第一、二、三代軸承鋼及其熱處理技術(shù)的研究進(jìn)展(十八)

朱祖昌，楊弋濤，朱聞煒

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620； 2.上海大學(xué)，上海 200072；3.上海軌道交通檢測(cè)認(rèn)證(集團(tuán))有限公司，上海 200434)

我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入高速發(fā)展軌道，取得的成就令全世界矚目。我國(guó)軸承和軸承鋼制造、研究和發(fā)展以及生產(chǎn)軸承鋼的質(zhì)量提高正在邁入世界制造大國(guó)和向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展的地位。

按李昭昆等[2]和張立峰等[3]，我國(guó)軸承行業(yè)銷售額達(dá)到2000多億元的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，并以每年12%～15%的速度增長(zhǎng)，其中高速、精密和重載等高端軸承的增長(zhǎng)速度更快。正是這種國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展不斷促進(jìn)了我國(guó)軸承工業(yè)的蓬勃增長(zhǎng)。

針對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)軸承的現(xiàn)狀，我國(guó)已經(jīng)是一個(gè)世界上最大的軸承生產(chǎn)大國(guó)。從2005年起，我國(guó)就已經(jīng)成為世界第三軸承大國(guó)，國(guó)內(nèi)已成為世界第四大軸承市場(chǎng)，軸承市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，使我國(guó)成為軸承鋼生產(chǎn)大國(guó)。按2018年12月18日的《世界金屬導(dǎo)報(bào)》的報(bào)道，2012年我國(guó)軸承鋼產(chǎn)量達(dá)到367萬(wàn)噸，產(chǎn)量居世界第一，已經(jīng)成為名副其實(shí)的軸承鋼生產(chǎn)大國(guó)?，F(xiàn)在，我國(guó)軸承鋼生產(chǎn)持證企業(yè)已達(dá)138家，其中51家具備冶煉能力。 同時(shí)，一些生產(chǎn)GCr15 (52100, 100Cr6) 軸承鋼的骨干企業(yè)，如興澄特鋼、寶鋼特鋼和北滿特鋼等已通過(guò)SKF、FAG、NSK和Timken等世界著名軸承企業(yè)的認(rèn)證，已成為他們的材料供應(yīng)商。

這些就已經(jīng)表明，我國(guó)基本具備生產(chǎn)世界最先進(jìn)軸承鋼的生產(chǎn)能力和能與國(guó)際接軌的先進(jìn)設(shè)備水平。實(shí)際上，只要我國(guó)具有和建立起世界最先進(jìn)軸承鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，則能生產(chǎn)出最優(yōu)良質(zhì)量的軸承鋼?，F(xiàn)在，問(wèn)題的關(guān)鍵是興澄特鋼、寶鋼特鋼和北滿特鋼等重點(diǎn)企業(yè)生產(chǎn)的軸承鋼均是按照各企業(yè)掌握的技術(shù)關(guān)鍵和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行了。但是還仍只作為技術(shù)秘密保留著和不斷拓展著，只要這些技術(shù)關(guān)鍵和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)上升為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行嚴(yán)格普及執(zhí)行，我國(guó)則能成為軸承鋼生產(chǎn)的強(qiáng)國(guó)。

在前文已多次強(qiáng)調(diào)，現(xiàn)在人們已愈來(lái)愈認(rèn)識(shí)到，組成高碳鉻軸承鋼的非金屬夾雜物體系、碳化物體系和Fe-C-Cr多元合金體系的三個(gè)體系中，前二個(gè)體系中的非金屬夾雜物組成、含量、形態(tài)分布和大小以及碳化物含量、形態(tài)分布和大小是軸承鋼質(zhì)量的極其重要的影響因素?，F(xiàn)在，隨著鋼冶煉技術(shù)水準(zhǔn)提高和軸承鋼純凈度的提高，非金屬夾雜物缺陷的影響已經(jīng)能夠得到很大程度改善，在已能與國(guó)際逐漸接軌的情況下，碳化物體系的影響正在占據(jù)愈益關(guān)鍵的地位。碳化物體系的影響十分明顯，要通過(guò)高碳鉻軸承鋼中的碳化物均勻度的提高予以改善。實(shí)際上，高碳鉻軸承鋼的碳化物均勻度除了碳化物液析、碳化物帶狀和網(wǎng)狀碳化物外，還應(yīng)包括其球化退火后基體組織中碳化物顆粒的大小、形態(tài)和均勻分布。將對(duì)高碳鉻軸承鋼預(yù)備熱處理中的球化退火作為重點(diǎn)詳細(xì)闡明，并仔細(xì)回顧高碳鉻軸承鋼預(yù)備熱處理中球化退火的情況和發(fā)展。

