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國外機(jī)械行業(yè)的軸承熱處理方法(中)摘要：佳能研制出可迅速顯示圖像傳感器高精度公差的磨削加工工業(yè)機(jī)器人在機(jī)床上應(yīng)用前景廣闊UG/Fixed-AxisMilling固定軸-銑削常用軋機(jī)軸承的配置型式 艾默生力推兩款工控新品SK和EC10亮相上海推廣會完成復(fù)雜鈑金件的最佳組合機(jī)床虛擬柔性制造系統(tǒng)仿真研究變頻器在車床主軸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用哈爾濱電站設(shè)備集團(tuán)公司造出國內(nèi)首批重型燃?xì)廨啓C(jī)市場需求旺盛行業(yè)整頓先行機(jī)床業(yè)面臨拐點(diǎn)軸類零件5的數(shù)控車床加工源程序可高效切削加工大型卡車發(fā)動機(jī)的臥式加工中心數(shù)控銑床與銑削加工雙螺桿泵的選型要點(diǎn)鎂合金TIG焊工藝鶴山機(jī)械化插秧實(shí)現(xiàn)零突破線切割加工中電極絲的選用[很全]Iscar高效銑刀NTN開發(fā)機(jī)床用超高速精密軸承處理方法行業(yè)機(jī)械國外軸承表面提高組織工藝
3.貝氏體等溫淬火
3.1貝氏體淬火的組織與力學(xué)性能
高碳鉻軸承鋼經(jīng)下貝氏體淬火后，其組織由下貝氏體、馬氏體和殘余碳化物組成。其中貝氏體為不規(guī)則相交的條片，條片為碳過飽和的α結(jié)構(gòu)，其上分布著與片的長軸成55~60°的粒狀或短桿狀的碳化物，空間形態(tài)為凸透鏡狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)纏結(jié)，未發(fā)現(xiàn)有孿晶亞結(jié)構(gòu)。貝氏體的數(shù)量及形態(tài)因工藝條件不同而各異。隨淬火溫度的升高，貝氏體條變長；等溫溫度升高，貝氏體條變寬，碳化物顆粒變大，且貝氏體條之間的相交的角度變小，逐趨向于平行排列，形成類似與上貝氏體的結(jié)構(gòu)；貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)與等溫轉(zhuǎn)變時(shí)間有關(guān)的過程，等溫淬火后的貝氏體量隨等溫時(shí)間的延長而增加[5,19]?！ ?/p>
高碳鉻軸承鋼下貝氏體組織能提高鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率，與淬回火馬氏體組織相比，具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性及尺寸穩(wěn)定性，表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力?！ ?/p>
高的門坎值ΔKth和低的裂紋擴(kuò)展速度da/dN則代表貝氏體組織不易萌生裂紋，已有的裂紋或新萌生的裂紋也不易擴(kuò)展[2,19,20]。一般認(rèn)為,全貝氏體或馬/貝復(fù)合組織的耐磨性和接觸疲勞性能低于淬火低溫回火馬氏體，與相近溫度回火的馬氏體組織的耐磨性和接觸疲勞性能相近或略高。但潤滑不良條件下(如煤漿或水這類介質(zhì))，全BL組織呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，具有比低溫回火的M組織還要高的接觸疲勞壽命，如水潤滑時(shí)全BL組織的L10=168h，回火M組織的L10=52h[21]?！ ?/p>
3.2生產(chǎn)應(yīng)用
3.2.5應(yīng)用效果
BL組織的突出特點(diǎn)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(yùn)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?！ ?/p>
(1)擴(kuò)大了GCr15鋼應(yīng)用范圍，一般地GCr15鋼M淬火時(shí)套圈有效壁厚在12mm以下，但BL淬火時(shí)由于硝鹽冷卻能力強(qiáng)，若采用攪拌、串動、加水等措施，套圈有效壁厚可擴(kuò)大至28mm左右。
(2)硬度穩(wěn)定、均勻性好:由于BL轉(zhuǎn)變是一個(gè)緩慢過程，一般GCr15鋼需4h，GCr18Mo鋼需5h，套圈在硝鹽中長時(shí)間等溫，表面心部組織轉(zhuǎn)變幾乎同時(shí)進(jìn)行，因此硬度穩(wěn)定、均勻性好，一般GCr15鋼BL淬火后硬度在59～61HRC,均勻性≤1HRC，不象M淬火時(shí)套圈壁厚稍大一些就出現(xiàn)硬度低、軟點(diǎn)、均勻性差等問題。
(3)減少淬火、磨削裂紋: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(shí)M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M淬火后表面為拉應(yīng)力，在磨加工時(shí)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。而BL淬火時(shí)，由于BL組織比M組織韌性好得多，同時(shí)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[19]；在磨加工時(shí)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?！ ?/p>
(4)軸承使用壽命提高:對于承受大沖擊載荷的鐵路、軋機(jī)軸承等，經(jīng)M淬火后使用時(shí)主要失效形式為：裝配時(shí)內(nèi)套開裂，使用過程中受沖擊外圈擋邊掉塊、內(nèi)圈碎裂，而等溫淬火軸承由于沖擊韌性好、表面壓應(yīng)力，無論裝配時(shí)內(nèi)套開裂，還是使用過程中外套擋邊掉塊、內(nèi)套碎裂傾向性大大減小，且可降低滾子的邊緣應(yīng)力集中。因此，經(jīng)等溫淬火后比M淬火后平均壽命及可靠性提高?！ ?/p>
