轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料及熱加工的改進(jìn)

尤蕾蕾

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

因轉(zhuǎn)盤軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)方便，安裝簡便和維護(hù)容易等特點，廣泛用于起重運(yùn)輸機(jī)械、采掘機(jī)械、建筑工程機(jī)械、港口機(jī)械和導(dǎo)彈發(fā)射架等大型回轉(zhuǎn)裝置上。而轉(zhuǎn)盤軸承套圈的材料及熱處理對軸承的質(zhì)量和使用壽命有極大影響，文中論述了轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料和熱處理對軸承質(zhì)量和壽命的影響，并探討未來的發(fā)展趨勢。

1 原材料

目前，轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料以42CrMo為主，執(zhí)行GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[1]的標(biāo)準(zhǔn)。若特大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料完全采用符合標(biāo)準(zhǔn)中42CrMo的化學(xué)成分，套圈在調(diào)質(zhì)和中頻表面淬火后，淬硬層深度和硬度難以滿足軸承用戶越來越高的要求。另外，要嚴(yán)格控制鋼中有害元素S，P的含量以及非金屬夾雜物級別，避免給軸承質(zhì)量和壽命帶來隱患。

1.1 化學(xué)成分中主要元素含量的調(diào)整

通過調(diào)整鋼中的化學(xué)成分，可提高轉(zhuǎn)盤軸承壽命。制定特大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料的訂貨技術(shù)條件時，在GB/T 3077—2015中42CrMo化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，調(diào)整了對軸承壽命影響較大的合金元素和有害元素的含量。

1.1.1 適當(dāng)提高C，Mn，Cr等元素的含量

為提高轉(zhuǎn)盤軸承調(diào)質(zhì)熱處理和中頻淬火后的淬硬層深度和硬度，適當(dāng)提高C，Mn，Cr等合金元素含量(表1)，以提高材料淬透性，達(dá)到提高轉(zhuǎn)盤軸承淬硬層深度和硬度的目的。

表1 調(diào)整前后42CrMo化學(xué)成分對比

1.1.2 降低對軸承壽命有嚴(yán)重影響的S，P含量

S在鋼中以FeS形式存在[2]，F(xiàn)eS熔點為1 193 ℃，而Fe和FeS組成共晶體，其熔點只有985 ℃。液態(tài)Fe和FeS可無限互溶，但FeS在固態(tài)鐵中的溶解度很小，僅為0.015%～0.020%。所以當(dāng)鋼中硫含量超過0.020%時，鋼水在冷卻、凝固過程中Fe-FeS以低熔點的共晶體呈網(wǎng)狀分布于晶界處，鋼的熱加工溫度為1 150～1 200 ℃，在此溫度下晶界處的共晶體已熔化，鋼受壓后造成晶界的破裂，這是鋼的熱脆性。鋼中氧含量較高時，F(xiàn)eO與FeS形成的共晶體熔點更低，只有940 ℃，加劇鋼的“熱脆”。所以，建議GB/T 3077—2015中增加氧含量的技術(shù)要求，不大于0.002%。

P是鋼中的有害元素，在鋼中易產(chǎn)生偏析，與Fe形成Fe3P。Fe3P能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，但使塑性和韌性顯著下降，脆性增大。特別是鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇升高，引起鋼的冷脆性[3]。

為提高轉(zhuǎn)盤軸承壽命，將轉(zhuǎn)盤軸承用鋼的S，P含量控制在GB/T 3077—2015中高級優(yōu)質(zhì)鋼的范圍內(nèi)，以提高軸承質(zhì)量、壽命和可靠性。

1.2 非金屬夾雜物的控制

非金屬夾雜物對鋼的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、切削、疲勞、熱脆性以及耐蝕性等有很大的影響[4]。夾雜物成分、數(shù)量、形狀、分布以及在基體中的空間分布等均會對鋼的性能產(chǎn)生影響。由于脆性夾雜物不會發(fā)生彈性和塑性變形，軸承在接觸疲勞應(yīng)力作用下，次表層的脆性夾雜物將會成為疲勞源，因此，脆性夾雜物對軸承的接觸疲勞壽命影響極大。

