当前位置:首页文章详情
影响高碳铬轴承钢轴承热处理质量的因素
作者: 管理员           时间:2019-01-05 00:00:00


xinwen_23.gif

一、轴承钢的冶金

  近年来随着冶金技术的提高,在重要炼钢厂的轴承钢的冶炼设备及工艺上已经完全达到了国际先进水平,从化学成分的配制、非金属夹杂物等的控制方面都已达到了技术要求,现在供应的优质、高级优质、特级优质轴承钢都已满足了市场需求,对于一些特种供应的轴承钢来说已经完全达到国际先进水平范围,其轴承钢制产品已经应用于航空、航天、汽车、工程机械、精密机床等行业。

  然而对于大批量的民用产品的供应上,则时而出现各种质量规格的供应链,致使终端轴承产品出现了产品质量参差不齐状况,这就拖了早日达到世界轴承强国的后腿,为此希望不符合质量标准的钢锭一律不出厂,从源头上严格控制轴承钢的冶金质量保证体系。

  二、锻造工艺及预备热处理

  轴承钢的锻造工艺也是确保最终产品质量的重要手段之一,国外的一些钢厂在钢锭浇铸后,切除端部一定长度尺寸的浇帽口,然后进行扩散退火,出炉后及时将长度方向的钢锭进行一定程度的压缩,使钢锭向横向方向延展开,然后再逐渐进行长度方向的多面体锻造,最后锻造成需要的尺寸规格,这样子做是为了改变钢锭的内部组织结构,避免带状碳化物等组织缺陷的出现。

  这种工艺的成本会高一些,但是它得到了良好的原始组织,为后续的热处理做了良好准备,这也是国外轴承钢的优势所在。大型钢锭根据需要开坯成各种规格的毛坯,其棒材、板(块)材、线或管材等的供货均需要进行球化退火处理,经碾扩工艺的套圈也需要进行球化退火。始锻温度不能太高,终锻后的坯料要散开或者喷雾冷却,当出现网状碳化物时,可以用正火工艺解决,从锻件上把好质量关,为最终热处理提供良好的坯料。

  三、轴承钢零件的保定热处理设备

  轴承钢的热处理根据产品的分类一般为内圈、外圈、滚柱、钢球、滚针等。其中内外套圈的热处理工艺较为复杂,技术要求很高。它们的材料一般是:GCr15SiMn、GCr15、GCr18Mo、GCr15SiMo、GCr4等,根据产品的技术要求、大小和有效厚度选择相对应的材料。它们的热处理设备一般为可控气氛多用炉、可控气氛底装料多用炉、可控气氛输送带式辊棒炉、网带炉、滚筒炉及真空淬火炉等。这对中小型轴承的热处理是比较适合的,为此将进行讨论。对于大型轴承内外套圈一般都会用箱式炉、台车炉、井式炉、钟罩炉等,在此不再赘述。

  1.可控气氛多用炉、底装料多用炉和辊棒炉

  对于有效厚度≥10mm的轴承钢内外套圈的加热淬火,使用快速光亮或超速淬火油进行淬火,其心部组织很难达到技术要求,特别是有些企业对产品心部组织要求必须≤1级,为此需要用硝盐进行马氏体分级淬火或者下贝氏等温淬火,只有这样淬火才能满足技术要求。加热设备为可控气氛多用炉、底装料多用炉或辊棒炉,在使用密封箱式多用炉时,其炉门的密封性一定要可靠,炉门的火封装置要良好。

  从产量对比而言辊棒炉的装炉量要比多用炉及底装料多用炉高出许多,从产品的质量标准而言基本都是一样的。其硝盐淬火糟有开式和闭式二种,闭式结构对环境友好些。凡要求用硝盐淬火的炉子,开炉后不会轻易停炉,因为硝盐冷却后再启动需要较长的时间和较大的功率,一般都是采用保温功能。所以维持整条生产线所消耗的功率是较大的,在选择炉型时要有的放矢,慎重选择。

  2.可控气氛网带炉

  对于有效厚度<10mm的内外轴承套圈加热淬火用多用炉、底装料多用炉、辊棒炉、网带炉的都有,但是用得较多的基本都使用辊棒炉和网带炉,其淬火冷却介质的选用,根据有效壁厚的大小及技术要求,可以分别选择快速光亮淬火油和分级淬火油来解决。

