轴承钢淬火.doc

国内铁路轴承等温淬火现状3.1.材料GCr15 GCr18Mo （SKF24） 0.901.05%C、1.651.95%Cr、0.150.25%Mo、0.200.40%Mn3.2.HT工艺2302403.5h 100BL 等温淬火未采用BLM原因：k、防止套圈脆断 表层压应力 防止过盈装配崩裂 淬火变形 工艺简单（不回火）3.3.设备 自动生产线 转底、推盘、输送带式周期式 淬火冷却槽等温槽清洗槽硝盐等温（50KNO350NaNo3少量水）清洗 6080 水3.3.1.南京浦镇车辆厂 B等温淬火生产线X1轴承套圈 GCr18Mo奥地利 爱协林 同一工件 硬度 1HRC 同一批工件 硬度 2HRC6061.5HRC 2352405h HRC1组织：BLM 变形：涨大量稳定、椭圆变形3.3.2.瓦房店轴承集团 B等温淬火生产线NJP3226X轴承外圈 GCr18Mo北京 爱协林 REDS270CN 转底式工艺流程：上料台上料保护气氛转底炉加热淬火槽升降送料机械手淬火平台淬火槽淬火等温槽升降送料机械手等温淬火槽风冷却台风冷热水浸洗漂洗烘干机卸料台卸料工艺曲线：材料：GCr18Mo HRC6060.5 金相组织 3级3.3.3.宁波华海轴承 B等温淬火简易生产线轴承：FC202870、6488240 轧机轴承HRC59.561 变形：FC405819 椭圆度 0.060.20mm 径向涨大 0.550.70mm 高度涨大 0.150.20mm M轴承4.1.影响轴承寿命的因素及其控制影响轴承寿命的材料因素滚动轴承的早期失效形式，主要有：破裂、塑性变形、磨损、腐蚀、疲劳在正常条件下主要是接触疲劳主要内在影响因素：硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀性、内应力状态（服役条件之外）4.1.1. 淬火钢中的马氏体高碳铬钢原始组织：粒状珠光体淬火低温回火：淬火马氏体 M中含碳量，明显影响钢的力学性能GCr15钢淬火M含碳量为0.50.56 可获得抗失效能力最强的综合力学性能。M：隐晶马氏体，测得的含碳量是平均含碳量。4.1.2. 淬火钢中的残留奥氏体高碳铬钢经正常淬火后，可含有820Ar（残留奥氏体）。轴承零件中的Ar有利也有弊，Ar含量应适当。Ar 硬度、接触疲劳寿命均随之而增加，达到峰值后又随之而降低Ar的有利作用必须是在Ar稳定状态之下，如果自发转变为马氏体，将使钢的韧性急剧降低而脆化。轴承受载较小时：Ar发生少量变形，既消减了应力峰，又使已变形的Ar加工强化和发生应力应变诱发马氏体相变而强化，Ar量增多对接触疲劳寿命的影响减小轴承受载较大时：Ar较大的塑性变形与基体会局部产生应力集中而破裂，从而使寿命降低4.1.3.淬火钢中的未溶碳化物淬火钢中未溶碳化物的数量、形貌、大小、分布受钢的化学成分和淬火前原始组织的影响受奥氏体化条件的影响。承载时（特别是碳化物呈非球形）与基体引起应力集中而产生裂纹，从而会降低韧性和疲劳抗力。淬火未溶碳化物影响钢的性能影响淬火马氏体的含碳量和Ar含量及分布，从而对钢的性能产生附加影响。淬火未溶碳化物过多对钢的综合力学性能和失效抗力是有害的。轴承钢淬火后有少量未溶碳化物是必要的 耐磨性 获得细晶粒隐晶马氏体要求未溶碳化物少（数量少）、小（尺寸小）、匀（大小彼此相差很小，而且分布均匀）、圆（每粒碳化物皆呈球形）。适当降低轴承钢的含碳量是提高制件使用寿命的途径之一。4.1.4.淬火回火后的残留应力轴承零件经淬火低温回火后，仍具有较大的内应力。表面残留压应力的增大，疲劳强度随之增高（过大的残留应力可能引起零件的变形）表面残留内应力为拉应力时，则使疲劳强度降低。4.1.5.钢的杂质含量杂质：非金属夹杂物 有害元素（酸溶）如氧含量越高，氧化物夹杂物就越多钢中杂质对力学性能和制件抗失效能力的影响与杂质的类型、性质、数量、大小及形状有关通常都有降低韧性、塑性和疲劳寿命的作用对于在高应力下工作的轴承零件，必须降低制造用钢的含氧量例外：钢中的MnS夹杂物因形状呈椭球状能够包裹危害较大的氧化物夹杂对疲劳寿命降低影响较小甚至还可能有益。4.2.影响轴承寿命的材料因素的控制4.2.1. 淬火前钢的原始组织的控制高温（1050）奥氏体化速冷至630等温正火获得伪共析细珠光体组织冷至420等温处理，获得贝氏体组织。采用锻轧余热快速退火，获得细粒状珠光体组织，以保证钢中的碳化物细小和均匀分布。这种状态的原始组织在淬火加热奥氏体化时除了溶入奥氏体中的碳化物外，未溶碳化物将聚集成细粒状。4.2.2. 淬火马氏体的含碳量（即淬火加热后的奥氏体含碳量）淬火加热温度（时间一定），钢中未溶碳化物数量减少（淬火马氏体含碳量增高）残留奥氏体数量硬度则先随着淬火温度的增高而增加，达到峰值后又随着温度的升高而降低当淬火加热温度一定时，随着奥氏体化时间的延长未溶碳化物的数量减少残留奥氏体数量增多硬度增高 时间较长时，这种趋势减缓 原始组织中碳化物细小硬度峰移向较低温度最佳组织组成 GCrl5钢淬火后未溶碳化物 7具有细小弥散分布碳化物的原始组织，淬火加热保温时，未溶的细小碳化物会聚集长大，使其粗化。因此，对于具有这种的原始组织轴承零件淬火加热时间不宜过长，采用快速加热奥氏体化淬火工艺，将可获得更高的综合力学性能。 残留奥氏体 9隐晶马氏体平均含碳量 0554.2.3. 残留压应力 在淬火加热时通入渗碳或渗氮的气氛，进行短时间的表面渗碳或渗氮GCrl5钢淬火加热时奥氏体实际含碳量不高 远低于相图上示出的平衡浓度，因此可以吸碳（或氮）当奥氏体含有较高的碳或氮后，其Ms降低淬火时表层较内层和心部后发生马氏体转变，产生了较大的残留压应力。