隨著冶金技術(shù)的高速發(fā)展，我國冶金企業(yè)的鋼鐵冶煉過程采取LF爐外精煉技術(shù)+RH(VD)真空脫氣技術(shù)，冶金質(zhì)量得到較大幅度提升，鋼中夾雜物得到有效控制。為提高轉(zhuǎn)盤軸承壽命，可對轉(zhuǎn)盤軸承材料的非金屬夾雜物提出高于GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)的要求，見表2(表中數(shù)據(jù)表示級別)。

原材料發(fā)展趨勢：控制材料中O，Ti，Ca，Sn，As等有害元素的含量，提高大規(guī)格原材料成分，高低倍組織的均勻性、一致性和致密性；降低不同爐次的材料成分波動，提高不同冶煉爐次的材料成分一致性，減少材料夾雜物，尤其是宏觀夾雜物的數(shù)量；開發(fā)并推廣使用超聲波等新夾雜物檢測和評估方法，滿足高潔凈度軸承用鋼的檢測要求。

表2 非金屬夾雜物調(diào)整前后對比

2 鍛件質(zhì)量控制

2.1 鍛造

目前國內(nèi)鍛造工序普遍采用天然氣、城市煤氣和液化石油氣加熱，大型壓力機(jī)制坯+大型輾環(huán)機(jī)輾擴(kuò)成形的加工工藝，較好地滿足了轉(zhuǎn)盤軸承用鍛件的要求。

大型鍛件一般采用大型連鑄坯、鋼錠或鋼錠經(jīng)一次開坯后的坯材。原材料比較疏松，為保證鍛件質(zhì)量，要合理設(shè)計鍛造工藝，嚴(yán)格保證鍛造比。

鍛造工序改進(jìn)建議：優(yōu)化設(shè)計加熱爐，鍛造加熱爐有效加熱區(qū)的爐溫均勻性達(dá)到±10 ℃，控溫儀表準(zhǔn)確度達(dá)到0.5級，為提高鍛件質(zhì)量奠定良好的加熱基礎(chǔ)。

減少鍛件的氧化脫碳和磨削留量，提高鍛件的尺寸精度，從而提高材料利用率并盡可能保留鍛件次表面“優(yōu)質(zhì)層”(鍛件的致密層)。鍛造過程中表面和次表面受到的沖擊力和變形量最大，也最致密，但鍛件表面為氧化皮和脫碳層，所以，去除表層的氧化脫碳層，鍛件的次表層為“優(yōu)質(zhì)層”。

2.2 鍛件的預(yù)備熱處理

轉(zhuǎn)盤軸承套圈毛坯屬于大型鍛件。鍛件越大，鍛造時鍛件內(nèi)部的溫度和變形越不均勻，鍛件內(nèi)部組織和性能的不均勻性就越嚴(yán)重。套圈鍛造后，鍛件的化學(xué)成分不均勻，且存在不均勻、粗大的鍛造組織，這些缺陷不僅容易導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生，還會大幅度降低鍛件調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能。

為改善鍛件中嚴(yán)重的成分偏析及組織粗大的缺陷，可采用鍛后等溫正火工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍛后熱處理工藝，以有效防止正火組織中先共析鐵素體的析出及帶狀碳化物的形成?？茖W(xué)選擇等溫溫度，確保鍛件正火后得到細(xì)小、均勻的珠光體組織，為后續(xù)調(diào)質(zhì)處理提供良好的組織基礎(chǔ)。

改進(jìn)建議：充分利用鍛造余熱，進(jìn)行等溫正火+調(diào)質(zhì)處理，處理后的力學(xué)性能檢驗結(jié)果應(yīng)符合JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》的技術(shù)要求，在保證熱處理質(zhì)量的前提下節(jié)約能源。

