鋼材熱處理之: 影響高碳鉻軸承鋼軸承熱處理質量的因素

一、軸承鋼的冶金

近年來隨著冶金技術的提高,在重要煉鋼廠的軸承鋼的冶煉設備及工藝上已經完全達到了國際先進水平,從化學成分的配制、非金屬夾雜物等的控制方面都已達到了技術要求,現在供應的優質、高級優質、特級優質軸承鋼都已滿足了市場需求,對于一些特種供應的軸承鋼來說已經完全達到國際先進水平范圍,其軸承鋼制產品已經應用于航空、航天、汽車、工程機械、精密機床等行業。

然而對于大批量的民用產品的供應上,則時而出現各種質量規格的供應鏈,致使終端軸承產品出現了產品質量參差不齊狀況,這就拖了早日達到世界軸承強國的后腿,為此希望不符合質量標準的鋼錠一律不出廠,從源頭上嚴格控制軸承鋼的冶金質量保證體系。

二、鍛造工藝及預備熱處理

軸承鋼的鍛造工藝也是確保最終產品質量的重要手段之一,國外的一些鋼廠在鋼錠澆鑄后,切除端部一定長度尺寸的澆帽口,然后進行擴散退火,出爐后及時將長度方向的鋼錠進行一定程度的壓縮,使鋼錠向橫向方向延展開,然后再逐漸進行長度方向的多面體鍛造,最后鍛造成需要的尺寸規格,這樣子做是為了改變鋼錠的內部組織結構,避免帶狀碳化物等組織缺陷的出現。

這種工藝的成本會高一些,但是它得到了良好的原始組織,為后續的熱處理做了良好準備,這也是國外軸承鋼的優勢所在。大型鋼錠根據需要開坯成各種規格的毛坯,其棒材、板(塊)材、線或管材等的供貨均需要進行球化退火處理,經碾擴工藝的套圈也需要進行球化退火。始鍛溫度不能太高,終鍛后的坯料要散開或者噴霧冷卻,當出現網狀碳化物時,可以用正火工藝解決,從鍛件上把好質量關,為最終熱處理提供良好的坯料。

三、軸承鋼零件的熱處理設備

軸承鋼的熱處理根據產品的分類一般為內圈、外圈、滾柱、鋼球、滾針等。其中內外套圈的熱處理工藝較為復雜,技術要求很高。它們的材料一般是:GCr15SiMn、GCr15、GCr18Mo、GCr15SiMo、GCr4等,根據產品的技術要求、大小和有效厚度選擇相對應的材料。它們的熱處理設備一般為可控氣氛多用爐、可控氣氛底裝料多用爐、可控氣氛輸送帶式輥棒爐、網帶爐、滾筒爐及真空淬火爐等。這對中小型軸承的熱處理是比較適合的,為此將進行討論。對于大型軸承內外套圈一般都會用箱式爐、臺車爐、井式爐、鐘罩爐等,在此不再贅述。

1.可控氣氛多用爐、底裝料多用爐和輥棒爐

對于有效厚度≥10mm的軸承鋼內外套圈的加熱淬火,使用快速光亮或超速淬火油進行淬火,其心部組織很難達到技術要求,特別是有些企業對產品心部組織要求必須≤1級,為此需要用硝鹽進行馬氏體分級淬火或者下貝氏等溫淬火,只有這樣淬火才能滿足技術要求。加熱設備為可控氣氛多用爐、底裝料多用爐或輥棒爐,在使用密封箱式多用爐時,其爐門的密封性一定要可靠,爐門的火封裝置要良好。

從產量對比而言輥棒爐的裝爐量要比多用爐及底裝料多用爐高出許多,從產品的質量標準而言基本都是一樣的。其硝鹽淬火糟有開式和閉式二種,閉式結構對環境友好些。凡要求用硝鹽淬火的爐子,開爐后不會輕易停爐,因為硝鹽冷卻后再啟動需要較長的時間和較大的功率,一般都是采用保溫功能。所以維持整條生產線所消耗的功率是較大的,在選擇爐型時要有的放矢,慎重選擇。

