軸承套圈的球化組織對(duì)切削性能的影響

張博威，肖琪，張新生，趙彥偉，楊斌

1.天津緊固連接技術(shù)科技企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300300

2.航天精工股份有限公司 天津 300300

3.空軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局 北京 100000

1 序言

工業(yè)三大基礎(chǔ)件之一的軸承，在機(jī)械工業(yè)中承擔(dān)著重要的作用。軸承在工作過程中承受極高的交變載荷、摩擦、腐蝕等危害，特別在滾道部位起到承受支撐、旋轉(zhuǎn)（或偏轉(zhuǎn)）和減小摩擦阻力等作用，其質(zhì)量直接決定了軸承的游隙和摩擦力矩等基本性能，其尺寸精度和幾何公差對(duì)整個(gè)軸承的壽命起決定性的影響。

軍用軸承鋼（如GCr15Z，GJB 6484—2008《軍用高碳鉻軸承鋼規(guī)范》）的球化退火是重要的預(yù)備熱處理工藝。目前，常規(guī)出廠的軸承鋼產(chǎn)品均達(dá)到球化退火級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于那些有特殊尺寸要求的則可以提供非球化組織的鋼材或用戶將常規(guī)鋼料經(jīng)改鍛后再進(jìn)行球化退火。

鋼材經(jīng)熱壓力（碾擴(kuò)、鍛造）加工后的組織一般是細(xì)層片狀珠光體＋細(xì)的網(wǎng)狀碳化物，其硬度≥207HBW，這種組織對(duì)于車削加工很不利，易造成崩刀頭，影響表面粗糙度并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在淬火時(shí)容易出現(xiàn)淬火畸變大的問題，造成磨削困難，為此需要進(jìn)行球化退火處理，其目的是使鋼中的不規(guī)則細(xì)層片狀珠光體＋網(wǎng)狀碳化物進(jìn)行碳化物的完全球化，呈現(xiàn)細(xì)小、均勻的球粒狀碳化物而彌散分布于鐵素體基體上，獲得2～3級(jí)均勻組織（GB/T 34891—2017《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》），為最終熱處理做好原始組織的準(zhǔn)備[1]。對(duì)于因熱壓力加工溫度偏高或冷卻速度很慢、堆冷而造成粗大網(wǎng)狀的組織，必須進(jìn)行正火后再球化退火處理。

經(jīng)球化退火的組織會(huì)使材料的切削性能變好，過熱敏感性降低，可降低刀具的磨損和車床的損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本文以單列深溝球軸承的外圈溝道車削加工為例，在不完全球化退火（未球化）和獲得完全球化組織時(shí)對(duì)加工精度的影響進(jìn)行分析。

2 球化退火不完全對(duì)車削加工的影響

根據(jù)套圈加工流程，改鍛后的套圈經(jīng)球化退火后的外形尺寸、特別是滾道需要精確的車削加工，這為后續(xù)滾道的砂輪磨削和油石超精加工做好精度儲(chǔ)備。

在不同預(yù)備熱處理工藝條件下，對(duì)切削性能進(jìn)行對(duì)比分析，在相同的切削條件下，即機(jī)床、刀具、切削參數(shù)相同時(shí)，不同球化退火組織對(duì)套圈的表面加工精度的影響。

2.1 對(duì)表面粗糙度的影響

球化退火不完全（未球化）的材料在車削后，表面質(zhì)量和幾何公差不能滿足要求，外觀上明顯發(fā)暗和粗糙，圖1a所示為不完全球化退火的套圈滾道，圖1b所示為完全球化退火的套圈滾道。圖2、圖3所示為不完全球化退火套圈和完全球化退火套圈表面粗糙度檢測(cè)結(jié)果。從圖2、圖3可看出，表面粗糙度值差異明顯，分別為Ra=2.88μm（未球化組織）和Ra=0.82μm（球化組織）。

圖1 套圈車削加工后套圈滾道

圖2 不完全球化退火套圈滾道表面粗糙度

圖3 完全球化退火套圈滾道表面粗糙度

2.2 對(duì)圓度和輪廊度的影響

對(duì)套圈滾道用圓度儀進(jìn)行圓度檢測(cè)，在相同加工條件下加工出的套圈圓度差異較大。不完全球化退火組織加工出來的套圈圓度達(dá)到18.51μm（見圖4），而完全球化退火組織加工出來的套圈圓度僅為4.82μm（見圖5）；輪廓度對(duì)套圈的影響也較大，不完全球化退火組織加工出來的套圈輪廓度達(dá)到20.04μm（見圖6），而完全球化退火組織加工出來的套圈輪廓度僅為5.8μm（見圖7）。