2.3 鍛件粗車后的探傷

鍛件內(nèi)部質(zhì)量是影響軸承壽命的重要因素，如果鍛件中存在嚴(yán)重的非金屬夾雜、裂縫、縮孔、白點、分層等缺陷，將會大幅降低軸承壽命，甚至?xí)斐奢S承早期突發(fā)性失效。鍛件粗車加工后，建議進(jìn)行超聲波探傷。

超聲波探傷是檢查金屬內(nèi)部缺陷最有效的無損檢測方法。為確保轉(zhuǎn)盤軸承的內(nèi)部質(zhì)量，建議制定嚴(yán)格的鍛件探傷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

探傷方面改進(jìn)建議:區(qū)分制定工作面(區(qū)域)和非工作面(區(qū)域)的不同探傷技術(shù)要求，例如距工作面10 mm以內(nèi)探傷要求為Ⅰ級，其余部位工作面探傷要求為Ⅱ級，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下盡量降低加工成本。

3 中頻感應(yīng)淬火

軸承中頻感應(yīng)淬火質(zhì)量是決定其壽命和可靠性的關(guān)鍵因素。由于表面感應(yīng)淬火工序中的測溫、間隙調(diào)整、感應(yīng)器制作等均依靠操作人員的經(jīng)驗完成，因此，與整體淬火熱處理相比，淬火質(zhì)量的穩(wěn)定性較難控制。轉(zhuǎn)盤軸承感應(yīng)淬火的質(zhì)量與工藝和工裝的穩(wěn)定性以及操作人員的責(zé)任心、工作經(jīng)驗有很大關(guān)系，控制中頻淬火質(zhì)量是轉(zhuǎn)盤軸承制造的重點和難點。

3.1 提高熱處理設(shè)備的自動化程度和加工精度

大型轉(zhuǎn)盤軸承的感應(yīng)熱處理均采用連續(xù)法(掃描法)進(jìn)行淬火加工。在普通淬火機(jī)床淬火過程中，感應(yīng)器與工件的耦合間隙會發(fā)生變化，間隙的變化會造成加熱溫度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致淬火后滾道的硬化層深度不均勻。所以，配備自動化程度較高且系統(tǒng)控制較好的淬火機(jī)床非常重要，該類機(jī)床具有人機(jī)界面編程功能，可對輸入的工藝參數(shù)進(jìn)行自動控制。工件平移和感應(yīng)器上下移動均采用伺服電動機(jī)自動控制。機(jī)床上配置自動跟蹤系統(tǒng)，可保證感應(yīng)器與工件的耦合間隙均勻一致，解決滾道硬化層深度不均勻的問題。此外，該類設(shè)備還需配備淬火介質(zhì)過濾系統(tǒng)和淬火介質(zhì)的溫度監(jiān)控裝置。

3.2 提高熱處理操作人員的技術(shù)水平

感應(yīng)淬火的特殊性在于感應(yīng)淬火溫度只依靠操作人員根據(jù)專用鋼材加熱后顏色和溫度的對照表進(jìn)行目測，無法測量和控制。普通淬火機(jī)床的感應(yīng)器與工件的耦合間隙也僅依靠操作人員肉眼實時觀察進(jìn)行監(jiān)控。

因此，淬火質(zhì)量和操作者的技術(shù)水平有很大關(guān)系，同樣的零件、工藝和工裝，不同人員操作，得到硬化層的深度差別較大。為將操作者的人為因素對淬火質(zhì)量的影響降到最低，需對操作人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)，提高其專業(yè)技術(shù)能力。

3.3 改進(jìn)淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

感應(yīng)器是決定感應(yīng)淬火質(zhì)量的關(guān)鍵因素。由于傳統(tǒng)感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)不合理，同一位置的滾道淬火后會出現(xiàn)硬化層深度不均勻，其主要原因有：

1)感應(yīng)淬火的加熱原理決定了結(jié)構(gòu)較復(fù)雜滾道面上的渦流加熱溫度不易達(dá)到均勻一致。

2)傳統(tǒng)感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)不合理，造成滾道面的加熱溫度不均勻。

