有效的措施,如控制工 件的摆放、入油方式、淬火油及油温、搅拌等,实 现少、无畸变淬火。

(2)残余应力及残余奥氏体的控制和评定

  我国目前的热检标准中,对残余应力和残余奥 氏体没有评定指标限制。大量的研究表明:残余应 力影响零件的接触疲劳性能、韧性和磨削裂纹,适 当的残余压应力可以提高接触疲劳寿命、防止磨削 及安装裂纹的产生;残余奥氏体降低尺寸稳定性, 其影响程度与残余奥氏体本身的稳定性、数量和存 在部位有关。但适量的残余奥氏体可以提高断裂韧 性和接触疲劳性能。多家国外的著名轴承公司已把 残余应力和残余奥氏体列入热处理控制指标。因此, 进一步开展残余应力和残余奥氏体对热处理后性能 的影响及其机理的研究、开展淬回火工艺对残余应 力和残余奥氏体影响的研究,进而根据轴承的工况 提出残余应力和残余奥氏体的控制指标等等,将是 我国轴承行业热处理研究的主要方向之一。

三 贝氏体等温淬火

  贝氏体等温淬火是近年来国内轴承行业研究的 热点。自20世纪80年代开始,洛阳轴承研究所与 重庆轴承厂合作,开始了贝氏体等温淬火在铁路轴 承上的应用研究,随后与沙河轧机轴承厂开展了贝 氏体等温淬火在轧机轴承上的应用研究,均取得了 良好的效果,并在JBl255—1991中引入贝氏体等温淬 火相关的推荐性技术要求。同时,轴承行业也开始 了贝氏体等温淬火的推广应用研究。借助于国家“八 五”重点企业技术开发项目“铁路客车轴承”,有关 单位对贝氏体等温淬火的组织与性能进行了较为系 统的研究,并成功地应用于准高速铁路轴承的生产 中。2001年在修订JBl255时,正式将贝氏体等温淬 火的技术内容列入标准正式条文。贝氏体淬火工艺 在轧机、机车、铁客等轴承上得到较为广泛的推广 应用

1 贝氏体淬火的组织与力学性能

  高碳铬轴承钢下贝氏体等温淬火组织由下贝氏 体和残余碳化物组成。其中贝氏体为不规则相交的 碳过饱和的Q结构条片,其上分布着与片的长轴成 55.-60。的粒状或短杆状的碳化物,空间形态为凸透 镜状,亚结构为位错缠结,未发现有孪晶亚结构。 贝氏体的数量及形态因工艺条件不同而各异。随淬 火温度的升高,贝氏体条变长;等温温度升高,贝 氏体条变宽,碳化物颗粒变大,且贝氏体条之间的 相交的角度变小,逐趋向于平行排列,形成类似与 上贝氏体的结构;贝氏体转变是一个与等温转变时 间有关的过程,等温淬火后的贝氏体量随等温时间 的延长而增加。关于贝氏体的转变机理,目前尚有 许多争议,深入开展转变机理的研究将为进一步优 化贝氏体淬火工艺、扩大其应用提供理论基础。

  高碳铬轴承钢下贝氏体组织能提高钢的比例极 限、屈服强度、抗弯强度和断面收缩率,与淬网火 马氏体组织相比,具有更高的冲击韧性、断裂韧性 及尺寸稳定性,表面应力状态为压应力.高的门坎值 △Ktll和低的裂纹扩展速度da/dN则代表贝氏体组织 不易萌生裂纹,已有的裂纹或新萌生的裂纹也不易 扩展【2’¨1。 一般认为,全贝氏体或马/贝复合组织的耐磨性 和接触疲劳性能低于淬火低温同火马氏体,与相近 温度同火的马氏体组织的耐磨性和接触疲劳性能相 近或略高。但润滑不良条件F(如煤浆或水这类介 质),全BI.组织呈现出明显的优越性,具有远高于低 温同火的M组织的接触疲劳寿命,如水润滑时全BL 组织的Llo=168h,回火M组织的Llo=52h〔15j。

2 生产应用

  贝氏体组织的突出特点是冲击韧性、断裂韧性、 耐磨性、尺寸稳定性好,表面残余应力为压应力。 因此适用于装配过盈量大、服役条件差的轴承,如 承受大冲击负荷的铁路、轧机、起重机等轴承,润 滑条件不良的矿山运输机械或矿山装卸系统、煤矿 用轴承等。高碳铬轴承钢BL等温淬火T艺已在铁路、 轧机轴承上得到成功应用,取得了较好效果。 在铁路、轧机轴承生产中,由于套圈尺寸大、 重量重,油淬火时马氏体组织脆性大,为使淬火后 获得高硬度常采取强冷却措施,结果导致淬火微裂 纹;由于马氏体淬火后表面为拉应力,在磨加下时 磨削应力的叠加使整体应力水平提高,易形成磨削 裂纹,造成批量废品。而贝氏体淬火时,由于贝氏 体组织比M组织韧性好得多,同时表面形成高达 -400.500MPa的压应力,极大地减小了淬火裂纹倾 向ll卅;在磨加工时表面压应力抵消了部分磨削应力, 使整体应力水平下降,大大减少了磨削裂纹。