圖4 不完全球化退火套圈圓度

圖5 完全球化退火套圈圓度

圖6 不完全球化退火套圈輪廓度

圖7 完全球化退火套圈輪廓度

3 球化退火的機(jī)理和影響因素

3.1 球化退火的機(jī)理

軸承鋼的熱處理是為了改變碳化物形態(tài)，包括碳化物的形狀、大小、數(shù)量和分布情況，球化退火是為了獲得均勻、細(xì)小顆粒狀珠光體。球化退火工藝主要決定于奧氏體化工藝、冷卻工藝的確定，并與退火前的原始組織有很大的相關(guān)性[2]。隨著加熱的進(jìn)行、碳化物的溶解，通過合理的工藝控制可獲得盡可能多且彌散分布的細(xì)小未溶碳化物顆粒。在冷卻階段通過控制冷卻速度，達(dá)到球化退火的目的。片狀珠光體球化退火過程機(jī)理如圖8所示[3]。

圖8 片狀珠光體球化退火過程機(jī)理示意

常用的球化退火工藝主要有兩種：一是常規(guī)球化退火工藝，如圖9所示；二是等溫球化退火工藝，如圖10所示，二者的主要區(qū)別在于冷卻速度和溫度控制方面。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制球化退火工藝，使碳化物球化完全，促進(jìn)碳化物呈現(xiàn)細(xì)小、均勻的球粒狀，且均勻地分布在鐵素體基體上。這種組織可加工性好，經(jīng)淬火、回火后畸變量小，硬度分布均勻性好，可得到隱晶、細(xì)小結(jié)晶或小針狀馬氏體，具有均勻分布的細(xì)小殘留碳化物和少量殘留奧氏體組織的特點(diǎn)[4]。兩種球化退火工藝比較，優(yōu)先推薦采用等溫退火工藝。

圖9 常規(guī)球化退火常用工藝

圖10 等溫球化退火常用工藝

3.2 球化退火的金相組織

受熱壓力加工（碾擴(kuò)、鍛造）后的組織影響，若球化退火溫度低或保溫時(shí)間不足時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物＞2級(jí)，層片狀珠光體沒有完全球化，不完全球化退火的金相組織如圖11所示； 完全球化的組織應(yīng)是細(xì)小、均勻的碳化物分布在鐵素體基體上，如圖12所示。

圖11 不完全球化退火金相組織

圖12 完全球化退火金相組織

3.3 球化退火不完全的影響因素

球化退火在實(shí)際生產(chǎn)中的影響因素有很多，如熱壓力加工的質(zhì)量、球化退火加熱溫度、冷卻速度等，均是影響球狀碳化物顆粒形態(tài)的關(guān)鍵因素。原始組織中片狀碳化物越細(xì)薄、相界面越多、擴(kuò)散距離越短，奧氏體的形核和長(zhǎng)大速度就越快，轉(zhuǎn)變溫度也就越低。同時(shí)，細(xì)片狀的碳化物更容易溶解和斷裂，有利于獲得彌散度大的未溶碳化物質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)碳化物的球化。

欠熱組織和過熱組織的影響，是能否達(dá)到球化退火的重要因素。若制件加熱溫度偏低或保溫時(shí)間太短，則會(huì)造成欠熱，雖然大部分區(qū)域奧氏體化，但是碳化物的溶解不充分，未溶碳化物數(shù)量過多，甚至仍然保留著片狀形狀，最后就形成細(xì)粒狀＋細(xì)片狀組織；若制件加熱溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，則會(huì)造成過熱，也會(huì)形成較為粗大的球狀碳化物，且顆粒大小差異較大，片狀珠光體片層間距也較大，不利于后續(xù)的機(jī)加工和最終熱處理[5，6]。

因此，升溫速度、保溫時(shí)間和冷卻速度在整個(gè)球化退火過程中是影響球化質(zhì)量的重要因素。

4 結(jié)束語

球化退火作為常用的預(yù)備熱處理環(huán)節(jié)，在熱處理中發(fā)揮著降低硬度、便于切削以及為最終熱處理做組織準(zhǔn)備的重要作用，其熱處理質(zhì)量的好壞不僅對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能有較大的影響，還對(duì)產(chǎn)品機(jī)加工過程中表面質(zhì)量、尺寸精度和重要的幾何公差有較大影響。因?yàn)榍蚧嘶鸬谋举|(zhì)是獲得在鐵素體基體上分布細(xì)小、均勻、圓整的碳化物顆粒組織，所以碳化物的形狀、大小、數(shù)量和分布均對(duì)最終產(chǎn)品的性能有深遠(yuǎn)影響。因此，應(yīng)對(duì)材料球化退火工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，尤其是冷卻速度方面，建議使用較為穩(wěn)定的等溫球化退火工藝，還可以縮短總的退火時(shí)間。熱處理后的金相分析應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注片狀組織和網(wǎng)狀碳化物的存在和分布情況，對(duì)于沒有完全球化的材料，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行正火后快冷、再重新等溫退火處理。

以上分析僅以單列深溝球軸承外圈滾道車削加工為例，在磨削加工中也有類似的情況出現(xiàn)，分析方法和解決措施與此類似。在實(shí)際生產(chǎn)中除軍用軸承鋼（如GCr15Z ）外，也適用于G8Cr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等類型軸承鋼。