為保證淬火硬化層的均勻性，感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)需根據(jù)零件滾道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對感應(yīng)溫度低的部位進(jìn)行強(qiáng)化加熱。如在感應(yīng)溫度低的部位增加一定尺寸的“П”導(dǎo)磁體，其主要功能是將線圈的電流集中到線圈朝向工件的區(qū)域，使磁場局限在工件需要加熱的區(qū)域，從而達(dá)到感應(yīng)加熱局部硬化的效果，獲得較深的加熱層深度，最終達(dá)到滾道各個部位均具有相近的加熱層深度，使整個加熱面淬火后硬化層深度均勻。

3.4 轉(zhuǎn)盤軸承齒面淬火采用背冷工藝

目前，熱處理行業(yè)對模數(shù)不小于10的齒輪(或齒圈)感應(yīng)淬火均采用單齒掃描加熱的方式，然后對加熱的齒面直噴冷卻介質(zhì)的淬火方法。實際生產(chǎn)中，這種方法常因直冷噴水器噴液的角度,掃描加熱的速度以及冷卻介質(zhì)濃度等調(diào)整不當(dāng)致使部分齒面或齒根產(chǎn)生淬火裂紋，最終導(dǎo)致整個零件報廢。

針對此問題，將傳統(tǒng)的“在加熱面直接冷卻”變?yōu)椤霸诩訜崦娴谋趁胬鋮s”[5]。由于背冷的冷卻速度較直冷慢，因而對噴水器噴水角度、加熱掃描速度以及冷卻介質(zhì)濃度等參數(shù)的敏感性小，可有效防止淬火裂紋產(chǎn)生。

3.5 硬化層深度無損檢測儀器的應(yīng)用

國內(nèi)外感應(yīng)淬火零件均采用解剖法對淬火硬化層進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)盤軸承由于成本原因無法做到解剖檢查，而是完全依靠試驗工藝保證。由于感應(yīng)淬火過程的特殊性，其硬化層深度受到淬火溫度、工件移動速度、操作人員的技術(shù)水平和責(zé)任心等諸多因素影響，僅依靠試驗工藝很難保證每件產(chǎn)品的淬火質(zhì)量，因此，對感應(yīng)淬火后硬化層深度采用無損檢測的方法勢在必行。

建議引進(jìn)淬硬層深度測量儀，該儀器采用超聲無損檢測的方法，利用背散射原理對感應(yīng)淬火硬化層深度進(jìn)行測量，與常規(guī)解剖法的檢測原理完全不同，檢測的數(shù)據(jù)與解剖法存在一定的偏差。解剖法能夠精確檢測硬化層深度，將儀器法和解剖法數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出二者之間的對應(yīng)關(guān)系，即可用儀器法精確測定硬化層深度，實現(xiàn)采用無損檢測儀精確測定轉(zhuǎn)盤軸承中頻淬火硬化層深度的目的[6-7]。

3.6 轉(zhuǎn)盤軸承感應(yīng)淬火發(fā)展趨勢及建議

3.6.1 感應(yīng)淬火介質(zhì)

感應(yīng)淬火冷卻介質(zhì)從水、乳化液、聚乙烯醇水溶液到新型聚合物淬火冷卻介質(zhì)，使感應(yīng)淬火零件的廢品率降低，并且容易控制。

3.6.2 無軟帶感應(yīng)淬火技術(shù)

目前，特大型轉(zhuǎn)盤軸承的感應(yīng)淬火均采用連續(xù)法(掃描法)淬火，會在淬火的起始點留有一段未淬火區(qū)域(即軟帶區(qū))，該區(qū)域在軸承工作時就成了低承載區(qū)域。為解決軟帶問題，國外設(shè)備生產(chǎn)廠家已研發(fā)了一種環(huán)形零件無軟帶淬火的新技術(shù)和淬火機(jī)床：2個感應(yīng)器沿各自起點向相反方向掃描，最后2個感應(yīng)器匯合，在匯合點由噴液器進(jìn)行噴液淬火[8]。