GCrl5钢以渗碳气氛和非渗碳气氛加热淬火处理后，表面渗碳的寿命比未渗碳的提高其原因就是渗碳的零件表面具有较大的残留压应力。国外机械行业的轴承热处理（淬火）方法热处理质量好坏直接关系着后续的加工质量以致最终影响零件的使用性能及寿命，同时热处理又是机械行业的能源消耗大户和污染大户。近年来，随着科学技术的进步及其在热处理方面的应用，热处理技术的发展主要体现在以下几个方面：5.1.清洁热处理 绿色环保热处理热处理生产形成的废水、废气、废盐、粉尘、噪声及电磁辐射等均会对环境造成污染。解决热处理的环境污染问题，采用天然气燃料，使用气体渗碳、碳氮共渗及真空热处理技术替代盐浴处理以减少废盐及含CN-有毒物对水源的污染；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矿物油以减少油污染。5.2.精密热处理精密热处理有两方面的含义：一方面是根据零件的使用要求、材料、结构尺寸，利用物理冶金知识及先进的计算机模拟和检测技术，优化工艺参数，达到所需的性能或最大限度地发挥材料的潜力；另一方面是充分保证优化工艺的稳定性，实现产品质量分散度很小（或为零）及热处理畸变为零。5.3.节能热处理选择一次能源；充分利用废热、余热；采用耗能低、周期短的工艺代替周期长、耗能大的工艺等。5.4.少无氧化热处理采用保护气氛加热替代氧化气氛加热到精确控制碳势、氮势的可控气氛加热。热处理后零件的性能得到提高，热处理缺陷如脱碳、裂纹等大大减少，热处理后的精加工留量减少，提高了材料的利用率和机加工效率。真空加热气淬、真空或低压渗碳、渗氮、氮碳共渗及渗硼等可明显改善质量、减少畸变、提高寿命。5.5.常规轴承热处理工艺5.5.1.高碳铬轴承钢的退火 等温球化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780810）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（690720）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1218h）, 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。5.5.2. 高碳铬轴承钢的马氏体淬回火常规马氏体淬回火的组织与性能组织：马氏体、残余奥氏体、未溶（残留）碳化物 组成马氏体的组织形态：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。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。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615%。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。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。 常规马氏体淬回火工艺 加热到830860保温后，在油中进行淬火，低温回火GCr15钢制轴承：150180GCr15SiMn钢制轴承件：17019050-78的冷处理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。马氏体淬回火的变形及尺寸稳定性零件的形状与尺寸、原始组织的均匀性、淬火前的粗加工状态、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。控制变形的措施：采用旋转淬火、压模淬火、控制零件的入油方式等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。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。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。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，套圈的椭圆变形减小；内圈因刚度较大，其变形小于外圈。5.5.3.贝氏体等温淬火 扩大了GCr15钢应用范围，一般地GCr15钢M淬火时套圈有效壁厚在12mm以下，但BL淬火时由于硝盐冷却能力强，若采用搅拌、串动、加水等措施，套圈有效壁厚可扩大至28mm左右。 硬度稳定、均匀性好:由于BL转变是一个缓慢过程，一般GCr15钢需4h，GCr18Mo钢需5h，套圈在硝盐中长时间等温，表面心部组织转变几乎同时进行，因此硬度稳定、均匀性好，一般GCr15钢BL淬火后硬度在5961HRC,均匀性1HRC。 减少淬火、磨削裂纹 在铁路、轧机轴承生产中，由于套圈尺寸大、重量重，油淬火时M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M淬火后表面为拉应力，在磨加工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BL淬火时，由于BL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19；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。轴承使用寿命提高 对于承受大冲击载荷的铁路、轧机轴承等，经M淬火后使用时主要失效形式为：装配时内套开裂，使用过程中受冲击外圈挡