轴承套圈冷处理工艺.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 化物的尺寸细小 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 2 m 碳 化物小于 0 2 m 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 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 2 3 马氏体淬回火的变形及尺寸的稳定性 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 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 L 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 点及以下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 碳从马氏体晶格中迁移形成 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 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 200 以上 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 下 甚至在室温下 也可发生分解 导致零件尺寸变化 因此 在实际使用中 所有的轴承 零件的回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 并采用较高的回火温度 套圈冷处理 1 冷处理的作用 精密轴承对尺寸稳定性要求较高 套圈淬火 尤其是分级淬火 后 内部组织仍保留较 多的残余奥氏体 这种残余奥氏体是不稳定的组织 在储存和使用轴承过程中 会不断地发 生变化 从而改变轴承的精度 为此采用冷处理工艺 它能减少组织中的残余奥氏体 稍微 提高零件的硬度 2 冷处理工艺 淬火后在室温停留 淬火后 一定要使套圈内外均匀冷至室温后进行冷处理 否则容易 开裂 冷至室温后马上冷处理 一般不超过 30min 否则会中止奥氏体向马氏体的转变 冷处理温度 冷处理的温度主要根据钢的马氏体转变终止温度 Mf 另外还要考虑冷处 理对机械性能的影响及工艺性等因素 对于 GCr15 钢 冷处理选用 70 精度要求不甚高的套圈或设备有限制时 冷处理温 度可选为 40 70 超精密轴承 可在 70 80 之间进行冷处理 过冷的温度影响轴 承冲击疲劳和接触寿命 冷处理保温 虽然大量马氏体的转变是在冷到一定温度傾刻间完成的 但为使一批套圈 表面与心部都均匀达到冷处理温度 需要一定的保温时间 一般为 1 1 5h 冷处理后的回火 套圈冷处理后放在空气中 其温度缓慢升至室温后及时进行回火 温升 不能太快 否则容易开裂 回火及时 否则套圈内部较大的残余应力会导致套圈开裂 一般 不超过 2h 正火 1 正火的目的 1 调整钢的硬度 有些轴承产品要求抗回火性能好 既淬火后经 200 250 回火仍 要有较高的硬度 可采用正火后退火 得到极细的珠光体组织 2 消除网状碳化物及线条状组织 当钢停锻温度过高 冷却过慢而使碳化物沿奥氏 体晶解析出网状碳化物 当钢终锻温度太低 晶粒沿变形方向被拉长而出现线条状组织 这 组织在退火过程中不能完全消除 从而降低轴承的疲劳强度的冲击韧性 3 返修退火的不合格品 退火过热产生的粗大珠光体 需经过正火 再进行第二次 退火 2 正火工艺 正火工艺主要是选择加热温度与冷却方式 取决于正火的目的 正火前纤维组织中碳化 物的形态以及套圈的形状与壁厚 正火保温时间一般为 30 50min 冷却速度不应小于 50 min 防止碳化物网的析出 对于薄壁件 散开冷却或吹风冷却 对于较厚零件 应采用 喷雾 油冷或乳化液中冷却 油冷中一般冷至零件表面 300 左右取出 待表面油燃烧后再 次放入油中冷却到表面温度不低于 250 为止 正火后应立即回火或先进行 400 450 的消 除应力回火 以免产生裂纹 冷却中乳化液一般控制在 70 100 采用循环冷却方式 工 件冷却至 550 650 后取出空冷 加工方法 1 集中工序的特点 1 一次装夹循环中能完成大部分或全部车削工序 减少了套圈装夹定位误差和装夹 定位辅助时间 提高了套圈各表面间的位置和尺寸精度 提高了生产率 若是成批生产的中 小型套圈在多轴自动车床上一次可车出 2 3 个 2 缩短了工艺流程 减少了中间贮存 装卸 运输环节 便于生产管理 减少了机 床设备和工具量 3 有利于实现自动化和大批量生产 缩短了生产周期 降低了生产成本 但同时对车床 刀具 夹具和辅助工具等工艺装备和工件毛坯均有较高的要求 例如要 求毛坯留量少且尺寸有较高精度 对金相组织和硬度等表面质量也要求较严格 要求车床有 较大的功率 刚性和较高的加工精度及自动化程度 常采用多刀 多工步 多工位的多轴半 自动机和自动机床 一般对大批量生产宜采用多轴自动机床 对中 小批量和加工型号多变 的宜采用多刀半自动车床 工艺装备的种类和数量多 专用性强 更换型号麻烦 调整困难 且费时 工人的技术水平要求较高 需要合理的生产组织管理 2 分散工序法的特点 1 适合于中 小批及单件生产 容易组织生产 车床 工夹具简单经济 便于更换 轴承型号 成本低 若单机连成自动线 亦适合大批量生产 2 可以采用刚性好 功率大的高效专用车床来加工 便于选取最佳的工艺参数 可 用高速大走刀切削 提高了加工效率 3 对单机可以实现自动上下料 自动走刀和自动测量 机床容易操作 对工人要求 技术不高 4 对套圈毛坯要求不高 各类形式 大小 精度批量不一的毛坯都能适应 但