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國外機(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研發(fā)中的應(yīng)用(下)等離子切割設(shè)備選型國內(nèi)民企首臺(tái)百噸級(jí)減速機(jī)在常問世高精度齒輪滾刀漸開線中凹齒形型線設(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)能源消耗大戶污染大戶近年來科學(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)的能源消耗大戶和污染大戶。近年來，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)境污染問題，實(shí)行清潔熱處理(或稱綠色環(huán)保熱處理)是發(fā)達(dá)國家熱處理技術(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廢鹽及含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、耗能大的工藝等。
(4)少無氧化熱處理
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?，熱處理后零件的性能得到提高，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。軸承熱處理在過去的20來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(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)過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，開發(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，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：一方面是開展淬回火工藝參數(shù)對(duì)組織和性能的影響，如淬回火過程中的組織轉(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：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，但奧氏體化溫度過高則因淬后殘余奧氏體過多而導(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)效或零件的使用過程中)，其失穩(wěn)發(fā)生分解為馬氏體或貝氏體。分解帶來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，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?。粌?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。