軸承的應(yīng)用已滲透入國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如機(jī)械工程、冶金工程、航空航天工程、交通運(yùn)輸工程、軍事工程、海洋工程、發(fā)電行業(yè)、核電行業(yè)和輕紡工業(yè)等；而且軸承與人們的生活緊緊相關(guān)，廣泛應(yīng)用于生活家用電器、出行交通工具等，與生活質(zhì)量和公共安全密切關(guān)聯(lián)。世界上6萬(wàn)多種軸承在上述領(lǐng)域中應(yīng)用，在困難環(huán)境下能承受著靜態(tài)載荷和循環(huán)載荷時(shí)可靠、長(zhǎng)壽命地運(yùn)行。軸承鋼是一種十分重要的特殊種類鋼，軸承鋼的生產(chǎn)、數(shù)量和質(zhì)量水平明顯標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的冶金生產(chǎn)技術(shù)水平。軸承承受著嚴(yán)酷的接觸疲勞負(fù)荷，接觸應(yīng)力一般高達(dá)2～5 GPa。軸承主要由滾動(dòng)體(球，滾柱，滾針等)和套圈環(huán)組成。顯然，軸承鋼可用于制造滾珠、滾柱、滾針和軸承套圈，具有高且均勻的硬度和耐磨性，以及高的彈性極限。對(duì)軸承鋼化學(xué)成分的均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求很高，是所有鋼鐵生產(chǎn)中要求最嚴(yán)格的鋼種之一。

高碳鉻軸承鋼自1905年開(kāi)始問(wèn)世，化學(xué)成分基本沒(méi)有發(fā)生改變，但是其力學(xué)性能、使用性能和壽命指標(biāo)性能不斷地得到提高。高碳鉻軸承鋼52100(100Cr6, 100C6，SUJ2，GCr15，ЩХ15)是軸承鋼的代表性鋼種，也是第一代軸承鋼的最主要鋼種，在全世界被廣泛使用，報(bào)道稱其生產(chǎn)量為整個(gè)軸承鋼總量的90%左右，是所有鋼鐵生產(chǎn)中使用價(jià)值最高的鋼種之一。這些性能的獲得依靠軸承鋼材料經(jīng)過(guò)精致冶煉、精密軋制和精確熱處理后獲得優(yōu)良的組織才能達(dá)到。

4.4 我國(guó)GCr15鋼的球化退火工藝和檢測(cè)

2008年北京機(jī)械工業(yè)出版社出版的《熱處理手冊(cè)》(第4版第2卷)[136]中指出，高碳鉻軸承鋼預(yù)備熱處理中的球化退火溫度為：GCr15鋼為780～810 ℃；GCr15SiMn為780～800 ℃；GCr18Mo、GCr15SiMo為780～810 ℃。國(guó)內(nèi)軸承鋼球化退火工藝分為四種，在箱式電阻爐、臺(tái)車式電阻爐、井式電阻爐和連續(xù)推桿式電爐、可控氣氛輥底式爐中進(jìn)行一般球化退火工藝，見(jiàn)圖134(a)、134(b)；在雙種類型熱處理爐中進(jìn)行加熱和等溫或進(jìn)行速冷(風(fēng)冷、水冷)的推桿連續(xù)爐中進(jìn)行等溫球化工藝，見(jiàn)圖134(c)、134(d)；在900～920 ℃進(jìn)行正火處理得到索氏體組織，然后在780/790 ℃快速球化退火和循環(huán)球化退火的工藝曲線，見(jiàn)圖134(e)、134(f)。這四種工藝停留在上世紀(jì)六七十年代的水平，因?yàn)檫@四種工藝曲線最早在1978年出版的第二版熱處理手冊(cè)上就已經(jīng)出現(xiàn)，至2008年再版的第4版手冊(cè)仍基本上按原樣出現(xiàn)，持續(xù)了40余年。國(guó)外的相關(guān)內(nèi)容已多次提出修訂，特別是上世紀(jì)末期出現(xiàn)了分離式共析轉(zhuǎn)變的研究和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在這方面的研究相應(yīng)落后5～10年，至今仍未有得到應(yīng)用的報(bào)道。