2.可控氣氛網帶爐

對于有效厚度<10mm的內外軸承套圈加熱淬火用多用爐、底裝料多用爐、輥棒爐、網帶爐的都有,但是用得較多的基本都使用輥棒爐和網帶爐,其淬火冷卻介質的選用,根據有效壁厚的大小及技術要求,可以分別選擇快速光亮淬火油和分級淬火油來解決。

網帶爐的使用范圍很廣泛,它分為有馬弗罐和無馬弗罐二種爐型,前者是八十年初期從瑞士莎非特﹙SAFED﹚公司引進的技術,通過消化吸收后變革成為國產的有馬弗罐網帶爐,其馬弗罐的寬度一般在200～500mm,用于淬火、淺層滲碳或碳氮共滲。根據產品的技術要求,有馬弗罐的網帶爐可以做成各種規格的爐型,國外在使用馬弗罐網帶爐時,基本是應用于精密零件的熱處理,如組裝好的整套沖壓滾針軸承的碳氮共滲或滲碳等。大型的馬弗罐網帶爐其馬弗寬度可以做到900mm,對精密彈性零件、鐘表等零件的淬火其馬弗罐寬度也可以做到100mm。

在國外馬弗罐網帶爐的網帶在局部破損后可以進行局部更新,但是國內的網帶已經改變成折邊結構,網帶一旦出現破損采用局部更換很困難,一般都是整條更換。有馬弗罐的網帶爐爐罐密封性較好,爐內氣氛控制較好掌握,可以確保爐內氣氛長期的穩定性,做出的軸承產品沒有貧脫碳現象,馬弗罐的使用在壽命5年左右,爐膛壽命30年左右。無馬弗罐網帶爐同樣可以進行淬火、滲層深度≤0.3mm的淺層滲碳或滲氮共滲熱處理,但是要精確控制爐內滲碳或碳氮共滲氣氛的長期穩定性有時會有一定的難度,當僅用于淬火時的保護氣氛時基本上是可以達到穩定的目的,無馬弗罐的爐膛壽命在進行淺層滲碳時一般為10年左右,出現爐膛裂紋時很難尋找到,用于淬火時的爐膛壽命會長一些。

3.可控氣氛滾筒爐

對于軸承用的滾動體如鋼球、滾子、滾針等,為了得到滾動體在加熱淬火時的硬度均勻性,必須使滾動體在加熱時隨著滾筒的自轉,滾動體自己也在邊旋轉邊前進,滾筒爐內需要通可控氣氛。對于大批量的滾動體的加熱應該選擇可控氣氛滾筒爐自動生產線,其耐熱鋼的滾筒直徑為1000～2000mm,筒的內壁焊有一定高度的連續式的耐熱鋼螺旋片,滾筒在旋轉時它可以使滾動體邊翻動邊前進,這樣子滾動體就加熱均勻了,這種爐型是全自動上料,一頭進料,另一頭出料,滾動體在尾部出來時直接慢慢落入快速光亮淬火油或水溶性劑淬火介質中冷卻。

對于多品種少批量的滾動體的加熱,則用八角形橄欖狀的保護氣氛滾筒爐較好,它是人工加料,前面進料前面出料的淬火方式。不建議使用網帶爐加熱淬火的方式。

4.真空加熱淬火爐

對于那些產品技術要求較高的小型不銹鋼軸承及高碳鉻軸承等精密零件可以采用真空淬火工藝,氣油淬雙窒真空爐是較好的選擇,它的操作環境友好,根據料筐的層數或裝料方式的不同,選擇不同冷卻速度的真空淬火油,真空淬火的零件具有硬度均勻、抗疲勞性能好、耐磨性高、使用壽命長、淬火后畸變較小且清潔光亮等優點。真空淬火時在不引起合金元素揮發的條件下,真空度高一些,爐內的殘留氧和水蒸氣會減少許多,淬出的軸承套圈光亮性也很好,保持金屬本色,但是真空度不要選擇太高,否則會造成套圈表面脫鉻等缺陷。

