軸承制造技術(shù)——熱處理

來源：軸承雜志社

要滿足軸承性能要求，以淬火硬化為目的的熱處理是不可少的工序。熱處理工序中所消耗的能源占軸承制造工序總能耗的25%左右。因此，從節(jié)能、環(huán)保角度，對軸承制造過程中的熱處理進行分析，主要的對策包括：熱處理工序的高效化；小變形熱處理技術(shù)等。

1　軸承的熱處理方法

以淬火硬化為目的的軸承熱處理方法有多種，多數(shù)情形下可大致分為整體淬火、滲碳淬火、高頻淬火、碳氮共滲等。

整體淬火是Z普通的軸承熱處理工藝，材料多數(shù)使用高碳鉻軸承鋼(GCr15)。在熱處理爐中加熱到840 ℃左右，并使球化退火所形成的碳化物在基體中適度、均勻地固溶，進而淬火冷卻后，實施低溫回火。通過未溶碳化物與回火析出的碳化物，獲得均勻的析出組織，可用于要求耐磨的軸承。

滲碳淬火是在熱處理爐中將低碳合金鋼于930 ℃左右保溫，管理爐內(nèi)的滲碳性氣體，從表面到內(nèi)部使碳滲入擴散，進行淬火的熱處理，由于碳濃度的梯度，淬火后的表面硬化，因內(nèi)部比表面硬度低，用于要求耐沖擊性的軸承。

高頻淬火是利用感應(yīng)加熱的熱處理，主要用于中碳鋼，應(yīng)用于形狀復(fù)雜的汽車車輪用軸承等，只硬化必要部位。

碳氮共滲是在滲碳性氣體中添加5%左右的氨，在表面層附近析出氮化物?？紤]到，奧氏體中的碳與氮的溶解度差異，通常是在低于滲碳溫度的750~850 ℃下進行處理，尤其是對于在混入異物的環(huán)境下使用的軸承的長壽命化Z有效。

2　熱處理高效化（壓縮滲碳時間）

在滲碳淬火熱處理中，尤其要求通過高效化以實現(xiàn)節(jié)能，與整體淬火的處理時間相比，滲碳淬火的處理時間長達前者的幾倍到數(shù)十倍(處理時間隨著軸承尺寸不同而有差異，但大尺寸軸承有時候要在爐中經(jīng)過將近100 h的處理)，因此消耗較多的能源，為降低能耗，縮短滲碳時間是有待解決的一大課題。

氣體滲碳廣泛應(yīng)用于批量生產(chǎn)。通常，按照滲碳的機理，一般認為有2個階段。在第1階段是由于滲碳氣體與鋼材的滲碳反應(yīng)，碳向鋼材表面移動的階段；第2階段，滲碳氣體與鋼材表面的碳勢大致相等之后，鋼材表面的碳向內(nèi)部擴散，表面碳勢降低，由滲碳氣體補充，要縮短滲碳時間有必要提高第1，2階段的速度。

使用普通的RX氣體進行氣體滲碳時，為加速其第1階段的滲碳，一般要加大滲碳氣體中的CO, H2的分壓力。近年來，正在著眼于改變滲碳氣體中所含CO, H2的分壓力，開發(fā)旨在提高滲碳速度、壓縮滲碳時間的技術(shù)此外，作為替代氣體滲碳的滲碳工藝，通過在稱為真空滲碳的低壓氣氛中，使少量的碳化氫系氣體直接與工件接觸，以進行滲碳，提高碳在鋼表面的滲入速度。

在碳擴散的第2階段，由于碳的擴散依賴于溫度，通過提高滲碳溫度，可以大幅度縮短滲碳時間。不過，由于滲碳溫度高，晶粒粗大化等重要原因，會導(dǎo)致機械性能降低，所以，滲碳溫度存在不能超過晶粒粗化極限溫度的問題。開發(fā)可解決上述問題的材料也是解決問題的途徑。

從材料方面考慮，需開發(fā)新的材料，即容易使碳滲入鋼材表面的材料。此外，通過使用高淬透性的材料，使有效硬化層深度加深，能縮短滲碳時間，但目前來看，這樣的新材料價格較高。

3　小變形熱處理技術(shù)

熱處理過程中會發(fā)生變形，熱處理后的變形量決定了后續(xù)磨削工序(圖1)的磨削余量。軸承的制造工序中，僅次于熱處理能耗的是磨削、組裝工序,通過減小磨削余量可壓縮磨削的循環(huán)時間，降低熱處理變形關(guān)系到削減大量能耗。

圖1  軸承的普通制造工序

以軸承鋼熱處理時的尺寸變化(圖2)為例，隨著加熱時的溫升，發(fā)生熱膨脹與奧氏體化，并在冷卻時產(chǎn)生熱收縮，馬氏體相變時產(chǎn)生熱處理變形。這樣一來，熱處理時有很多引起尺寸變化的要素，由于該尺寸變化時產(chǎn)生偏差，而發(fā)生熱處理變形。該尺寸變化的偏差，是加熱、冷卻時的溫度偏差引起，均勻地加熱、冷卻可降低熱處理變形。

為此，防止熱處理變形的對策有以下幾種：以降低加熱時的溫度不均為目的的多級升溫；以降低冷卻時的溫度不均為目的的多級冷卻；還有淬火油種類、油槽攪拌速度的Z優(yōu)化之類的措施。近年來，也在采取其他對策：如，通過模擬熱處理時油槽內(nèi)的油液流動，進行分析，開發(fā)形成均勻油液流動的油槽；通過改善熱處理夾具，能實現(xiàn)均勻加熱、冷卻。

此外，尤其在容易?生熱處理變形的薄壁軸承方面，根據(jù)熱處理時溫度與尺寸變化的關(guān)系(圖2)進行淬火(壓模淬火)。如果是軸承鋼，經(jīng)整體淬火引起的相變導(dǎo)致尺寸膨脹，在Ms點之后，約束外徑側(cè)，并用壓力機一邊控制工件上下方向，一邊完成淬火。由于滲?淬火完成后尺寸幾乎沒有改變，淬火過程中發(fā)生熱收縮，一邊用壓力機控制并約束內(nèi)徑側(cè)，一邊實施淬火，進而大幅度地降低熱處理變形(圖3)。

在熱處理的尺寸變化時，利用該變化進行約束淬火是降低熱處理變形的有效對策之一。軸承并不像齒輪那樣形狀復(fù)雜，由于形狀簡單，一直在實施約束淬火，不過，約束淬火的熱處理成本比普通熱處理費用高是有待解決的問題。

圖2  熱處理時溫度與尺寸變化

圖3  約束淬火方法

因此，開發(fā)出不產(chǎn)生熱處理變形的熱處理技術(shù)，是一項有意義的研究工作。針對影響鋼材變形的因素，也可采取適當?shù)膶Σ撸?，減少材料偏析，在不進行鍛造工序時，降低材料的殘余應(yīng)力等。

小結(jié)

上面闡述了軸承的幾種典型熱處理方法，與以節(jié)能為目的的高效化與低變形熱處理技術(shù)，但為了適應(yīng)減輕環(huán)境負擔(dān)的要求，熱處理工序方面發(fā)揮更大的作用，進一步提高技術(shù)水平是不可缺少的，有必要以節(jié)能為核心，進一步實現(xiàn)低成本化。