高碳鉻軸承鋼預(yù)備熱處理球化退火結(jié)果[136]為：1)得到均勻細(xì)粒珠光體的碳化物平均直徑為0.5～1.0 μm，最小0.2 μm，最大2.5 μm；2)得到不均勻粗粒狀珠光體中碳化物的平均直徑為2.5～3.5 μm，最小0.5 μm，最大6 μm。獲得這兩種組織的206軸承內(nèi)套，經(jīng)840 ℃加熱淬火、回火的平均壽命分別為811 h和505 h，相差近一倍。壽命波動(dòng)范圍分別為354～1941 h和186～1408 h，其最長(zhǎng)與最短壽命之比(稱穩(wěn)定系數(shù))為5.4和7.6。

我國(guó)高碳鉻軸承鋼熱處理球化退火各級(jí)組織特征如表29[137]表示。雖然GB/T 18254—2016現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)都采用5級(jí)組織類型的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，但表29的應(yīng)用還很普遍。

表29 我國(guó)高碳鉻軸承鋼熱處理球化退火各級(jí)組織特征 (GB/T 18254—2002)Table 29 The structural characteristic of each class spheroidization annealing of our high carbon chrome bearing steel (GB/T 18254—2002)

四種球化退火工藝曲線可以參見(jiàn)熱處理手冊(cè)[136]。仔細(xì)比較發(fā)現(xiàn)圖134(a)的一般球化退火工藝與上世紀(jì)50年代時(shí)前蘇聯(lián)學(xué)者拉烏金著作“鉻鋼熱處理”中的退火工藝相同。

(a,b)一般球化退火工藝；(c,d)等溫球化工藝；(e,f)快速球化退火和循環(huán)球化退火圖134 我國(guó)已經(jīng)沿用40年的四種球化退火工藝曲線(a,b) general spheroidizing annealing process; (c,d) isothermal spheroidization process; (e,f) rapid spheroidizing annealing and cyclic spheroidizing annealingFig.134 The four spheroidization annealing technological curves have used for forty years in our country

對(duì)國(guó)內(nèi)已經(jīng)沿用40年的四種球化退火工藝應(yīng)該要考慮是不是最為合理了。之前，作者在球化退火文章中早已指出國(guó)內(nèi)冷卻方式與國(guó)外不同，效果也不同，在這方面的研究還要深入探討。本文根據(jù)冷卻和SKF、Ovako稍微透露的工藝做了實(shí)驗(yàn)，已公布一些結(jié)果，準(zhǔn)備在這基礎(chǔ)上研究和確定符合我國(guó)國(guó)情的高碳鉻軸承鋼熱處理球化退火工藝參數(shù)。

日本的鋼鐵技術(shù)現(xiàn)在處于世界領(lǐng)先地位。其軸承鋼的發(fā)展是從歐洲引進(jìn)而發(fā)展起來(lái)的，本著獨(dú)立自主、促進(jìn)蓬勃發(fā)展的精神，通過(guò)活躍在第一線的工作者的長(zhǎng)期努力，經(jīng)過(guò)了萌芽期、搖籃期、國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展期，軸承鋼生產(chǎn)擴(kuò)大化和多品種化，在不斷提高質(zhì)量下，然后進(jìn)入成熟期，最后使軸承和軸承鋼的生產(chǎn)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。日本學(xué)者瀨戶浩藏1999年著書(shū)闡明了整個(gè)過(guò)程，2003年被翻譯成中文(鑒于更為容易理解，對(duì)有關(guān)熱處理球化退火部分已經(jīng)做了一些更全面的報(bào)導(dǎo)刊登)。

對(duì)于球化退火，日本在上世紀(jì)50年代后才研究了獲得實(shí)用合理的方法。我國(guó)在對(duì)要獲得細(xì)小碳化物顆粒和均勻分布上卻不是很重視。事實(shí)上，球化退火獲得的碳化物形態(tài)是很重要的，由于淬火、回火工藝不能明顯改變碳化物的形態(tài)和分布。所以，必須要考慮增加碳化物的細(xì)化工藝[193]，但是因?yàn)橐黾映杀径皇艿綒g迎。