  网带炉的使用范围很广泛,它分为有马弗罐和无马弗罐二种炉型,前者是八十年初期从瑞士莎非特﹙SAFED﹚公司引进的技术,通过消化吸收后变革成为国产的有马弗罐网带炉,其马弗罐的宽度一般在200~500mm,用于淬火、浅层渗碳或碳氮共渗。根据产品的技术要求,有马弗罐的网带炉可以做成各种规格的炉型,国外在使用马弗罐网带炉时,基本是应用于精密零件的热处理,如组装好的整套冲压滚针轴承的碳氮共渗或渗碳等。大型的马弗罐网带炉其马弗宽度可以做到900mm,对精密弹性零件、钟表等零件的淬火其马弗罐宽度也可以做到100mm。

  在国外马弗罐网带炉的网带在局部破损后可以进行局部更新,但是国内的网带已经改变成折边结构,网带一旦出现破损采用局部更换很困难,一般都是整条更换。有马弗罐的网带炉炉罐密封性较好,炉内气氛控制较好掌握,可以确保炉内气氛长期的稳定性,做出的轴承产品没有贫脱碳现象,马弗罐的使用在寿命5年左右,炉膛寿命30年左右。无马弗罐网带炉同样可以进行淬火、渗层深度≤0.3mm的浅层渗碳或渗氮共渗热处理,但是要精确控制炉内渗碳或碳氮共渗气氛的长期稳定性有时会有一定的难度,当仅用于淬火时的保护气氛时基本上是可以达到稳定的目的,无马弗罐的炉膛寿命在进行浅层渗碳时一般为10年左右,出现炉膛裂纹时很难寻找到,用于淬火时的炉膛寿命会长一些。

  3.可控气氛滚筒炉

  对于轴承用的滚动体如钢球、滚子、滚针等,为了得到滚动体在加热淬火时的硬度均匀性,必须使滚动体在加热时随着滚筒的自转,滚动体自己也在边旋转边前进,滚筒炉内需要通可控气氛。对于大批量的滚动体的加热应该选择可控气氛滚筒炉自动生产线,其耐热钢的滚筒直径为1000~2000mm,筒的内壁焊有一定高度的连续式的耐热钢螺旋片,滚筒在旋转时它可以使滚动体边翻动边前进,这样子滚动体就加热均匀了,这种炉型是全自动上料,一头进料,另一头出料,滚动体在尾部出来时直接慢慢落入快速光亮淬火油或水溶性剂淬火介质中冷却。

  对于多品种少批量的滚动体的加热,则用八角形橄榄状的保护气氛滚筒炉较好,它是人工加料,前面进料前面出料的淬火方式。不建议使用网带炉加热淬火的方式。

  4.真空加热淬火炉

  对于那些产品技术要求较高的小型不锈钢轴承及高碳铬轴承等精密零件可以采用真空淬火工艺,气油淬双窒真空炉是较好的选择,它的操作环境友好,根据料筐的层数或装料方式的不同,选择不同冷却速度的真空淬火油,真空淬火的零件具有硬度均匀、抗疲劳性能好、耐磨性高、使用寿命长、淬火后畸变较小且清洁光亮等优点。真空淬火时在不引起合金元素挥发的条件下,真空度高一些,炉内的残留氧和水蒸气会减少许多,淬出的轴承套圈光亮性也很好,保持金属本色,但是真空度不要选择太高,否则会造成套圈表面脱铬等缺陷。

  四、轴承钢零件的保定热处理工艺

  1.可控气氛的调整方法

  在使用箱式多用炉、底装料多用炉、网带炉、滚筒炉自动生产线中都需要用可控气氛来保证轴承零件表面的碳势,并且不产生脱碳现象,目前使用得较多的是氮甲醇气氛加丙烷气,因为它的成本较低,它们是一个很稳定的气源,国内外都在广泛使用,对于制造气氛所用的原材料纯度要求需要达到:丙烷≥97%,甲醇≥99.9%,氮气≥99.999%。对于密封多用炉类型的炉子来说,在使用时必须将炉内空气排出,炉口的火封装置要良好,炉门的密封性能要可靠,装在料筐内的轴承零件要分布合理,便于加热时受热均匀和淬火冷却时淬火介质的流动性好,当轴承零件在加热到600℃时有一个等温均热阶段,然后再加热到所需要的加热温度,使料筐内的轴承零件达到受热均匀一致,这样淬出来的轴承零件每一炉的硬度均匀性都是<1HRC。

  在使用可控气氛密封箱式多用炉或连续式输送带式炉型的热处理设备时,新的炉子必须将炉内的水分充分排除干净,轴承零件在进炉前的排气工作是非常重要,当炉温升到500℃时需要在炉子的尾部通入氮气,持续保温几个小时,然后继续升温到800℃时再通入甲醇气氛,再保温一定时间,最后升到工作温度时,通入丙烷后仍持续保温若干时间,此时观察炉口的火焰颜色呈现桔黄色时,炉内气氛已经调整好了,前期的排气工作做得好坏会直接影响轴承零件的表面颜色。