3.6.3 小模數(shù)齒圈整體感應(yīng)加熱淬火技術(shù)

對于模數(shù)小于8的齒圈,國內(nèi)采用單齒淬火技術(shù)，該方法加熱時間長，變形大，且每個齒的淬火硬度及硬化層深度均不一致。

模數(shù)小于8的齒圈，國外已采用同步雙頻齒輪淬火技術(shù)，即將1個感應(yīng)器安裝在1套頻率分別為(10～15) kHz和(200～400) kHz的雙頻電源上，在極短時間內(nèi)完成全部齒的淬火過程，得到硬化層仿齒形分布的淬火效果。該技術(shù)具有加熱時間短，生產(chǎn)效率高，變形小和自動化程度高的優(yōu)點。

3.6.4 感應(yīng)器制造的專業(yè)化

絕大多數(shù)企業(yè)中頻淬火感應(yīng)器均由熱處理操作人員采用通用模具手工制作而成。雖然制造成本低，但感應(yīng)器精度較低，并且存在同品種感應(yīng)器一致性差等問題，因此，采用手工制作的感應(yīng)器已經(jīng)無法滿足用戶越來越高的技術(shù)要求。

為解決手工制造淬火感應(yīng)器制造精度低和一致性差的問題，感應(yīng)器制造走專業(yè)化的道路已成為發(fā)展趨勢，目前，許多專業(yè)制造感應(yīng)器廠家應(yīng)運(yùn)而生。

3.6.5 具有控制系統(tǒng)和能量監(jiān)控的淬火機(jī)床

為減少人為因素的影響，保證淬火質(zhì)量，近年來，國內(nèi)中頻淬火機(jī)床廠家不斷開發(fā)和研制淬火機(jī)床的控制系統(tǒng)和能量監(jiān)控器。與國外先進(jìn)淬火機(jī)床相比，國內(nèi)研制的淬火機(jī)床控制系統(tǒng)和能量監(jiān)控器存在自動化水平低(停留在半自動階段)，工件調(diào)整時間長，故障多等缺點。

3.6.6 建立感應(yīng)淬火技術(shù)專家?guī)?/p>

感應(yīng)淬火加工參數(shù)均是通過反復(fù)試驗確定，耗費(fèi)大量的人力、物力和時間。隨著感應(yīng)淬火技術(shù)研究的深入和感應(yīng)淬火經(jīng)驗的積累，應(yīng)逐步建立感應(yīng)淬火技術(shù)專家?guī)?，指?dǎo)感應(yīng)淬火加工參數(shù)的確定。

3.6.7 研究感應(yīng)淬火溫度的測量和控制技術(shù)

感應(yīng)淬火溫度主要通過目測憑經(jīng)驗控制或通過控制輸入感應(yīng)圈的能量間接控制,控制精度和反應(yīng)速度均不理想，導(dǎo)致工件感應(yīng)淬火后質(zhì)量波動大。開發(fā)感應(yīng)淬火溫度的測量和控制技術(shù)是感應(yīng)淬火技術(shù)研究的重要方向。

4 結(jié)束語

通過對轉(zhuǎn)盤軸承原材料化學(xué)成分的調(diào)整，非金屬夾雜物的控制,對鍛造工序預(yù)先熱處理的研究及鍛后粗車件加嚴(yán)探傷,對中頻感應(yīng)淬火中感應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)，引進(jìn)國外高端淬硬層檢測儀器，采用新型感應(yīng)淬火技術(shù)等措施，促進(jìn)轉(zhuǎn)盤軸承質(zhì)量及壽命的提升。但轉(zhuǎn)盤軸承壽命的影響因素很多，如轉(zhuǎn)盤軸承合理的設(shè)計和選型、加工精度、潤滑、軸承安裝、使用條件、環(huán)境等，生產(chǎn)過程中需要提升的方面還有很多，期待更多軸承行業(yè)及相關(guān)科技工作者共同研究這些問題，促進(jìn)轉(zhuǎn)盤軸承的發(fā)展。