雙細(xì)化處理即為碳化物細(xì)化和奧氏體晶粒細(xì)化工藝，包括鍛造余熱淬火后高溫回火或等溫退火、亞穩(wěn)鍛造快速退火和毛胚溫?cái)D后高溫回火或快速退火等工藝。鍛件經(jīng)雙細(xì)化處理后其奧氏體晶粒尺寸可比原始細(xì)化1.5～2.0級(jí)。從而提高鋼的沖擊韌度、抗彎強(qiáng)度和疲勞壽命。經(jīng)雙細(xì)化處理后，碳化物顆粒細(xì)化，尺寸<0.6 μm，碳化物的均勻性改善，所以在淬火、回火處理后可獲得均勻的馬氏體組織，提高硬度的均勻性，從而提高軸承耐磨性和接觸疲勞壽命。雙細(xì)化處理工藝曲線如下：

1)鍛造余熱淬火后高溫回火或快速等溫退火：a) 鍛造余熱淬火(停鍛后在沸水中淬火)+高溫回火，獲得均勻分布的點(diǎn)狀珠光體+細(xì)粒狀珠光體組織，硬度為207～229 HBW(壓痕直徑4.2～4.0 mm)，工藝曲線見(jiàn)圖135(a)。b)鍛造余熱淬火+快速等溫退火。鍛造余熱沸水淬火的鍛件加熱到略高于Ac1溫度進(jìn)行等溫退火，獲得均勻細(xì)小粒狀珠光體+點(diǎn)狀珠光體組織，硬度為187～207 HBW(壓痕直徑4.2～4.0 mm)，工藝曲線見(jiàn)圖135(b)。

2)亞溫鍛(800～840 ℃)后+熱處理細(xì)化工藝。此工藝處理后不僅可以細(xì)化組織，硬度也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可適用于大批生產(chǎn)，但需指出，供鍛壓材料的碳化物網(wǎng)必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。工藝曲線見(jiàn)圖135(c)。

3)高溫固溶等溫淬火(1050 ℃→320～340 ℃)+高溫回火。工藝曲線見(jiàn)圖135(d)，一般不推薦采用該工藝，因?yàn)槠淠芎拇蠖黾映杀尽?/p>

(a)鍛造余熱淬火+高溫回火；(b)鍛造余熱淬火+快速等溫退火；(c)亞溫鍛后+熱處理細(xì)化工藝；(d)高溫固溶等溫淬火+高溫回火圖135 高碳鉻軸承鋼的三種雙細(xì)化處理工藝曲線(a) forging waste heat quenching+high temperature tempering; (b) forging waste heat quenching+rapid isothermal annealing; (c) sub warm forging+heat treatment refining process; (d) high temperature solution isothermal quenching+high temperature temperingFig.135 The three double refinement technological curves for high-carbon-chromium bearing steels

在上面敘述中已經(jīng)指出，含0.95%～1.15%C和含Cr量在1.65%以下的高碳鉻軸承鋼具有良好的熱加工工藝性能和綜合力學(xué)性能，但是這些良好性能的獲得一定要對(duì)該鋼采用合理的熱處理工藝參數(shù)來(lái)加以保證。這種高碳鉻軸承鋼，如GCr1 5、52100、100Cr6、SUJ2等一定要通過(guò)在Ac1～Accm之間的加熱溫度下進(jìn)行球化退火，獲得細(xì)小、均勻和具有一定球化程度的顯微組織。

按照這次制定的工藝曲線的金相分析結(jié)果，可以看出碳化物分散均勻有很大的改進(jìn)，金相OM照片中可以看到細(xì)小的碳化物；在高倍SEM組織中，可以明顯看到很多幾十nm的碳化物。初步估計(jì)已經(jīng)能夠達(dá)到SKF和FAG的相應(yīng)要求水平，但是對(duì)能否達(dá)到FAG 261010和SEP 1520標(biāo)準(zhǔn)中的400 ～ 700粒/400 μm2的均勻水平程度還要進(jìn)一步研究和探索。我們已開(kāi)始進(jìn)一步試驗(yàn)，爭(zhēng)取做出更好的結(jié)果?？梢源_定，改變不同的工藝參數(shù)可以適當(dāng)改變高碳鉻軸承鋼碳化物的原始狀態(tài)。

國(guó)內(nèi)的達(dá)到2級(jí)球化級(jí)別水平的試樣是否在未出現(xiàn)碳化物的“稀疏區(qū)域”存在更細(xì)小碳化物的問(wèn)題，本試驗(yàn)測(cè)定時(shí)已經(jīng)注意到了這方面的要求。還需要進(jìn)一步研究，如果存在的話，應(yīng)該怎么樣統(tǒng)計(jì)；如果不存在的話，怎樣很好評(píng)價(jià)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)？應(yīng)該很好了解S 261010標(biāo)準(zhǔn)中的碳化物的密度問(wèn)題，但找不到更進(jìn)一步的資料。

