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圓錐滾子軸承套圈熱處理質(zhì)量控制

2018-01-03

孫欽賀
（杭州駿馬軸承有限公司）

　　高碳鉻鋼制圓錐滾子軸承套圈如圖1、圖2所示。由于本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在著厚薄不均問題。如31315外圈，Z厚為19.33mm，Z薄處4.89mm；31315內(nèi)圈Z厚為18.2mm，Z薄處9.1mm；給編制熱處理工藝造成很大難度。

　　在熱處理過程中，由于套圈本身結(jié)構(gòu)、熱處理工藝、加工設(shè)備以及人為因素等導(dǎo)致了套圈組織過熱、欠熱、裂紋、變形超差、磕碰傷等缺陷。這些缺陷直接造成了產(chǎn)品報廢如過熱、裂紋、脫碳嚴(yán)重及嚴(yán)重的磕碰傷等。有的缺陷雖然不至于產(chǎn)品報廢，但會對壽命產(chǎn)生影響如欠熱托氏體超標(biāo)，對軸承壽命產(chǎn)生影響導(dǎo)致軸承早期破環(huán)。有的缺陷造成經(jīng)濟(jì)損失（如熱處理變形超差，需要整形耗費(fèi)人力物力）。因此，加強(qiáng)熱處理質(zhì)量控制很有必要。

　　一、防止產(chǎn)生過熱（粗針狀馬氏體）組織

　　高碳鉻鋼制軸承套圈淬火后組織應(yīng)為隱晶、細(xì)小結(jié)晶或小針狀馬氏體。由于圓錐軸承套圈結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)厚壁端組織符合要求時，薄壁端就可能出現(xiàn)圖3所示粗大針狀馬氏體是明顯的過熱組織。這種顯微組織超過《JB/T1255—2014滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。這種顯微組織會導(dǎo)致軸承的韌性下降，抗沖擊性能降低，軸承的壽命也降低。過熱嚴(yán)重甚至?xí)斐纱慊鹆鸭y。其原因淬火加熱溫度過高或加熱保溫時間太長造成，也可能是原材料碳化物帶狀嚴(yán)重或者退火組織碳化物大小分布不均勻。采取的措施按材料標(biāo)準(zhǔn)選用（如壁厚有效厚度超過15mm時，可選用GCr15SiMn鋼），合理選擇加熱溫度、加熱時間。嚴(yán)格控制碳化物帶狀。提高退火質(zhì)量，如遇停電、設(shè)備故障等及時采取有效措施。

　　二、防止產(chǎn)生欠熱（塊狀或針狀托氏體）組織

　　高碳鉻軸承鋼制軸承套圈淬火后組織出現(xiàn)較為明顯針狀托氏體如圖4所示，較大團(tuán)塊狀托氏體如圖5所示，托氏體或針狀托氏體與塊狀托氏體混合在一起如圖6所示，帶狀托氏體如圖7所示，超過《JB/T1255—2014滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》規(guī)定，稱為欠熱組織。

　　塊狀托氏體是由于加熱不足產(chǎn)生的；針狀托氏體是冷卻不良引起的。而帶狀托氏體是軸承鋼原材料中帶狀碳化物引起在貧碳區(qū)呈條帶狀分布的，它使硬度下降，耐磨性急劇降低，影響軸承壽命.產(chǎn)生原因淬火溫度偏低保溫時間不夠或冷卻不良。

　　生產(chǎn)中若出現(xiàn)托氏體，則要檢查其金相顯微組織，分析原因采取相應(yīng)的措施。如托氏體為塊狀的，則要適當(dāng)提高淬火加熱溫度，延長保溫時間；若是針狀托氏體，則應(yīng)加大冷卻速度。若加熱溫度、保溫、冷卻皆正常又出現(xiàn)托氏體，則要檢查原材料問題、控溫問題、設(shè)備故障等方面，及時找出原因采取措施。

　　三、防止產(chǎn)生淬火裂紋

　　零件在淬火過程中產(chǎn)生的裂紋，多數(shù)是在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)冷卻時，由于淬火應(yīng)力在零件表面附近所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了該溫度下鋼的斷裂強(qiáng)度而引起的。酸洗后淬火裂紋套圈如圖8所示；淬火裂紋與材料裂紋、鍛造裂紋主要區(qū)別特征是淬火裂紋的兩側(cè)沒有脫碳現(xiàn)象；淬火裂紋部位的顯微組織如圖9所示。

