我國軸承零件熱處理現(xiàn)狀及對策

1、我國軸承零件熱處理現(xiàn)狀及對策隨著主機(jī)的高速化、輕量化,軸承的工作條件更加苛刻,對軸承的性能要求越來越高,如更小的體積、更輕的質(zhì)量、更大的承載容量、更高的壽命和可靠性等。其中,國產(chǎn)軸承的壽命和可靠性成為近年來越來越突出的問題,開發(fā)熱處理新技術(shù)、提高熱處理質(zhì)量一直是國內(nèi)外軸承生產(chǎn)企業(yè)及相關(guān)企事業(yè)單位關(guān)注的課題。本文對近年來來年熱處理技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期對我國的軸承行業(yè)相關(guān)人員有所借鑒。1. 高碳鉻軸承鋼的退火高碳鉻軸承鋼的理想退火組織是鐵素體基體上分布著細(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。目前,除少數(shù)企業(yè)使用周期式設(shè)備外,普遍使用的是無保護(hù)氣氛的單通道推桿

2、式等溫退火爐。退火的組織和硬度控制已比較成熟可靠,可較容易地把退火組織控制在JB1255標(biāo)準(zhǔn)中的23級或細(xì)點組織。存在的問題是能耗偏高、退火后氧化脫碳嚴(yán)重。近年來,從節(jié)能的角度出發(fā),開發(fā)了油電復(fù)合加熱等溫退火爐、雙室首尾并置(水平或上下的等溫退火爐,節(jié)能效果顯著,應(yīng)大力推廣;同時,隨著毛坯精密成形工藝和設(shè)備的出現(xiàn),開始采用氮基保護(hù)氣氛等溫退火爐,以減少退火過程中的氧化脫碳,降低原材料的消耗和機(jī)加工成本。2. 高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火常規(guī)的高碳鉻軸承鋼馬氏體淬回火工藝的發(fā)展主要分3個方面:一是開展淬回火工藝參數(shù)對組織和性能影響的基礎(chǔ)性研究,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

3、韌性與疲勞性能等;二是淬回火的工藝性能的研究,如淬火條件對尺寸和變形的影響、尺寸穩(wěn)定性等;三是取締氧化或保護(hù)氣氛加熱,推廣可控氣氛加熱。2.1 組織與性能常規(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。軸承鋼淬火后馬氏體基體含碳量為0.55%左右,組織形態(tài)一般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;其亞結(jié)構(gòu)主要為位錯纏結(jié)以及少量的孿晶。隨淬火溫度升高或保溫時間延長,組織形態(tài)逐步由隱晶結(jié)晶細(xì)小針狀過度。一般淬火后的正常組織為隱晶+結(jié)晶+細(xì)小針狀馬氏體的混合物。一旦出現(xiàn)大量明顯的針狀馬氏體,則組織為不合格組織,

4、應(yīng)設(shè)法避免。關(guān)于淬回火對性能的影響,國內(nèi)外也進(jìn)行了大量研究。洛陽軸承研究所在20世紀(jì)80年代開展了“GCr15鋼熱處理工藝的研究”。研究結(jié)果表明:淬火加熱為835865、回火為150180時,能獲得較好的綜力學(xué)性能和接觸疲勞壽命,845淬火時,壓碎載荷最高,疲勞壽命最長;隨回火溫度升高和保溫時間的延長,硬度下降,強(qiáng)度和韌性提高。對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。軸承鋼淬火加熱后在250進(jìn)行短時分級等溫空冷,接著進(jìn)行180回火,或在馬氏體轉(zhuǎn)

5、變溫度等溫(馬氏體等溫淬火,可使淬后的馬氏體中碳濃度分布更為均勻,增加穩(wěn)定的殘余奧氏體量,沖擊韌性比常規(guī)淬回火提高一倍。目前,國外的軸承普遍采用所謂的個性化設(shè)計,即供應(yīng)軸承前對軸承的工況條件進(jìn)行調(diào)查,針對工況開展針對性設(shè)計,對熱處理質(zhì)量也提出針對性的要求,已使軸承壽命最長。國內(nèi)對軸承零件的熱處理要求統(tǒng)一按JB1255控制,相對較為粗獷,非個性化。應(yīng)針對軸承工況細(xì)化要求,并注意內(nèi)外圈與滾動體的硬度匹配。2.2 常規(guī)馬氏體淬火的發(fā)展動向目前,軸承零件的常規(guī)馬氏體淬火多采用鑄鏈爐、網(wǎng)帶爐等連續(xù)淬火設(shè)備,淬火后的組織、硬度等指標(biāo)很容易控制在所期望的范圍內(nèi)。對此類淬火工藝,今后的發(fā)展方向有以下兩方面:淬