四、軸承鋼零件的熱處理工藝

1.可控氣氛的調整方法

在使用箱式多用爐、底裝料多用爐、網帶爐、滾筒爐自動生產線中都需要用可控氣氛來保證軸承零件表面的碳勢,并且不產生脫碳現象,目前使用得較多的是氮甲醇氣氛加丙烷氣,因為它的成本較低,它們是一個很穩定的氣源,國內外都在廣泛使用,對于制造氣氛所用的原材料純度要求需要達到:丙烷≥97%,甲醇≥99.9%,氮氣≥99.999%。對于密封多用爐類型的爐子來說,在使用時必須將爐內空氣排出,爐口的火封裝置要良好,爐門的密封性能要可靠,裝在料筐內的軸承零件要分布合理,便于加熱時受熱均勻和淬火冷卻時淬火介質的流動性好,當軸承零件在加熱到600℃時有一個等溫均熱階段,然后再加熱到所需要的加熱溫度,使料筐內的軸承零件達到受熱均勻一致,這樣淬出來的軸承零件每一爐的硬度均勻性都是<1HRC。

在使用可控氣氛密封箱式多用爐或連續式輸送帶式爐型的熱處理設備時,新的爐子必須將爐內的水分充分排除干凈,軸承零件在進爐前的排氣工作是非常重要,當爐溫升到500℃時需要在爐子的尾部通入氮氣,持續保溫幾個小時,然后繼續升溫到800℃時再通入甲醇氣氛,再保溫一定時間,最后升到工作溫度時,通入丙烷后仍持續保溫若干時間,此時觀察爐口的火焰顏色呈現桔黃色時,爐內氣氛已經調整好了,前期的排氣工作做得好壞會直接影響軸承零件的表面顏色。

關于軸承零件的表面顏色問題國外只要求達到均勻一致的顏色即可,但是國內關注度較高,有些企業為了達到表面光亮色,投入較大的資金,增加了熱處理完工后的軸承零件進行噴砂拋光防銹等措施,但是在沒有徹底清洗干凈的情況下,殘留的金剛砂末在防塵槽內成為磨損源,當軸承在高速運轉時而落入滾道內,導致軸承提前損壞,影響整機的正常運轉而失效。軸承鋼零件在可控氣氛爐內加熱生產的表面光亮度,要求達到金屬本色是做不到的,因為鉻在可控氣氛下和一氧化碳的反應而會生成發暗的顏色,為此可以通過合理調整爐內可控氣氛的比率及選擇優質的淬火油來達到軸承零件表面顏色有所改進是可以的,對于薄壁件可以做到光亮。

我們的做法是:控制好氣源的質量,特別是甲醇和丙烷的水分要嚴格控制,氮氣采用液氮氣化。甲醇的裂解有二種方式:一種是通過甲醇高或低溫裂解機產生甲醇氣體,其鎳基觸媒劑要定期更換,平時工作時裂解機也要及時排水,裂解氣通入爐膛前要進行汽水分離后才可以進入爐膛尾部的進氣口;

另外一種是甲醇在爐內直生的方法,但是經常會導致管道堵死,因為管道在爐頂保溫層內的溫度為500～700℃,甲醇液體來不及氣化而造成炭黑使管道逐漸堵死,通過對管道進行特殊的改造后基本可以做到半年以上不疏通管道,氣流也很暢通。丙烷的儲罐長期使用后會使含有水分的殘液留在罐底,致使送入爐膛內的丙烷氣量不足及含水量超標,爐內氣氛含有水分造成脫碳性氣氛的產生,使軸承零件表面有屈氏體及顏色發藍或黑色出現,所以要對儲罐進行定期除渣。在300kg以上的丙烷儲罐裝置中,設備本身帶有氣化及除水裝置,所以丙烷氣化的純度要好出許多,它也有一個定期除渣的要求,但是周期可以長一些。

