軸承鋼熱處理工藝及其發(fā)展

軸承鋼熱處理

軸承鋼熱處理工藝預(yù)先熱處理和最終熱處理兩個(gè)主要環(huán)節(jié)。GCr15鋼是軸承鋼應(yīng)用最廣泛的一種，合金含量較少且性能良好的高碳鉻軸承鋼。GCr15軸承鋼經(jīng)過(guò)熱處理后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。

1) 預(yù)先熱處理包含正火和球化退火兩個(gè)步驟

①正火：高碳鉻軸承鋼正火工藝當(dāng)工件透熱后保溫40～60min，冷卻需要較快，正火之后立即轉(zhuǎn)為球化退火。

②球化退火：GCr15鉻軸承鋼常采用等溫球化退火工藝，790℃被認(rèn)為是最佳的球化加熱溫度。退火前需加熱到900～920℃，保溫2/3～1h后正火。保溫時(shí)間隨工件大小、加熱爐的均勻性、裝爐方法及裝爐量、退火前的原始組織均勻性而定。低溫球化退火主要適用于冷沖球、冷擠壓套圈的再結(jié)晶退火。普通球化退火、等溫球化退火主要適用于鍛造套圈、熱沖球以及橫鍛球的退火。鉻軸承鋼球化退火工藝。

2) 最終熱處理

①軸承零件：一般采用淬火和低溫回火，其目的是提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性與抗疲勞性能。GCr15鋼淬火溫度在820～860℃，油淬臨界直徑為25mm。一般采用油冷淬火。加熱保溫時(shí)間比合金工具鋼長(zhǎng)，鹽浴加熱系數(shù)取值0.8～1.5min/mm?？諝鉅t加熱系數(shù)1.5～2min/mm。160℃±10℃的低溫回火，回火時(shí)間一般為2～4h。精密軸承零件為穩(wěn)定尺寸，淬火后應(yīng)進(jìn)行-60～80℃冷處理，保溫時(shí)間為2～4h，冷處理后零件恢復(fù)到室溫，在4h內(nèi)進(jìn)行回火，以防止零件開(kāi)裂。低溫回火時(shí)未能完全消除的殘留應(yīng)力在磨削加工后會(huì)重新分布。這兩種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件尺寸發(fā)生變化，甚至?xí)a(chǎn)生龜裂。為此，應(yīng)再進(jìn)行一次補(bǔ)充回火，回火溫度為120～160℃，保溫5～10h或更長(zhǎng)。

②工模具GCr15熱處理：由于此鋼容易產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷，大型工模具熱處理容易開(kāi)裂，采用緩慢加熱或690℃長(zhǎng)時(shí)間（大于5h）分段等溫可以降低開(kāi)裂概率，奧氏體化溫度選擇810℃±10℃，保溫系數(shù)a=1.6～0.9min/mm。大于60mm直徑的工件需要水油雙液淬火。

軸承鋼熱處理工藝發(fā)展

可通過(guò)看純凈度辨別軸承鋼質(zhì)量的優(yōu)劣，即鋼中夾雜物的含量，軸承鋼的均勻性和鋼材的表面質(zhì)量，包括尺寸精度和表面裂紋等。純凈度和均勻性的問(wèn)題主要在冶煉階段解決，而鋼材的表面質(zhì)量與熱處理工藝息息相關(guān)。熱處理是實(shí)現(xiàn)各種軸承滿(mǎn)足性能和壽命要求最主要的工序。軸承零件熱處理質(zhì)量的好壞直接影響著后續(xù)的加工的質(zhì)量并最終影響到軸承產(chǎn)品的精度、壽命等。長(zhǎng)期以來(lái)，軸承熱處理采用馬氏體淬回火工藝。但近幾年，國(guó)內(nèi)外高碳鉻軸承鋼的滲碳或碳氮共滲、離子注入、低溫離子滲硫、感應(yīng)加熱表面淬火和表面涂覆等熱處理新工藝技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展與應(yīng)用。

連續(xù)式球化退火

軸承的熱處理包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，預(yù)處理是球化退火，終處理是淬火和低溫回火。關(guān)于提高球化退火質(zhì)量，獲得細(xì)小、均勻、球狀碳化物以及縮短退火時(shí)間或取消球化退火工序的研究有了新進(jìn)展，即盤(pán)條生產(chǎn)采用兩次改善組織退火，將拉拔后的720℃～730℃再結(jié)晶退火改為760℃的改善組織退火。這樣可以得到硬度低、球化好、無(wú)網(wǎng)狀碳化物的組織，工藝的關(guān)鍵是要保證中間拉拔減面率≥14%。該工藝可使熱處理爐的效率提高25%～30%。連續(xù)式球化退火熱處理技術(shù)是軸承鋼熱處理的發(fā)展方向。