　　一般來說，淬火時在Ms點(diǎn)以下快冷是造成淬火裂紋的主要原因。然而，淬火前原始應(yīng)力過大、原材料中的缺陷及其引起的應(yīng)力集中、加熱時零件表面的脫碳都可能促使裂紋的形成。

　　1.常見裂紋
　　常見軸承零件的淬火裂紋如下：

　?。?）淬火過熱形成的裂紋
　　淬火加熱溫度過高、保溫時間過長，引起奧氏體晶粒粗大，使淬火后馬氏體脆性增加，強(qiáng)度下降而開裂。其裂紋特征是：套圈沿圓周方向的細(xì)裂紋，常產(chǎn)生在厚薄交界處。

　?。?）冷卻速度過大產(chǎn)生的裂紋
　　零件在冷卻速度過大的介質(zhì)中或淬火時落入底部有水的油槽中冷卻，由于冷卻速度過大，顯著增加組織應(yīng)力而形成裂紋。這種裂紋常在厚薄交界處產(chǎn)生。

　?。?）由于淬火前原始應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋
　　零件淬火前，如果沒有充分消除冷加工應(yīng)力或者零件返修前未去除前一次淬火應(yīng)力，那么這些未消除的應(yīng)力與淬火疊加而產(chǎn)生裂紋。

　?。?）應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋
　　套圈打字過深、車削痕跡過深、油溝過深（尖）以及鋼球銼削疲跡等都程中因產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋。

　?。?）材料缺陷引起的裂紋
　　鋼中的材料缺陷如疏松白點(diǎn)氣孔夾雜以及碳化物分布不均勻等均會引起的淬火應(yīng)力集中，而產(chǎn)生淬火裂紋。

　?。?）表面脫碳產(chǎn)生的裂紋
　　表面脫碳不但使零件表面強(qiáng)度降低而且使表層和心部的Ms點(diǎn)溫度不同，冷卻時馬氏體的轉(zhuǎn)變先后時間不同引起較大的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生間斷細(xì)小不深的網(wǎng)狀淬火裂紋。

　　（7）淬火后未及時回火產(chǎn)生的裂紋
　　淬火馬氏體在淬火應(yīng)力的長時間作用下，其斷裂強(qiáng)度隨時間的延長而降低。因此，淬火后的零件不及時回火，將引起裂紋。

　　（8）撞擊產(chǎn)生的裂紋
　　套圈淬火后，出油溫度較高，如果立即清洗或回火前受到碰撞，由于淬火應(yīng)力過大和機(jī)械碰撞力而產(chǎn)生沿縱向?qū)挻笳R的貫穿性大裂紋。

　　2.防止措施
　　為了防止淬火裂紋的產(chǎn)生，針對其產(chǎn)生的原因采取如下措施：

　　（1）加強(qiáng)原材料驗收檢查，嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量。

　?。?）選擇合理淬火溫度和保溫時間，嚴(yán)防工件過熱，特別是對過細(xì)的退火組織和二次淬火的零件，更要注意這一點(diǎn)。

　?。?）選擇合適的冷卻介質(zhì)和冷卻方式，嚴(yán)防淬火油內(nèi)混水（淬火油中含水分低于0.1%），應(yīng)控制淬火冷卻介質(zhì)溫度（淬火油溫度在90℃左右）；對于易開裂的壁厚的復(fù)雜零件，采用分級淬火。

　?。?）淬火后或冷處理后不應(yīng)停留，特別是二次淬火的零件淬火后要立即回火，回火要充分。

　　四、控制碳勢防止表面脫碳

　　軸承零件在熱處理過程中，如果是在氧化性介質(zhì)中加熱，表面會發(fā)生氧化作用使零件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，造成表面脫碳。表面脫碳層的深度超過Z后加工的留量就會使零件報廢。表面脫碳層深度的測定在金相檢驗中可用金相法和顯微硬度法。以表面層顯微硬度分布曲線測量法為準(zhǔn)，可做仲裁判據(jù)。