另外徹底排除爐內及淬火油槽內的空氣和水分工作是很重要的,可以通入氮氣將爐內空氣趕走,油循環泵和油簾泵需要保證其密封性不能泄漏。在使用硝鹽淬火槽進行馬氏體分級淬火或下貝氏體等溫淬火時,硝鹽槽內含水量不宜過多,否則對于密封型淬火槽來說,在進入硝鹽槽的爐門口交接處,有含水分較高的鹽蒸氣會跑入爐膛內造成爐內脫碳性氣氛的出現,使軸承零件表面有托氏體出現。對于輸送帶類型的爐子來說,其落料斗內的油簾調整很關鍵,落料斗上必須有窺視孔及油簾大小調節球閥,在油簾下方的油煙氣必須通過抽氣泵經氣油分離器抽出后,再送到爐口做輔助火簾。

關于爐內碳勢的調整,氧探頭的正常使用可以確保爐內氣氛平穩,影響碳勢的因素是爐內的氣氛,在合格的氣氛進入爐膛后還出現碳勢偏高的原因有以下幾點:爐內氣氛未調整好、工件沒有清洗烘干干凈、油煙氣過多、油簾沒有調整好、氧探頭失靈、爐溫故障、淬火油失效等,其中以油煙氣過多為主要原因,當油簾調整不好時,大量的油煙氣會跑入爐膛內造成碳勢偏高的假象。氧探頭的碳勢可用定碳片來校正,定碳片是用含碳量在wC=0.06%～0.09%,厚度0.05mm低碳鋼箔做的,定碳片的檢測可用C230硫氮分析儀進行,此方法操作簡單在1分鐘內就完成了。

2.軸承鋼零件的熱處理工藝調整

整套實體軸承的熱處理以套圈的淬火較為復雜,其中又以外圈的淬火畸變最為突出,在提高產品質量的前提下,許多企業都收緊了硬度、圓度和錐度的熱處理要求,這就需要良好的熱處理設備和先進合理的熱處理工藝相配合。

對于輸送帶式的爐子,要采用較低的加熱溫度和適當的加熱保溫時間,根據產品的規格不同采用不同的加熱溫度(820～850℃),并留有足夠的預熱時間,擺料方式外徑<50mm的套圈,可以散裝堆放,外徑≥50mm的套圈需要人工或自動碼放,外徑>100mm的套圈要人工碼放,套圈之間呈45°擺放,并在套圈之間要留有一定的間隙,防止加熱時外圈熱膨脹而產生擠壓變形。淬火油品的選擇應該是使用壽命長而耐高溫的分級淬火油,淬火油槽中的油簾應該采用液下泵,對于錐度和圓度要求較高的薄壁套圈,需要調整小輸送帶上的無級調速器的上下竄動的頻率(0～5)和送料速度。

同時還需要提高淬火油溫度(90～120℃),大網帶的運行速度也可以放慢一些。對于有效厚度≥10mm的套圈,采用密封箱式爐類型的多用爐時,需要在500～600℃有一個等溫均熱時間,用輥棒爐時,各加熱區的溫度可以合理布置。淬火介質是硝鹽馬氏體分級淬火或下貝氏體等溫淬火技術,其硝鹽應該是配置好的優質精鹽,不建議用戶自己配制。

對于精度要求較高小微型軸承套圈的淬火在真空爐中進行是個很好的選擇,真空淬火可以脫去鋼中有害雜質,從而提高軸承套圈的耐磨性和接觸疲勞性2倍以上,但是真空度不能太高,一般在1～10^-1Pa,否則會脫鉻,造成軸承零件在真空淬火時局部粘黏,使耐磨性下降。