6、火加熱設(shè)備基本采用了保護(hù)氣氛或可控氣氛,可以保證不脫碳,或根據(jù)需要進(jìn)行復(fù)碳或滲碳,從而可以大大壓縮熱處理后的加工余量。但加工余量的可壓縮程度往往又受到淬火變形的制約。目前,淬火變形(尤其是畸變成為控制加工余量的主要因素;且對密封防塵軸承的套圈,淬火畸變將影響防塵蓋的壓入,進(jìn)而影響密封性能。因此,減小淬火畸變或?qū)崿F(xiàn)零畸變將是常規(guī)馬氏體淬火需要解決的主要問題。因影響淬火畸變的因素繁多,變形的機(jī)理較為復(fù)雜,所以,每個生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)自身的設(shè)備和產(chǎn)品特點等多方面的因素,從生產(chǎn)實踐中探索出一些控制畸變的、行之有效的措施,如控制工件的擺放、入油方式、淬火油及油溫、攪拌等,實現(xiàn)少、無畸變淬火。我國目前的熱檢標(biāo)

7、準(zhǔn)中,對殘余應(yīng)力和殘余奧氏體沒有評定指標(biāo)限制。大量的研究表明:殘余應(yīng)力影響零件的接觸疲勞性能、韌性和磨削裂紋,適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力可以提高接觸疲勞壽命、防止磨削及安裝裂紋的產(chǎn)生;殘余奧氏體降低尺寸穩(wěn)定性,其影響程度與殘余奧氏體本身的穩(wěn)定性、數(shù)量和存在部位有關(guān)。但適量的殘余奧氏體可以提高斷裂韌性和接觸疲勞性能。多家國外的著名軸承公司已把殘余應(yīng)力和殘余奧氏體列入熱處理控制指標(biāo)。因此,進(jìn)一步開展殘余應(yīng)力和殘余奧氏體對熱處理后性能的影響及其機(jī)理的研究、開展淬回火工藝對殘余應(yīng)力和殘余奧氏體影響的研究,進(jìn)而根據(jù)軸承的工況提出殘余應(yīng)力和殘余奧氏體的控制指標(biāo)等等,將是我國軸承行業(yè)熱處理研究的主要方向之一。3. 貝

8、氏體等溫淬火貝氏體等溫淬火是近年來國內(nèi)軸承行業(yè)研究的熱點。自20世紀(jì)80年代開始,洛陽軸承研究所與重慶軸承廠合作,開始了貝氏體等溫淬火在鐵路軸承上的應(yīng)用研究,隨后與沙河軋機(jī)軸承廠開展了貝氏體等溫淬火在軋機(jī)軸承上的應(yīng)用研究,均取得了良好的效果,并在JB1255-1991中引入貝氏體等溫淬火相關(guān)的推薦性技術(shù)要求。同時,軸承行業(yè)也開始了貝氏體等溫淬火的推廣應(yīng)用研究。借助于國家“八五”重點企業(yè)技術(shù)開發(fā)項目“鐵路客車軸承”,有關(guān)單位對貝氏體等溫淬火的組織與性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,并成功地應(yīng)用于準(zhǔn)高速鐵路軸承的生產(chǎn)中。2001年在修訂JB1255時,正式將貝氏體等溫淬火的技術(shù)內(nèi)容列入標(biāo)準(zhǔn)正式條文。貝氏體

9、淬火工藝在軋機(jī)、機(jī)車、鐵客等軸承上得到較為廣泛的推廣應(yīng)用。貝氏體組織的突出特點是沖擊韌性、斷裂韌性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性好,表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。因此適用于裝配過盈量大、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,潤滑條件不良的礦山運輸機(jī)械或礦山裝卸系統(tǒng)、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼BL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。在鐵路、軋機(jī)軸承生產(chǎn)中,由于套圈尺寸大、重量重,油淬火時馬氏體組織脆性大,為使淬火后獲得高硬度常采取強(qiáng)冷卻措施,結(jié)果導(dǎo)致淬火微裂紋;由于馬氏體淬火后表面為拉應(yīng)力,在磨加工時磨削應(yīng)力的疊加使整體應(yīng)力水平提高,易形成磨削裂紋,造成批量廢品。

10、而貝氏體淬火時,由于貝氏體組織比M組織韌性好得多,同時表面形成高達(dá)-400-500MPa的壓應(yīng)力,極大地減小了淬火裂紋傾向16;在磨加工時表面壓應(yīng)力抵消了部分磨削應(yīng)力,使整體應(yīng)力水平下降,大大減少了磨削裂紋。SKF公司把高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝主要應(yīng)用于鐵路軸承、軋機(jī)軸承以及在特殊工況下使用的軸承,同時開發(fā)了適合于貝氏體淬火的鋼種(SKF24、SKF25、100Mo7。其淬火時采用較長的等溫時間,淬后得到全下貝氏體組織。近來,SKF又研制出一種新鋼種775V,并通過特殊的等溫淬火得到更均勻的下貝氏體,淬后硬度增加的同時其韌性比常規(guī)等溫淬火提高60%,耐磨性提高了3倍,處理的套圈壁厚超過1