  关于轴承零件的表面颜色问题国外只要求达到均匀一致的颜色即可,但是国内关注度较高,有些企业为了达到表面光亮色,投入较大的资金,增加了热处理完工后的轴承零件进行喷砂抛光防锈等措施,但是在没有彻底清洗干净的情况下,残留的金刚砂末在防尘槽内成为磨损源,当轴承在高速运转时而落入滚道内,导致轴承提前损坏,影响整机的正常运转而失效。轴承钢零件在可控气氛炉内加热生产的表面光亮度,要求达到金属本色是做不到的,因为铬在可控气氛下和一氧化碳的反应而会生成发暗的颜色,为此可以通过合理调整炉内可控气氛的比率及选择优质的淬火油来达到轴承零件表面颜色有所改进是可以的,对于薄壁件可以做到光亮。

  我们的做法是:控制好气源的质量,特别是甲醇和丙烷的水分要严格控制,氮气采用液氮气化。甲醇的裂解有二种方式:一种是通过甲醇高或低温裂解机产生甲醇气体,其镍基触媒剂要定期更换,平时工作时裂解机也要及时排水,裂解气通入炉膛前要进行汽水分离后才可以进入炉膛尾部的进气口;

  另外一种是甲醇在炉内直生的方法,但是经常会导致管道堵死,因为管道在炉顶保温层内的温度为500~700℃,甲醇液体来不及气化而造成炭黑使管道逐渐堵死,通过对管道进行特殊的改造后基本可以做到半年以上不疏通管道,气流也很畅通。丙烷的储罐长期使用后会使含有水分的残液留在罐底,致使送入炉膛内的丙烷气量不足及含水量超标,炉内气氛含有水分造成脱碳性气氛的产生,使轴承零件表面有屈氏体及颜色发蓝或黑色出现,所以要对储罐进行定期除渣。在300kg以上的丙烷储罐装置中,设备本身带有气化及除水装置,所以丙烷气化的纯度要好出许多,它也有一个定期除渣的要求,但是周期可以长一些。

  另外彻底排除炉内及淬火油槽内的空气和水分工作是很重要的,可以通入氮气将炉内空气赶走,油循环泵和油帘泵需要保证其密封性不能泄漏。在使用硝盐淬火槽进行马氏体分级淬火或下贝氏体等温淬火时,硝盐槽内含水量不宜过多,否则对于密封型淬火槽来说,在进入硝盐槽的炉门口交接处,有含水分较高的盐蒸气会跑入炉膛内造成炉内脱碳性气氛的出现,使轴承零件表面有托氏体出现。对于输送带类型的炉子来说,其落料斗内的油帘调整很关键,落料斗上必须有窥视孔及油帘大小调节球阀,在油帘下方的油烟气必须通过抽气泵经气油分离器抽出后,再送到炉口做辅助火帘。

  关于炉内碳势的调整,氧探头的正常使用可以确保炉内气氛平稳,影响碳势的因素是炉内的气氛,在合格的气氛进入炉膛后还出现碳势偏高的原因有以下几点:炉内气氛未调整好、工件没有清洗烘干干净、油烟气过多、油帘没有调整好、氧探头失灵、炉温故障、淬火油失效等,其中以油烟气过多为主要原因,当油帘调整不好时,大量的油烟气会跑入炉膛内造成碳势偏高的假象。氧探头的碳势可用定碳片来校正,定碳片是用含碳量在wC=0.06%~0.09%,厚度0.05mm低碳钢箔做的,定碳片的检测可用C230硫氮分析仪进行,此方法操作简单在1分钟内就完成了。

  2.轴承钢零件的保定热处理工艺调整

  整套实体轴承的热处理以套圈的淬火较为复杂,其中又以外圈的淬火畸变最为突出,在提高产品质量的前提下,许多企业都收紧了硬度、圆度和锥度的热处理要求,这就需要良好的热处理设备和先进合理的热处理工艺相配合。

  对于输送带式的炉子,要采用较低的加热温度和适当的加热保温时间,根据产品的规格不同采用不同的加热温度(820~850℃),并留有足够的预热时间,摆料方式外径<50mm的套圈,可以散装堆放,外径≥50mm的套圈需要人工或自动码放,外径>100mm的套圈要人工码放,套圈之间呈45°摆放,并在套圈之间要留有一定的间隙,防止加热时外圈热膨胀而产生挤压变形。淬火油品的选择应该是使用寿命长而耐高温的分级淬火油,淬火油槽中的油帘应该采用液下泵,对于锥度和圆度要求较高的薄壁套圈,需要调整小输送带上的无级调速器的上下窜动的频率(0~5)和送料速度。