洛陽(yáng)軸承研究所的球化退火工藝曲線類如圖134(c)，但略有改動(dòng)，有材料說(shuō)明得到的球化級(jí)別為3～ 4級(jí)?？梢?jiàn)，按照現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的設(shè)備情況，一般難以達(dá)到球化級(jí)別的“優(yōu)良”水平。在這樣條件下生產(chǎn)的軸承怎么提高軸承的使用壽命？所以，不能完全按照滿足18254的碳化物球化級(jí)別來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，不能這樣浪費(fèi)資源，應(yīng)該更新碳化物球化級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)、退火工藝和設(shè)備。全國(guó)的材料和熱處理工作者應(yīng)該敢于指出存在的問(wèn)題并提出解決問(wèn)題的方法。

論文中已經(jīng)列出了美國(guó)和日本關(guān)于高碳鉻軸承鋼熱處理球化退火的主要資料，采用的冷卻方式為：隨爐進(jìn)行連續(xù)冷卻和在爐進(jìn)行等溫冷卻。采用周期式作業(yè)爐進(jìn)行的連續(xù)方式冷卻又分為兩種：以一種冷卻速度進(jìn)行的恒速冷卻和以兩種冷卻速度進(jìn)行的變速度冷卻，實(shí)現(xiàn)達(dá)到A1臨界點(diǎn)以下的溫度。國(guó)內(nèi)采用的方式主要為以一種冷卻速度進(jìn)行的恒速冷卻，其結(jié)果就是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254中按球化退火后的顯微組織，如表29所示。

國(guó)外采用的方式主要為以兩種冷卻速度進(jìn)行的變速度冷卻，如SKF和OVAKO公司。本文已經(jīng)全部公開(kāi)我們收集到的SKF和OVAKO公司的高碳鉻軸承鋼熱處理球化退火工藝曲線。

我國(guó)GCr15類型軸承鋼球化退火后碳化物的大小和分布按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016中第5級(jí)別圖的5個(gè)級(jí)別圖進(jìn)行檢驗(yàn)。在此以前共分6級(jí)(見(jiàn)表29)：1級(jí)為不合格的欠熱組織，相應(yīng)的加熱溫度低于760 ℃，即相應(yīng)的奧氏體化加熱溫度比較低或加熱時(shí)間太短，相應(yīng)的顯微組織內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一定量的殘留層片狀珠光體；5級(jí)為分布不均勻和不合格的碳化物組織，出現(xiàn)相當(dāng)多的條狀碳化物；2～4級(jí)分別為優(yōu)良、良好和合格的球化組織。本文對(duì)2級(jí)和4級(jí)組織進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)比較就可以明確了解國(guó)內(nèi)高碳鉻軸承鋼球化退火的顆粒碳化物的大小均勻分布情況，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有公布過(guò)對(duì)這些級(jí)別進(jìn)行測(cè)試的報(bào)告。

4.5 SKF公司的球化退火工藝曲線和發(fā)展

1979年，SKF公司公布的球化退火的工藝曲線見(jiàn)圖136[46]。

2017年在書(shū)刊上出現(xiàn)的DET球化退火工藝曲線參見(jiàn)圖137[152]，其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上表示的作業(yè)部序?yàn)椋篟T-820 ℃，1 h；820 ℃，2 h；820～740 ℃，1 h；740～690 ℃，10 h，空冷。

圖136 SKF公司以前公開(kāi)的三種工藝曲線(1979年)Fig.136 The three spheroidization annealing technological curves opened previously by SKF company (1979)

圖137 試驗(yàn)用100Cr6和Ovatec 677Q兩種鋼的球化退火DET工藝曲線Fig.137 The DET spheroidization annealing technological curves for two tested steels of 100Cr6 and Ovatec 677Q

5 高碳鉻軸承鋼的最終熱處理匯綜總述

5.1 馬氏體淬火和回火處理的綜合[136]