　　軸承套圈淬回火拋光后發(fā)現(xiàn)表面有明顯的麻點(diǎn)，軸承零件脫碳層是在金相顯微組織下的典型形態(tài)是：外層是白亮的鐵素體，之下是貧碳層過渡到正常組織區(qū)域。脫碳嚴(yán)重的軸承套圈拋光后表面明顯的麻點(diǎn)如圖10所示，線切割后觀察縱斷面發(fā)現(xiàn)脫碳層深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定如圖11所示，其原因是套圈在淬火加熱過程中，淬火加熱爐內(nèi)的碳勢低，經(jīng)調(diào)查是由爐頂?shù)稳爰状嫉目灼渲杏幸粋€被堵塞，導(dǎo)致滴入爐內(nèi)甲醇量少所致。采取的措施為防止?fàn)t頂進(jìn)氣管結(jié)碳，影響保護(hù)氣氛碳勢，要求操作工每班必須疏通1～2次。

　　五、分析原因采取措施，防止磕碰傷產(chǎn)生

　　套圈淬回火后發(fā)現(xiàn)有明顯的磕碰傷如圖12、圖13所示，導(dǎo)致套圈報廢。其原因在熱處理過程中，工件在生產(chǎn)線掉落油槽過程中、接口處（如冷熱清洗劑之間、冷清清洗機(jī)和回火爐之間）和回火爐落料口以及在拋光過程中套圈之間互相碰撞產(chǎn)生磕碰傷。

　　采取的措施在熱處理生產(chǎn)線各個接口處（如冷熱清洗劑之間、冷清清洗機(jī)和回火爐之間）和回火爐落料口加裝后耐熱橡皮，防止產(chǎn)生磕碰傷，對于較大重量相對較重的套圈采用掛拋機(jī)對套圈進(jìn)行拋光，拋光過程中，用手輕輕拿進(jìn)拿出，防止磕碰傷的發(fā)生。

　　六、控制淬火變形，防止因尺寸異常而報廢

　　軸承套圈在淬火加熱和冷卻以及組織轉(zhuǎn)變過程中，不可避免的產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，這種應(yīng)力的變化造成了套圈發(fā)生變形，導(dǎo)致套圈尺寸發(fā)生變化。

　　軸承套圈淬火引起的變形，包括了尺寸的漲縮和幾何形狀的變化。對于尺寸的漲縮，如果脹縮量過大，磨削留量過小，會導(dǎo)致磨加工后留有黑皮或車刀紋。導(dǎo)致報廢。如果變形過大，如平面發(fā)生翹曲變形，平面磨削完成后，平面部分留有黑皮或車刀紋，導(dǎo)致報廢。

　　套圈淬火變形除了本身剛性有關(guān)外還有如下因素：原材料成份、組織不均勻，退火組織不均勻，裝爐量大，淬火加熱溫度過高，淬火加熱不均勻；冷卻過程中冷卻不均勻以及在冷卻過程中發(fā)生碰撞等。因此，為了減少變形盡量采用較低的淬火加熱溫度和適當(dāng)?shù)谋貢r間，同時要求退火組織為均勻碳化物顆粒，適當(dāng)提高淬火冷卻油的溫度等。

　?。?）軸承套圈熱處理后尺寸漲縮量過大，磨削加工后磨削面留有黑皮導(dǎo)致報廢。
　　圖14、圖15為軸承套圈熱處理后外徑尺寸縮小，磨削留量小，磨加工后留有黑皮。

　　軸承套圈熱處理后滾道尺寸漲大（或縮?。?，磨削留量小磨加工后留有黑皮。圖16為軸承套圈熱處理后滾道尺寸漲大，磨削留量小磨加工后留有黑皮，圖17為軸承套圈熱處理后滾道尺寸縮小，磨削留量小磨加工后留有明顯的車刀紋。

　?。?）圖18、圖19為軸承套圈熱處理后平面翹曲變形，磨加工后平面部分留有黑皮。

　　以上是本文作者在長期的實際工作中積累下來的實踐經(jīng)驗和總結(jié)，可能存在一定的不當(dāng)之處，敬請同行指正。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志