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(shí)開發(fā)了適合于貝氏體淬火的鋼種(SKF24、SKF25、100Mo7)[19]。其淬火時(shí)采用較長的等溫時(shí)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[22]，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(shí)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100mm。部分等溫后得到M/BL復(fù)合組織的性能尚有爭議，如BL的含量多少為最佳等。即使有一最佳含量，在生產(chǎn)實(shí)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。FAG公司主要采用貝氏體分級淬火工藝，其具體的工藝狀況不詳?！ ?滲碳、滲氮及碳氮共滲
4.1低碳鋼滲碳、滲氮及碳氮共滲
滲碳是傳統(tǒng)的表面化學(xué)熱處理工藝，滲碳鋼(低碳低合金鋼、低碳高合金高溫滲碳鋼)經(jīng)滲碳淬火后表面高硬耐磨、心部強(qiáng)韌。滲碳工藝發(fā)展一方面是滲碳介質(zhì)的改進(jìn)，如加入增加滲速的添加劑，采用強(qiáng)滲--擴(kuò)散的交替循環(huán)工藝提高滲速、改善滲層組織等。
隨著真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空低壓滲碳及等離子滲碳。易普森等公司[23]開發(fā)的乙炔低壓滲碳工藝是在10mbar以下的低壓下，以乙炔為滲碳介質(zhì)在真空爐內(nèi)進(jìn)行。其特點(diǎn)是滲速快、滲層均勻、碳黑少、滲后工件光亮；另外，對滲層要求較薄的沖壓滾針軸承類零件碳氮共滲或滲碳而言，滲層深度、成分的控制及如何提高滲速更是一大難題，采用真空低壓滲碳技術(shù)將有利用解決這些問題?！ ?/p>
對高合金滲碳鋼進(jìn)行等離子滲碳可提高滲速、減少表面粗大碳化物的形成[24]。對低碳鋼制滾針軸承內(nèi)外圈及保持架采用滲氮或碳氮共滲，可提高其耐磨性及耐蝕性、降低摩擦系數(shù)?！ ?/p>
4.2高碳鉻軸承鋼的滲碳或碳氮共滲
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、降低軸承的使用性能。通過對其進(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(diǎn)，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[25，26]。最近的研究還表明：高碳鉻軸承鋼經(jīng)滲碳或碳氮共滲后還可提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命[25~27]。一般，在淬火加熱時(shí)，通過控制氣氛的碳(氮)勢，可達(dá)到以上目的。但如果對高碳鉻軸承鋼進(jìn)行超常滲碳(碳勢％26gt;2％)，則必須加大加工余量，去除滲碳淬火后表層的粗大碳化物?！ ?/p>
4.3工藝控制
滲碳(滲氮或碳氮共滲)氣氛的檢測和控制是關(guān)鍵參數(shù)，最早是采用露點(diǎn)儀、CO2紅外分析儀，目前主要采用氧探頭來檢測碳勢(或氮勢)，其反應(yīng)速度快，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，配合CO2紅外分析儀或其他測量措施(如易普森開發(fā)的HydroNit探頭[28])可對碳勢(或氮勢)實(shí)行精確控制。 工藝控制的另一方面是滲碳(滲氮或碳氮共滲)過程的計(jì)算機(jī)模擬控制。碳在鋼中傳遞和擴(kuò)散的計(jì)算機(jī)模擬開始于20世紀(jì)80年代，之后進(jìn)一步開發(fā)了人機(jī)對話軟件(Carb-o-Prof)，使人們可以現(xiàn)場計(jì)算不同鋼種在滲碳過程中任一時(shí)間碳的傳遞與擴(kuò)散速度。該軟件考慮了溫度、碳勢等工藝參數(shù)變化的影響，可以實(shí)現(xiàn)所需的表面碳含量及滲層深度的工藝參數(shù)的計(jì)算，并能根據(jù)工藝過程中的參數(shù)發(fā)生的變化或出現(xiàn)的干擾自動調(diào)整碳勢、滲碳時(shí)間等工藝參數(shù)，以達(dá)到工件預(yù)定的要求。最近，又推出了“Carb-o-Prof-Expert”專家系統(tǒng)。該軟件集成了大多數(shù)滲碳鋼及滲碳淬火的物理冶金知識、設(shè)備性能、工件的技術(shù)要求等數(shù)據(jù)，只要向計(jì)算機(jī)輸入工件的鋼種、重量、幾何尺寸、淬透性、滲層要求及爐型等數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)便會輸出一個(gè)滲碳工藝，并自動實(shí)現(xiàn)該工藝[29]?！ ?/p>
5表面改性技術(shù)
5.2離子注入
離子注人與其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比，具有以下的顯著優(yōu)點(diǎn)：
(1)離子注人后的零件，能很好地保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，不需要再做其它表面加工處理,很適合于航空軸承等精密零件生產(chǎn)的最后一道工序；
(2)原則上不受冶金學(xué)或平衡相圖的限制，可根據(jù)零件的工作條件和技術(shù)要求，選擇需要的任何注人元素，注人劑量和能量，獲得預(yù)期的高耐磨性或耐腐蝕性等特殊要求的軸承表面，靈活性大，實(shí)用性強(qiáng)，對基體材料的選擇也可以適當(dāng)放寬，從而可節(jié)省貴重的高合金鋼材和其它貴重金屬材料；
(3)注入層與基體材料結(jié)合牢固可靠、無明顯界面，在使用中不會產(chǎn)生脫落和剝皮現(xiàn)象，這對提高軸承壽命和工作可靠性來說非常重要；