高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬火和回火處理能使軸承零件得到高硬度、高耐磨性、高耐接觸疲勞壽命、高可靠性以及高尺寸穩(wěn)定性。對(duì)應(yīng)的操作工序，工藝參數(shù)為馬氏體淬火加熱溫度、加熱方法、加熱保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)和冷卻方法的確定，淬火后的質(zhì)量考核，馬氏體顯微組織的檢測(cè)和出現(xiàn)原因以及對(duì)策，冷處理，回火和回火規(guī)范，穩(wěn)定化處理，軸承零件淬火、回火后的質(zhì)量控制等項(xiàng)目。

5.1.1馬氏體淬火加熱最佳溫度的選擇

應(yīng)使軸承鋼在奧氏體中含有合適的含碳量和溶入大量Cr、Mn、Mo等合金元素，不產(chǎn)生A晶粒粗大和不出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。長(zhǎng)期以來(lái)的實(shí)踐證明，以GCr15為例，A中溶入的含C量為0.5%～0.6%、含Cr量為1%、未溶解碳化物以6%～9%為最佳，相對(duì)應(yīng)推薦的加熱溫度為845±5 ℃。

5.1.2對(duì)零件名稱為套圈、滾子和鋼球的應(yīng)用

對(duì)零件名稱為套圈，尺寸為2～20、20～35、35～150、150～300、300～600和600～1800 mm的軸承，前三種的材料選用GCr15鋼，相應(yīng)的加熱溫度分別為830～850和840～860 ℃；后三種的材料選用GCr15SiMn鋼，相應(yīng)的加熱溫度為820～840 ℃。

對(duì)滾子直徑為1.5～5、5～15、15～23和23～30、30～55、55～70 mm的零件，選用的材料分別為GCr15和GCr15SiMn、GCr20SiMn，相應(yīng)的加熱溫度分別為840～860和820～840、830～850、830～850 ℃。

對(duì)鋼球直徑為0.75～1.5、1.5～3、3～14、14～50和50～75 mm的零件，材料選用GCr15，加熱溫度分別采用830～850、830～850、840～860、840～860和840～860 ℃。

5.1.3淬火冷卻介質(zhì)和冷卻方法

1)選用合適的淬火冷卻介質(zhì)，如表30所示。應(yīng)該保證軸承零件在奧氏體冷卻過(guò)程中的最不穩(wěn)定區(qū)達(dá)到一定的冷卻速度，即大于臨界冷卻速度，在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)變，減小組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和軸承零件的變形。

2)軸承零件常用的淬火冷卻方式與方法，如表31所示。按軸承零件不同質(zhì)量要求、形狀、厚度、尺寸等，采用一定的冷卻方法。通常方法有：小零件自由落下，工件上下振動(dòng)冷卻，分級(jí)淬火，等溫淬火，旋轉(zhuǎn)機(jī)冷卻(速度<1.5 m/s)，壓模淬火等。目的是為了減少零件變形、獲得均勻冷卻組織和一致的性能。軸承零件常用淬火冷卻方式和方法：滾動(dòng)淬火中小型滾子和鋼球，中小型套圈(<200 mm)，大型套圈(200～400 mm)，特大型套圈滾子，薄壁套圈，超輕，特輕套圈，應(yīng)用自動(dòng)搖框，滾筒，溜球斜板，手竄，強(qiáng)力攪動(dòng)油，噴油冷卻，振動(dòng)淬火機(jī)，旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)，吊架機(jī)動(dòng)冷卻，吹氣攪油旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)冷卻，在熱油中冷卻后入低油溫中冷卻，放入壓摸中冷至30～40 ℃脫?；驊?yīng)用加熱保護(hù)的套圈直接入模中油冷等。

表30 淬火介質(zhì)應(yīng)用范圍Table 30 The scope of application of quenching medium

表31 軸承零件常用的淬火冷卻方式與方法Table 31 Common quenching and cooling methods for bearing parts

5.1.4淬火后的質(zhì)量考核

以零件名稱、檢查項(xiàng)目、技術(shù)要求和檢查方法敘述。其中，軸承零件名稱以套圈、鋼球和滾柱滾針為例。檢查項(xiàng)目以硬度、顯微組織、斷口、裂紋、脫碳、軟點(diǎn)等缺陷和套圈的畸變等作說(shuō)明。

1)套圈

①硬度

套圈淬火后要求硬度>63 HRC，采用洛氏硬度計(jì)、維氏硬度計(jì)或顯微硬度計(jì)測(cè)定。

②顯微組織

淬火、回火后在套圈縱斷面上取樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)500倍，也允許用450～600倍評(píng)定。將淬火、回火試樣放入苦味酸苛性鈉水溶液(2 g苦味酸，25 g氫氧化鈉，100 mL蒸餾水中煮沸20 min后，進(jìn)行晶粒度測(cè)定。