一般淬火加熱時間比一般箱式多用爐要高出3～5倍,所以在550～600℃應該有一個均熱階段,然后升到加熱淬火區保溫(830～850℃),根據裝爐量及技術要求選擇快、中、慢不同冷卻速度的真空淬火油。滾動體的加熱和淬火必須在有保護氣氛的滾筒爐中進行,用網帶爐加熱是不好的選擇,淬火冷卻介質選用快速光亮淬火油或水溶性淬火介質,其淬火溫度要求偏高一些(840～860℃),它們的硬度要求比套圈高出1HRC,但是金相組織必須達到技術要求。

對于高精密軸承的熱處理工藝建議增加一道低于Mf馬氏體轉變終了點-78℃的冷處理,它可以提高軸承的尺寸穩定性,一般在-80℃冷處理保溫2～4h,此時的殘留奧氏體在8%(GCr15SiMn)左右,而不需要進行-180℃的深冷處理,否則因為殘留體量(2.6%)太少,這會使組織應力太大,會造成超纖維裂紋,會降低接觸疲勞壽命和沖擊韌性,所以-180℃的深冷處理工序不推薦使用。特別要提醒的是在輸送帶生產線上有冷、熱清洗二個槽子,應該將配有(4～7℃)冷凍機的冷清洗槽直接接到淬火油槽后面,最后再連接熱清洗槽,否則起不到穩定尺寸作用,應用冷水的效果比冷處理要差許多。

五、淬火冷卻介質的選擇

軸承零件的淬火冷卻介質的選擇,對于有效壁厚在1～5mm套圈類型的產品應以不同規格的分級淬火油或“量身定做”的軸承專用淬火油為主,因為它們擁有較高的特性溫度,閃點燃點高,蒸氣膜階段短,破膜能力強,低溫冷卻速度慢,淬應力小,故淬火畸變小,熱氧化安定性好,具有長期穩定的冷卻性能,易清洗,使用壽命長。

有效壁厚在6～10mm的套圈,應該使用相應的快速光亮淬火油或“量身定做”的快速軸承專用淬火油,它們的冷卻能力強,高溫冷卻速度快,低溫冷卻速度適中,既能使軸承零件獲得高而均勻的硬度,又能較好地控制淬火變形,淬火后軸承表面易清洗,熱氧化安定性好,使用壽命長。

淬火油在長達10年的使用中,由于爐內碳黑及雜物的進入污染了淬火油的純凈度,此時需要配一臺高速離心凈油機來過濾雜質,它不會改變淬火油的化學及物理性能,在條件許可的情況下,建議每個熱處理車間配置一臺凈油機,這對保護淬火油的清潔度,提高光亮性有極大的好處。也可以使用除碳劑對油品進行階段性除碳除雜質。

有效壁厚≥10mm的套圈,應該使用鹽浴淬火劑進行馬氏分級淬火或下貝氏體等溫淬火,專用硝鹽淬火介質的成分固定且混合均勻,純凈度高,鈣鎂鐵等雜質極少,長期使用后的積聚鹽渣極少,鹽浴流動性好,軸承零件硝鹽淬火后表面清潔,顏色均勻,鹽浴的使用壽命長。

在軸承套圈的有效厚度≤1mm的精密小微型套圈的淬火時,需要使用真空淬火油進行真空淬火,真空淬火油的餾程窄,飽和蒸氣壓極低,抗氧化能力強,不易揮發,易抽真空,光亮性好,易清洗,油的帶耗少,熱氧化安定性好,使用壽命長,使用溫度在40～60℃較好,但要求軸承零件清洗干燥后才能進入真空爐,經真空淬火后的套圈清潔光亮呈現金屬本色。

滾動體的淬火根據尺寸大小可以分別選擇快速光亮淬火油和水溶性劑淬火介質,在有效厚度>10mm時,可以應用ACR、PAG或PVP等類型的水溶性淬火介質,其淬火烈度大的則使用高濃度,反之亦然。

作者:鄒磊,侯奎,孫清汝,王錫樵 

單位:南京科潤工業介質股份有限公司

來源:http://gang.www.qpamc.cn/index.html