慈溪市飛捷軸承有限公司
電話(huà)：0574-63750919 / 63753858
郵箱：sales@radbearings.com
一, 熱處理技術(shù)發(fā)展概況
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(hù)和污染大戶(hù)。近年來(lái)，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）：熱處理: 熱處理過(guò)程中所形成的廢水、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(wèn)題，實(shí)行清潔熱處理（或稱(chēng)綠色環(huán)保熱處 理）是發(fā)達(dá)國(guó)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(lái)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?gòu)U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?。ɑ? 為零）及熱處理畸變?yōu)榱恪?
（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(zhuān)業(yè)熱處理廠以保證滿(mǎn)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(zhǎng)、耗能大的工藝等。
（4）：無(wú)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? 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。
二, 滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)
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(guò)去的 30 來(lái)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(kāi)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(zhǎng)（20h 以上），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(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，開(kāi)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(guò)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(lái)，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(kāi)展淬回火工藝參數(shù)對(duì)組織和性能的影響， 如淬回火過(guò)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；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。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(lèi)：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(lèi)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(chēng)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(zhǎng)時(shí)相互撞擊處帶有顯微裂紋。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(guò)高則因淬后殘余奧氏體過(guò)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(guò)程中），其失穩(wěn)發(fā)生分解為馬氏 體或貝氏體。分解帶來(lái)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。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(lái)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。
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(zhǎng)，硬度下 降，強(qiáng)度和韌性提高。可根據(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(guò)程中的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究， 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(guò)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 2μ m、碳化物小于 0.2μ m）， 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)。
2.3 馬氏體淬回火的變形及尺寸的穩(wěn)定性.馬氏體淬回火 過(guò)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(wèn)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(chē)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(guó)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。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(guò)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??；內(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：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(guò)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。