顯微組織應(yīng)由隱晶或細(xì)小結(jié)晶狀馬氏體、均勻分布的細(xì)小殘留碳化物和少量的殘余奧氏體所組成。不允許有過(guò)熱針狀馬氏體或托氏體組織超過(guò)規(guī)定。淬火后殘留粗大碳化物顆粒平均直徑<4.2 μm，碳化物網(wǎng)<3級(jí)。

③斷口

套圈淬火后斷口具有細(xì)小晶粒閃爍光澤的斷口，不允許有欠熱、過(guò)熱以及其他形式斷口存在。

④裂紋、脫碳、軟點(diǎn)等缺陷

不允許有裂紋、脫碳、軟點(diǎn)等缺陷，不得超過(guò)規(guī)定值。檢查軟點(diǎn)和脫碳用冷酸洗方法，其深度用金相法測(cè)定。軟點(diǎn)用硬度計(jì)測(cè)定。裂紋用磁力探傷、冷酸洗、油浸噴砂等方法進(jìn)行檢查。

⑤套圈的畸變

套圈的畸變按原書(shū)表4-15、表4-16進(jìn)行控制(參看原書(shū)p134～135)。橢圓用外徑測(cè)量?jī)x測(cè)量；撓曲用G803儀器檢查；尺寸漲縮用外徑測(cè)量?jī)x檢查；圓錐內(nèi)套用D13或D914檢查。在檢查出套圈變形超過(guò)規(guī)定時(shí)，則100%需進(jìn)行變形的檢查。套圈變形超過(guò)規(guī)定可按后述整形方法進(jìn)行校正。

2)鋼球

鋼球直徑≤45 mm，淬火后硬度>64 HRC；鋼球直徑>45 mm，淬火后硬度>63 HRC，其他均同套圈。顯微組織、斷口、裂紋與其他缺陷的檢查方法同套圈的檢查方法。

3)滾柱滾針

滾柱滾針硬度、顯微組織、斷口、裂紋與其他缺陷的檢查方法同套圈的檢查方法。

5.1.5馬氏體顯微組織的檢測(cè)和出現(xiàn)原因以及對(duì)策

(1)過(guò)熱針狀馬氏體組織

出現(xiàn)原因：1)淬火溫度過(guò)高或在較高溫度下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；2)原材料碳化物帶狀嚴(yán)重；3)退火組織中碳化物大小分布不均勻或部分存在細(xì)片狀珠光體。

防止對(duì)策：1)降低淬火溫度；2)按材料標(biāo)準(zhǔn)控制碳化物不均勻程度；3)提高退火質(zhì)量，使退火組織為均勻細(xì)粒狀珠光體。

(2)6～7級(jí)托氏體組織

出現(xiàn)原因：1) 淬火溫度偏低或淬火溫度正常而保溫時(shí)間不足；2)冷卻太慢；3)原材料碳化物不均勻性嚴(yán)重和退火組織不均勻。

防止對(duì)策：1)提高淬火溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間；2)增加冷卻能力，采用旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)等；3)按材料標(biāo)準(zhǔn)控制碳化物不均勻程度；4)提高退火組織的均勻性。

(3)局部區(qū)域有針狀馬氏體，同時(shí)還存在塊狀、網(wǎng)狀和條狀托氏體

出現(xiàn)原因：1)退火組織極不均勻，有細(xì)片狀珠光體，組織未球化；2)淬火溫度偏高或保溫時(shí)間不適當(dāng)；3)原材料碳化物帶狀嚴(yán)重。

防止對(duì)策：1)降低淬火溫度，適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間；2)增加冷卻能力；3)提高退火組織的均勻性。

(4)碳化物網(wǎng)狀>2.5級(jí)

出現(xiàn)原因：1)原材料的網(wǎng)狀超過(guò)規(guī)定；2)鍛造時(shí)停鍛溫度過(guò)高及退火溫度過(guò)高冷卻緩慢形成網(wǎng)狀。