貝氏體等溫淬火

高碳鉻軸承鋼經(jīng)下貝氏體淬火后，其組織由下貝氏體、馬氏體和殘余碳化物組成。高碳鉻軸承鋼下貝氏體組織能提高鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率，與淬回火馬氏體組織相比，具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性和尺寸穩(wěn)定性，表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力。該類(lèi)軸承鋼適用于裝配過(guò)盈量大、服役條件差的軸承，如承受大沖擊負(fù)荷的鐵路、軋機(jī)、起重機(jī)等軸承，潤(rùn)滑條件不良的礦山運(yùn)輸機(jī)械或礦山裝卸系統(tǒng)、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝已在鐵路、軋機(jī)軸承上得到成功應(yīng)用，取得了較好效果。

高碳鉻軸承鋼的滲碳或碳氮共滲工藝

高碳鉻軸承鋼一般是整體淬硬，淬后的殘余應(yīng)力為表面拉應(yīng)力狀態(tài)，易造成淬火裂紋、降低軸承的使用性能。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點(diǎn)，在淬火過(guò)程中表面層發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成表面壓應(yīng)力，可提高耐磨性和滾動(dòng)接觸疲勞性能。

離子注入工藝

離子注入用于材料表面改性是近20年的事，它可以提高基材的摩擦、磨損、腐蝕和其它化學(xué)性能，是一項(xiàng)很有實(shí)際意義的材料表面改性新技術(shù)。國(guó)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn)。研究結(jié)果表明：注入鉻離子能顯著提高M(jìn)50鋼的抗腐蝕性能，而且抗接觸疲勞性能也有所提高；此外還用注人硼離子來(lái)提高儀表軸承的抗磨損能力；Ti注入到52100軸承鋼時(shí)其表面形成Ti-C-Fe非晶表面，顯著改善其抗蝕性能。

低溫離子滲硫工藝

低溫離子滲硫工藝是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的表面改性技術(shù)。其基本原理與離子滲氮相似。在一定的真空度下，利用高壓直流電使含硫氣體電離，生成的硫離子轟擊工件表面，在工件表面與鐵反應(yīng)生成以FeS為主的10μm左右厚的硫化物層。硫化物是良好的固體潤(rùn)滑劑，有效地降低鋼件接觸表面的摩擦系數(shù)，且隨載荷增大，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，因此可以大大提高重載下軸承的耐磨性，軸承的壽命可提高3倍左右。

感應(yīng)加熱表面淬火工藝

感應(yīng)加熱表面淬火的主要應(yīng)用場(chǎng)合分兩類(lèi)：一是鐵路軸承的表面感應(yīng)加熱淬火，采用新材料ⅢX4鋼制的套圈經(jīng)感應(yīng)加熱淬火后，表面為硬而耐磨的馬氏體組織，心部為韌性較好的索氏體、屈氏體，表面為高達(dá)500MPa的壓應(yīng)力，其使用壽命比ⅢX15Cr制軸承高1倍，并且完全消除了套圈使用時(shí)突然脆斷的現(xiàn)象，提高了軸承的可靠性，性能與低碳鋼滲碳淬火相似，但成本遠(yuǎn)低于后者；感應(yīng)加熱表面淬火的另一應(yīng)用是特大型軸承的熱處理，減少大型軸承套圈的淬火變形和硬度不均勻性，同時(shí)節(jié)省設(shè)備的投資費(fèi)用。

激光高能束表面熱處理

激光高能束表面熱處理是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新的熱處理方法，通過(guò)激光加熱可獲得0.25～2.0mm的硬化層，與其他表面硬化方法相比，具有硬化層深度和位置控制精確、無(wú)變形等優(yōu)點(diǎn)。高碳鉻軸承鋼零件經(jīng)表面激光硬化后淬硬層的馬氏體極細(xì)小、碳化物分布更均勻、殘余奧氏體極少，比一般淬回火具有更高硬度和滑動(dòng)耐磨性。另外，激光等高能束還可作為表面涂覆工藝的熱源，一次可完成表面淬火和涂覆過(guò)程，尤其是近年來(lái)納米技術(shù)的發(fā)展，這一復(fù)合工藝過(guò)程在精密軸承零件的表面處理中將有廣闊的應(yīng)用前景。

表面涂覆工藝

表面涂覆技術(shù)包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（Plasma Spraying Coating，PSC）和化學(xué)鍍等。PVD與CVD相比，其工藝過(guò)程中被處理工件的溫生低，鍍后不需再進(jìn)行熱處理，在軸承零件的表面處理中得到較廣泛的應(yīng)用。100Cr6、440C等鋼制軸承零件經(jīng)PVD、CVD或RF鍍TiC、TiN、TiA1N等后，可提高軸承零件的耐磨性和接觸疲勞抗力，降低表面摩擦系數(shù)。