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軸承制造技術——熱處理

要滿足軸承性能要求,以淬火硬化為目的的熱處理是不可少的工序。熱處理工序中所消耗的能源占軸承制造工序總能耗的25%左右。因此,從節能、環保角度,對軸承制造過程中的熱處理進行分析,主要的對策包括:熱處理工序的高效化;小變形熱處理技術等。

1 軸承的熱處理方法

以淬火硬化為目的的軸承熱處理方法有多種,多數情形下可大致分為整體淬火、滲碳淬火、高頻淬火、碳氮共滲等。


整體淬火是最普通的軸承熱處理工藝,材料多數使用高碳鉻軸承鋼(GCr15)。在熱處理爐中加熱到840 ℃左右,并使球化退火所形成的碳化物在基體中適度、均勻地固溶,進而淬火冷卻后,實施低溫回火。通過未溶碳化物與回火析出的碳化物,獲得均勻的析出組織,可用于要求耐磨的軸承。


滲碳淬火是在熱處理爐中將低碳合金鋼于930 ℃左右保溫,管理爐內的滲碳性氣體,從表面到內部使碳滲入擴散,進行淬火的熱處理,由于碳濃度的梯度,淬火后的表面硬化,因內部比表面硬度低,用于要求耐沖擊性的軸承。


高頻淬火是利用感應加熱的熱處理,主要用于中碳鋼,應用于形狀復雜的汽車車輪用軸承等,只硬化必要部位。


碳氮共滲是在滲碳性氣體中添加5%左右的氨,在表面層附近析出氮化物??紤]到,奧氏體中的碳與氮的溶解度差異,通常是在低于滲碳溫度的750~850 ℃下進行處理,尤其是對于在混入異物的環境下使用的軸承的長壽命化最有效。

熱處理高效化(壓縮滲碳時間)

在滲碳淬火熱處理中,尤其要求通過高效化以實現節能,與整體淬火的處理時間相比,滲碳淬火的處理時間長達前者的幾倍到數十倍(處理時間隨著軸承尺寸不同而有差異,但大尺寸軸承有時候要在爐中經過將近100 h的處理),因此消耗較多的能源,為降低能耗,縮短滲碳時間是有待解決的一大課題。


氣體滲碳廣泛應用于批量生產。通常,按照滲碳的機理,一般認為有2個階段。在第1階段是由于滲碳氣體與鋼材的滲碳反應,碳向鋼材表面移動的階段;第2階段,滲碳氣體與鋼材表面的碳勢大致相等之后,鋼材表面的碳向內部擴散,表面碳勢降低,由滲碳氣體補充,要縮短滲碳時間有必要提高第1,2階段的速度。


使用普通的RX氣體進行氣體滲碳時,為加速其第1階段的滲碳,一般要加大滲碳氣體中的CO, H2的分壓力。近年來,正在著眼于改變滲碳氣體中所含CO, H2的分壓力,開發旨在提高滲碳速度、壓縮滲碳時間的技術此外,作為替代氣體滲碳的滲碳工藝,通過在稱為真空滲碳低壓氣氛中,使少量的碳化氫系氣體直接與工件接觸,以進行滲碳,提高碳在鋼表面的滲入速度。


在碳擴散的第2階段,由于碳的擴散依賴于溫度,通過提高滲碳溫度,可以大幅度縮短滲碳時間。不過,由于滲碳溫度高,晶粒粗大化等重要原因,會導致機械性能降低,所以,滲碳溫度存在不能超過晶粒粗化極限溫度的問題。開發可解決上述問題的材料也是解決問題的途徑。


從材料方面考慮,需開發新的材料,即容易使碳滲入鋼材表面的材料。此外,通過使用高淬透性的材料,使有效硬化層深度加深,能縮短滲碳時間,但目前來看,這樣的新材料價格較高。

小變形熱處理技術

熱處理過程中會發生變形,熱處理后的變形量決定了后續磨削工序(圖1)的磨削余量。軸承的制造工序中,僅次于熱處理能耗的是磨削、組裝工序,通過減小磨削余量可壓縮磨削的循環時間,降低熱處理變形關系到削減大量能耗。

圖1  軸承的普通制造工序

以軸承鋼熱處理時的尺寸變化(圖2)為例,隨著加熱時的溫升,發生熱膨脹與奧氏體化,并在冷卻時產生熱收縮,馬氏體相變時產生熱處理變形。這樣一來,熱處理時有很多引起尺寸變化的要素,由于該尺寸變化時產生偏差,而發生熱處理變形。該尺寸變化的偏差,是加熱、冷卻時的溫度偏差引起,均勻地加熱、冷卻可降低熱處理變形。


為此,防止熱處理變形的對策有以下幾種:以降低加熱時的溫度不均為目的的多級升溫;以降低冷卻時的溫度不均為目的的多級冷卻;還有淬火油種類、油槽攪拌速度的最優化之類的措施。近年來,也在采取其他對策:如,通過模擬熱處理時油槽內的油液流動,進行分析,開發形成均勻油液流動的油槽;通過改善熱處理夾具,能實現均勻加熱、冷卻。


此外,尤其在容易發生熱處理變形的壁軸承方面,根據熱處理時溫度與尺寸變化的關系(圖2)進行淬火(壓模淬火)。如果是軸承鋼,經整體淬火引起的相變導致尺寸膨脹,在Ms點之后,約束外徑側,并用壓力機一邊控制工件上下方向,一邊完成淬火。由于滲碳淬火完成后尺寸幾乎沒有改變,淬火過程中發生熱收縮,一邊用壓力機控制并約束內徑側,一邊實施淬火,進而大幅度地降低熱處理變形(圖3)。


在熱處理的尺寸變化時,利用該變化進行約束淬火是降低熱處理變形的有效對策之一。軸承并不像齒輪那樣形狀復雜,由于形狀簡單,一直在實施約束淬火,不過,約束淬火的熱處理成本比普通熱處理費用高是有待解決的問題。

圖2  熱處理時溫度與尺寸變化

圖3  約束淬火方法

因此,開發出不產生熱處理變形的熱處理技術,是一項有意義的研究工作。針對影響鋼材變形的因素,也可采取適當的對策,例如,減少材料偏析,在不進行鍛造工序時,降低材料的殘余應力等。

小結

上面闡述了軸承的幾種典型熱處理方法,與以節能為目的的高效化與低變形熱處理技術,但為了適應減輕環境負擔的要求,熱處理工序方面發揮更大的作用,進一步提高技術水平是不可缺少的,有必要以節能為核心,進一步實現低成本化。

(來源:軸承雜志社)


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