  同时还需要提高淬火油温度(90~120℃),大网带的运行速度也可以放慢一些。对于有效厚度≥10mm的套圈,采用密封箱式炉类型的多用炉时,需要在500~600℃有一个等温均热时间,用辊棒炉时,各加热区的温度可以合理布置。淬火介质是硝盐马氏体分级淬火或下贝氏体等温淬火技术,其硝盐应该是配置好的优质精盐,不建议用户自己配制。

  对于精度要求较高小微型轴承套圈的淬火在真空炉中进行是个很好的选择,真空淬火可以脱去钢中有害杂质,从而提高轴承套圈的耐磨性和接触疲劳性2倍以上,但是真空度不能太高,一般在1~10-1Pa,否则会脱铬,造成轴承零件在真空淬火时局部粘黏,使耐磨性下降。

  一般淬火加热时间比一般箱式多用炉要高出3~5倍,所以在550~600℃应该有一个均热阶段,然后升到加热淬火区保温(830~850℃),根据装炉量及技术要求选择快、中、慢不同冷却速度的真空淬火油。滚动体的加热和淬火必须在有保护气氛的滚筒炉中进行,用网带炉加热是不好的选择,淬火冷却介质选用快速光亮淬火油或水溶性淬火介质,其淬火温度要求偏高一些(840~860℃),它们的硬度要求比套圈高出1HRC,但是金相组织必须达到技术要求。

  对于高精密轴承的热处理工艺建议增加一道低于Mf马氏体转变终了点-78℃的冷处理,它可以提高轴承的尺寸稳定性,一般在-80℃冷处理保温2~4h,此时的残留奥氏体在8%(GCr15SiMn)左右,而不需要进行-180℃的深冷处理,否则因为残留体量(2.6%)太少,这会使组织应力太大,会造成超纤维裂纹,会降低接触疲劳寿命和冲击韧性,所以-180℃的深冷处理工序不推荐使用。特别要提醒的是在输送带生产线上有冷、热清洗二个槽子,应该将配有(4~7℃)冷冻机的冷清洗槽直接接到淬火油槽后面,最后再连接热清洗槽,否则起不到稳定尺寸作用,应用冷水的效果比冷处理要差许多。

  五、淬火冷却介质的选择

  轴承零件的淬火冷却介质的选择,对于有效壁厚在1~5mm套圈类型的产品应以不同规格的分级淬火油或“量身定做”的轴承专用淬火油为主,因为它们拥有较高的特性温度,闪点燃点高,蒸气膜阶段短,破膜能力强,低温冷却速度慢,淬应力小,故淬火畸变小,热氧化安定性好,具有长期稳定的冷却性能,易清洗,使用寿命长。

  有效壁厚在6~10mm的套圈,应该使用相应的快速光亮淬火油或“量身定做”的快速轴承专用淬火油,它们的冷却能力强,高温冷却速度快,低温冷却速度适中,既能使轴承零件获得高而均匀的硬度,又能较好地控制淬火变形,淬火后轴承表面易清洗,热氧化安定性好,使用寿命长。

  淬火油在长达10年的使用中,由于炉内碳黑及杂物的进入污染了淬火油的纯净度,此时需要配一台高速离心净油机来过滤杂质,它不会改变淬火油的化学及物理性能,在条件许可的情况下,建议每个热处理车间配置一台净油机,这对保护淬火油的清洁度,提高光亮性有极大的好处。也可以使用除碳剂对油品进行阶段性除碳除杂质。

  有效壁厚≥10mm的套圈,应该使用盐浴淬火剂进行马氏分级淬火或下贝氏体等温淬火,专用硝盐淬火介质的成分固定且混合均匀,纯净度高,钙镁铁等杂质极少,长期使用后的积聚盐渣极少,盐浴流动性好,轴承零件硝盐淬火后表面清洁,颜色均匀,盐浴的使用寿命长。

  在轴承套圈的有效厚度≤1mm的精密小微型套圈的淬火时,需要使用真空淬火油进行真空淬火,真空淬火油的馏程窄,饱和蒸气压极低,抗氧化能力强,不易挥发,易抽真空,光亮性好,易清洗,油的带耗少,热氧化安定性好,使用寿命长,使用温度在40~60℃较好,但要求轴承零件清洗干燥后才能进入真空炉,经真空淬火后的套圈清洁光亮呈现金属本色。

  滚动体的淬火根据尺寸大小可以分别选择快速光亮淬火油和水溶性剂淬火介质,在有效厚度>10mm时,可以应用ACR、PAG或PVP等类型的水溶性淬火介质,其淬火烈度大的则使用高浓度,反之亦然。