11、00mm。部分等溫后得到馬氏體/貝氏體復(fù)合組織的性能尚有爭議， BL 的含 如 量多少為最佳等。即使有一最佳含量，在生產(chǎn)實際中如何控制，且復(fù) 合組織在等溫后還需進(jìn)行一次附加回火，增加了生產(chǎn)成本。另外，就 貝氏體等溫淬火而言，雖然對其工藝、組織、性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的 研究，但在大力推廣此工藝的同時，應(yīng)注意該工藝的限制，并非所有 的軸承零件均適合貝氏體等溫淬火。 還應(yīng)開展貝氏體等溫淬火用鋼的 開發(fā)，進(jìn)一步提高貝氏體等溫淬火后的性能；開展取代硝鹽等溫的熱 處理設(shè)備的研制，減少環(huán)境污染等等。 4. 特殊熱處理 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

12、性能。一類特殊熱處理是通過對高 碳鉻軸承鋼進(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， 在淬火過程中表面后發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成表面壓應(yīng)力， 提高耐磨性及滾動接觸疲勞性能17，18。另一方面，通過一定的方 法使熱處理后的軸承零件中保留一定量穩(wěn)定的殘余奧氏體， 利用易變 形的殘余奧氏體降低壓痕的邊緣效應(yīng)， 使起源于壓痕邊沿的表面疲勞 源不易形成和擴(kuò)展，從而提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命。一 般，在淬火加熱時，通過控制氣氛的碳（氮）勢，可達(dá)到以上目的。 NSK 的 NSJ2 鋼19及 KOYO 的 SH 技術(shù)20正是基于這一理論開發(fā) 的。 另一類特殊熱處理方法是采用基體碳

13、含量較高 （0.4%） 的高韌性滲碳 鋼并配合特殊的滲碳或碳氮共滲熱處理。首先，對滲碳鋼的成分進(jìn)行 調(diào)整：在保證韌性的前提下提高基體碳含量以提高基體強(qiáng)度，同時提 高 Si、 含量以提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性， Mn 加入 Mo 以細(xì)化碳化物、 碳氮化物。其次是嚴(yán)格控制滲碳或碳氮共滲工藝，使零件處理后在其 表面得到較多的殘余奧氏體（約 30%35%）和大量細(xì)小的碳化物、 碳氮化物。一方面，大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物可保證表面的硬度 和耐磨性使壓痕不易形成；另一方面，即使形成壓痕，較多的穩(wěn)定殘 余奧氏體也可降低其邊緣效應(yīng)，阻止疲勞源的形成和擴(kuò)展。基于這一 理論，NSK、KOYO 分別開發(fā)了 TF 系列

14、技術(shù)（HTF、STF、NTF） 和 KE 技術(shù)，大大提高了軸承在污染潤滑條件下的壽命。如 NSK 采 用 HTF 技術(shù)生產(chǎn)的圓錐滾子軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命為普 通軸承的 10 倍21。NSK 等公司在多種新開發(fā)的軸承產(chǎn)品中使用了 特殊熱處理技術(shù)。 近年來，洛陽軸承研究所與有關(guān)單位合作，開展了高碳鉻軸承鋼的特 殊熱處理工藝研究， 同時還獨家開展了中碳合金鋼特殊熱處理工藝的 研究。初步的研究結(jié)果表明：通過特殊熱處理可以顯著通過接觸疲勞 壽命。這一工藝將在軸承行業(yè)具有重大的推廣價值，并將成為我國軸 承行業(yè)研究和應(yīng)用的熱點技術(shù)。 5. 表面改性技術(shù) 5.1 離子注入 美國海軍實驗室從 1979

15、 年起進(jìn)行了軸承零件離子注入的研究， 英國、 丹麥和葡萄牙等國從 1989 年開始進(jìn)行與美國海軍實驗室類似的工 作。結(jié)果表明：注入鉻離子能顯著提高 M50 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提高儀表軸承的 抗磨損能力；對軸承鋼 52100 進(jìn)行氮等離子源離子注入（PS）后在 表面形成薄層氮化物，可提高軸承鋼的耐蝕性，用于代替昂貴的不銹 鋼；對 SUS440C 不銹鋼球軸承進(jìn)行氮、硼離子注入可減小球軸承微 小擺動的微振磨損及軸承的灰塵排放，另外，對不銹鋼進(jìn)行（Ti+N） 或（Ta+N）等離子體浸沒離子注入（PS）可顯著提高其顯微硬度、 耐磨性和壽命。 我國軸承

16、行業(yè)從 20 世紀(jì) 80 年代開始離子注入在軸承上的應(yīng)用研究， 并成功應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，取得了良好的效果。 5.2 表面涂覆 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） 、化學(xué)鍍 等。PVD 與 CVD 相比，其工藝過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、 TiAlN 硬膜或 MoS2 類軟膜等后，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲 勞抗力，降低表面摩擦系數(shù)。 SKF 公司近年來開發(fā)了兩種涂鍍技術(shù)：一是采用 PVD 在軸承套圈及 滾 動 體 表 面 鍍 硬 度 極 高 的 金 剛 石 結(jié) 構(gòu) 的 碳 （Diamond-Like Carbon, DLC） 表面硬度比淬硬軸承鋼高 40%80%、 ， 摩擦系數(shù)類似于 PTFE 或 MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結(jié)合良 好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正 常工作，被稱為“No Wear bearing”； 二是采用 PSC 在軸承的外圈外