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冷處理在軸承鋼零件加工中的應用

將淬火工件由常溫繼續冷卻到更低的溫度,使殘余奧氏體轉變為馬氏體的熱處理操作稱為冷處理。冷處理的目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性,穩定工件尺寸,主要用于軸承、工具以及部分滲碳件等。


一般把鋼鐵材料經過普通的熱處理后進一步冷卻到攝氏零度以下某一溫度(通常為0~-80℃)的處理方法稱為普通冷處理或冰冷(subzero)處理;而把低于-130℃以下(通常為-130~-196℃)的冷處理叫做深冷(cryogenic)處理,深冷處理又常稱為超低溫處理。


深冷處理是將被處理工件置于特定的、可控的低溫環境中,使材料的微觀組織結構產生變化,從而達到提高或改善材料性能的一種技術。被處理材料在低溫環境下由于微觀組織結構發生改變,宏觀上表現為材料的耐磨性、尺寸穩定性、屈服強度、抗拉強度等方面的提高。應用行業包括航空航天、精密儀器儀表、摩擦偶件、工模具、量具、紡織機械零件、汽車工業和軍事科學等領域。深冷處理可以使得賽車、摩托車、輪船、滑雪撬、小型賽車等上的發動機零部件的使用壽命大大延長。

冷處理的原理

鋼奧氏體化加熱后淬火到室溫,奧氏體會轉變為馬氏體,使鋼的硬度和強度明顯提高。鋼淬火冷卻時奧氏體要過冷到一定溫度才開始轉變為馬氏體,此溫度稱為馬氏體開始轉變點(Ms),降溫到更低的一定溫度完成馬氏體轉變,此溫度被稱為馬氏體終止轉變點(Mf)(圖1)。鋼的碳含量、化學成分、奧氏體化加熱溫度等均影響奧氏體轉變為馬氏體,特別是對于高碳鉻軸承鋼,淬火熱處理后一定存在部分殘余奧氏體和殘余應力,對零件的使用性能會產生一定的影響(過多的殘余奧氏體和殘余應力導致尺寸不穩定、容易產生磨削裂紋等)。冷處理能使鋼中奧氏體進一步轉變為馬氏體,并能改善鋼中殘余應力的分布,析出更多的細小碳化物,從而起到彌散強化的作用,對無相變材料能使晶界發生畸變,從而增強基體性能。

圖1 鋼中馬氏體開始和終止轉變溫度和含碳量的關系

軸承鋼的冷處理

有關軸承鋼冷處理的研究也非常多,包括GCr15鋼、航空高溫軸承鋼、滲碳軸承鋼等,除了在韌性方面有所降低之外(沖擊韌性降低,最高降低21%[1]),幾乎所有的研究都表明了冷處理的諸多優點:殘奧降低;硬度提高;耐磨性提高;抗拉強度提高;細小碳化物析出,疲勞壽命提高等等。


例如:文獻[2]對一種以馬氏體為基體的航空軸承鋼(Cr-Co-Mo系高溫軸承鋼)開展了真空低壓滲碳及滲碳后熱處理工藝研究,試驗結果表明,試驗鋼經過“滲碳+淬火+深冷+回火+深冷+回火”后,得到了良好的組織性能,殘留奧氏體得到有效的控制、網狀碳化物得以消除、硬度梯度平緩且無“低頭”現象。通過馬氏體相變、碳化物的析出使得試驗鋼的表面硬度相較于退火態初始硬度提高了20HRC。

滲碳熱處理工藝

文獻[3]研究了滲碳軸承鋼G20Cr2Ni4A經滲碳、二次淬火及不同條件的深冷處理后力學性能:隨著深冷處理時間的延長,殘余奧氏體含量下降,滲碳層的表面硬度得以提高;同時深冷處理可提高其材料的抗拉強度,減少滲碳鋼的沖擊功。


幾個問題的探討

1)殘余奧氏體含量

軸承鋼中殘余奧氏體的含量要根據其服役條件(應用工況)來平衡,對尺寸精度、耐磨性要求高,可能需要冷處理等工序嚴格控制奧氏體的含量。GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件  熱處理技術條件》規定的淬回火后的殘余奧氏體含量見下表。

表E.1  軸承零件常規回火后的殘余奧氏體含量

表E.2  軸承零件高溫回火后的殘余奧氏體含量

2)奧氏體穩定化

這里主要是指奧氏體熱穩定化,奧氏體在冷卻過程中因等溫停留而使繼續冷卻時的馬氏體轉變溫度降低和殘余奧氏體量增多的相變遲滯現象。奧氏體熱穩定化的確切機理還不是特別清晰,對軸承鋼的冷處理來說,主要是冷處理的工序問題,是在回火前還是回火后處理。需要根據機加工性能、力學性能和殘余奧氏體含量等綜合后確定熱處理工藝路線。


3)冷處理溫度

軸承鋼冷處理的學術研究上基本都是進行深冷處理,文獻[4]給出的常用軸承零件的冷處理溫度見下表,因此,實際冷處理溫度還需要根據具體情況深入探討。

4)冷處理時間

冷處理保溫時間的長短,有學者認為:殘留奧氏體轉變成馬氏體的量只取決于冷卻達到的溫度,在低溫下的保持時間無關緊要,因為殘留奧氏體一馬氏體轉變在低溫冷卻的瞬間即完成,故不必在低溫保持,只需使工件從外到里冷透即可。也有人認為:要根據工件的導熱性、體積、冷透所需的時間及殘余奧氏體的轉變穩定情況等因素確定冷處理時間,冷處理時間長的要比短的效果好,因為長時間冷處理可以使鋼中的殘余奧氏體充分地轉變及更有利于碳化物粒子的形成,轉變完成后,零件的硬度不會再有明顯地變化。因此,冷處理保溫時間也需要根據實際情況進行合理的控制。


參考文獻:

[1] 趙國華,于文平,魏建勛. 深冷處理對GCr15組織和力學性能的影響[J].材料開發與應用,2010,25(1):26-29.

[2]王會,王昊杰,賈濤,等. 航空軸承鋼的真空低壓滲碳工藝[J].金屬熱處理,2020,45(1):1-5.

[3]張玲,陳卉珍, 陳小超,等. 深冷處理對G20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼力學性能的影響[J].熱處理技術與裝備[J].2016,37(3):41-46.

[4] 劉秀蓮,羅燕,班君. 深冷處理原理及其在軸承零件加工中的應用[J].哈爾濱軸承,2014,35(4):36-37.

[5] 冷處理和深冷處理,金屬熱處理,2021.

[6] 樊東黎.鋼的冷處理和深冷處理[J].熱處理,2010,25(6):1-6.

[7] 陳九龍,魯蘇皖,龔易愷,等.鋼鐵材料深冷處理的研究進展[J].四川冶金,2020,42(4):2-8.

[8] 陳葉青,吳益文,秦子威,等. 深冷處理對GCr15軸承鋼組織及力學性能的影響[J].機械工程材料,2018,42(5):55-58,62.



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