防止對(duì)策：在鹽爐或保護(hù)氣氛爐中加熱到930～950 ℃正火，正火后低溫退火，再進(jìn)行淬火、回火。

(5)殘留粗大碳化物直徑超過(guò)4.2 μm

出現(xiàn)原因：1)反復(fù)退火；2)原材料碳化物嚴(yán)重不均勻。

防止對(duì)策：加強(qiáng)對(duì)原材料的控制，盡量避免反復(fù)退火。

(6)硬度偏低，顯微組織合格

出現(xiàn)原因：1)淬火保溫時(shí)間太短；2)表面脫碳嚴(yán)重；3)淬火溫度偏低；4)油冷慢，出油溫度高。

防止對(duì)策：1)延長(zhǎng)保溫時(shí)間；2)適當(dāng)提高淬火溫度5～10 ℃；3)在保護(hù)氣體爐中或涂3～5 ω%硼酸酒精溶液加熱。

(7)硬度偏低，顯微組織出現(xiàn)塊狀或網(wǎng)狀托氏體

出現(xiàn)原因：淬火溫度偏低或冷卻不良。

防止對(duì)策： 1)適當(dāng)提高淬火溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間；2)強(qiáng)化冷卻。

(8)斷口，欠熱斷口

出現(xiàn)原因：淬火溫度偏低。

防止對(duì)策：提高淬火溫度。

(9)過(guò)熱斷口

出現(xiàn)原因：淬火溫度偏高。

防止對(duì)策：降低淬火溫度。

(10)顆粒狀斷口顯微組織合格

出現(xiàn)原因：鍛造過(guò)燒。

防止對(duì)策：控制鍛造加熱溫度不超過(guò)1100 ℃。

(11)帶小亮點(diǎn)的斷口

出現(xiàn)原因: 網(wǎng)狀碳化物嚴(yán)重。

防止對(duì)策： 按標(biāo)準(zhǔn)控制碳化物網(wǎng)狀。

(12)軟點(diǎn)，體積軟點(diǎn)(40～55 HRC)

出現(xiàn)原因：1)鍛造過(guò)程局部脫碳；2)淬火加熱溫度低，保溫不夠；3)冷卻不良。

防止對(duì)策：提高淬火加熱溫度或適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間以及增加介質(zhì)的冷卻能力。

(13)表面軟點(diǎn)(比正常硬度低2～3 HRC)

出現(xiàn)原因:碳酸鈉水溶液配制不當(dāng)，溫度較高，碳酸鈉水溶液上面有油。

防止對(duì)策： 采用熱配碳酸納水溶液，溫度<35 ℃，或增加碳酸鈉水溶液濃度為15～20 ω%。

(14)表面缺陷，氧化、脫碳、腐蝕坑嚴(yán)重

出現(xiàn)原因：1)爐子密封性差；2)淬火前工件表面清洗不干凈或有銹蝕；3)淬火溫度高或保溫時(shí)間長(zhǎng)；4)鍛件和棒料的脫碳嚴(yán)重。

防止對(duì)策： 1)改進(jìn)爐子密封性；2)淬火前工件表面清洗干凈，在保護(hù)氣體爐中加熱或涂3～5 ω%(硼酸酒精，鹽爐加熱淬火后零件清洗干凈。

(15)畸變，畸變量超過(guò)規(guī)定

出現(xiàn)原因： 1)退火組織不均勻，切削應(yīng)力分布不勻，淬火加熱溫度高，裝爐量多，加熱不均；2)冷卻太快和不均；3)加熱和冷卻中機(jī)械碰撞。

防止對(duì)策：1)提高退火組織的均勻性；2)增加去應(yīng)力退火工序；3)降低淬火加熱溫度；4)提高加熱和冷卻的均勻性；5)在熱油中冷卻或壓模淬火；6)消除加熱和冷卻中機(jī)械碰撞等；7)采用上述措施后畸變量仍超過(guò)規(guī)定可采用整形方法。

(16)裂紋, 淬火裂紋

出現(xiàn)原因：1)組織過(guò)熱，淬火溫度過(guò)高或在淬火溫度上限保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；2)冷卻太快，油溫低，淬火油中含水分超過(guò)0.25%；3)應(yīng)力集中，如圓錐內(nèi)套油溝呈尖角，車加工套圈表面留有粗而深的刀痕，以及套斷面處；4)表面脫碳；5)返修中間未經(jīng)退火；6)淬火后未及時(shí)回火。

防止對(duì)策：1)降低淬火溫度；2)提高零件出油溫度或提高淬火油的溫度；3)降低車加工表面粗糙度；4)增加去應(yīng)力工序；5)減少表面的脫碳，貧碳以及從設(shè)計(jì)和加工中避免零件產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(未完待續(xù))