  SKF公司把高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火工艺 2009年第5期 中国热处理技术通讯 主要应用于铁路轴承、轧机轴承以及在特殊工况下 使用的轴承,同时开发了适合于贝氏体淬火的钢种 (Sl叮24、SKF25、100M07)。其淬火时采用较长的 等温时间,淬后得到全下贝氏体组织。近来,SKF 又研制出一种新钢种775V,并通过特殊的等温淬火 得到更均匀的下贝氏体,淬后硬度增加的同时其韧 性比常规等温淬火提高60%,耐磨性提高了3倍, 处理的套圈壁厚超过100ram。 部分等温后得到马氏体/贝氏体复合组织的性能 尚有争议,如BI.的含量多少为最佳等。即使有一最 佳含量,在生产实际中如何控制,且复合组织在等 温后还需进行一次附加同火,增加了生产成本。另 外,就贝氏体等温淬火而言,虽然对其工艺、组织、 性能进行了较为系统的研究,但在大力推广此T艺 的同时,应注意该T艺的限制,并非所有的轴承零 件均适合贝氏体等温淬火。还应开展贝氏体等温淬 火用钢的开发,进一步提高贝氏体等温淬火后的性 能;开展取代硝盐等温的热处理设备的研制,减少 环境污染等等。

四 特殊热处理

  高碳铬轴承钢一般是整体淬硬,淬后的残余应 力为表面拉应力状态,易造成淬火裂纹、降低轴承 的使用性能。一类特殊热处理是通过对高碳铬轴承 钢进行渗碳、渗氮或碳氮共渗,提高衷层的碳、氮 含量,降低表面层的Ms点,在淬火过程中表面后发 生转变而形成表面压应力,提高耐磨性及滚动接触 疲劳性制17_81。

  另一方面,通过一定的方法使热处 理后的轴承零件中保留一定量稳定的残余奥氏体, 利用易变形的残余奥氏体降低压痕的边缘效应,使 起源于压痕边沿的表面疲劳源不易形成和扩展,从 而提高轴承在污染条件下的接触疲劳寿命。一般, 在淬火加热时,通过控制气氛的碳(氮)势,可达 到以上目的。NSK的NSJ2钢【19】及KOYO的SH技 术拉oj正是基于这一理论开发的。 另一类特殊热处理方法是采用基体碳含量较高 (O.4%)的高韧性渗碳钢并配合特殊的渗碳或碳氮 共渗热处理。首先,对渗碳钢的成分进行调整:在 保证韧性的前提下提高基体碳含量以提高基体强 度,同时提高Si、Mn含萤以提高残余奥氏体的稳定 性,加入Mo以细化碳化物、碳氮化物。其次是严格 控制渗碳或碳氮共渗工艺,使零件处理后在其表面 得到较多的残余奥氏体(约30%’--35%)和大量细小 的碳化物、碳氮化物。

  一方面,大龟细小的碳化物、 碳氮化物可保证表卣的硬度和耐磨性使压痕不易形 成;另一方面,即使形成压痕,较多的稳定残余奥 氏体也可降低其边缘效应,阻止疲劳源的形成和扩 展。基于这一理论,NSK、KOYO分别开发了TF系 列技术(HTF、STF、NTF)和KE技术,大大提高 了轴承在污染润滑条件下的寿命。如NSK采用HTF 技术生产的圆锥滚予轴承在污染润滑条件下的疲劳 寿命为普通轴承的lO倍【211。NSK等公司在多种新开 发的轴承产品中使用了特殊热处理技术。

  近年来,洛阳轴承研究所与有关单位合作,开展了高碳铬轴承钢的特殊热处理工艺研究,同时还 独家开展了中碳合金钢特殊热处理工艺的研究。初 步的研究结果表明:通过特殊热处理可以显著通过 接触疲劳寿命。这一工艺将在轴承行业具有重大的推广价值,并将成为我国轴承行业研究和应用的热点技术。

五 结束语

  纵观国内外轴承热处理技术的发展,我国轴承 行业与国外发达国家的热处理技术尚有较大的差距,严重制约着我国轴承质量,尤其是寿命和可靠 性的提高。整个轴承行业应注重热处理基础理论和 新技术的研究,并将研究成果在实际生产中大力推广应用,以尽快提高我国的热处理水平。