王錫樵 劉美冬
摘 要：通過對外徑<200mm的軸承套圈的熱處理設(shè)備和工藝進行分析，認為目前使用較多的輸送帶式爐型是符合節(jié)能環(huán)保要求的，其他爐型的使用有它的特殊性，并能發(fā)揮其獨特的作用。
1.鹽浴加熱淬火
鹽浴加熱淬火的特點是適用性廣，可以一個加熱爐用幾個淬火槽，它不受套圈形狀的限制，可以滿足小批量多品種生產(chǎn)的要求，對于剛剛起步的小微企業(yè)來說，設(shè)備投資低，操作簡單，就是勞動強度較大，操作環(huán)境差一些，但在環(huán)境保護方面只要選擇易溶解于水的中性鹽浴配方，如50%NaCI+50%NaCO和用603滲碳劑進行脫氧，就可以滿足生產(chǎn)要求，它們所產(chǎn)生的廢氣，廢渣，廢水都不會污染環(huán)境。對于確保產(chǎn)品質(zhì)量來說只要選擇合理的耐熱鋼掛具和淬火介質(zhì)是可以達到技術(shù)要求的，況且套圈淬火后的表面質(zhì)量較好，沒有氧化脫碳現(xiàn)象，不需要回火后進行光飾處理，節(jié)省了投資和人工等成本的開資。為了使套圈的畸變小，在設(shè)備方面應(yīng)該選用三相四極的側(cè)埋式或者頂埋式電極鹽浴爐，它在加熱時鹽浴的流動性比較好，比較均勻 ，鹽浴波對套圈的沖擊力比較小，溫度的測試靠插到鹽浴槽內(nèi)的熱電偶通過儀表能達到精確的控制，另外在淬火介質(zhì)方面應(yīng)該使用能有效地減少套圈在淬火冷卻過程中橢圓度的變化及能獲得良好的光亮性的軸承專用淬火油，對于<5mm薄壁件套圈來說可以選擇分級淬火油，如南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司的KR498G軸承專用淬火油;壁厚<12mm的用KR468G,對于<16mm的厚壁件的內(nèi)圈可以選擇快速淬火油，如KR028G軸承專用淬火油。這樣達到了一個加熱爐根據(jù)套圈的有效壁厚不同，使用幾個不同冷卻速度的淬火油槽的目的，對于特厚件的產(chǎn)品還可以選擇水劑淬火介質(zhì)，如配置一定濃度的KR6480，KR9980等水劑淬火介質(zhì)，這樣節(jié)省了能源和投資，做到了一爐多用的目的。
2.精密軸承的真空淬火
對于小，微型精密軸承來說，它的失效形式是磨損及疲勞損壞，因此需要軸承具有均勻的硬度,高的耐磨性、彈性極限和接觸疲勞強度，有足夠的淬透性和韌性以及微小的淬火畸變。為此可以選擇真空淬火技術(shù)，軸承鋼的真空熱處理首先是美國海斯公司和日本真空技術(shù)研究所在1968年前后研制出了真空淬火油和水劑淬火劑，使真空淬火技術(shù)在熱處理行業(yè)得到迅速的發(fā)展，從而使國內(nèi)外的真空淬火設(shè)備在軸承行業(yè)也得到了使用，特別是國產(chǎn)真空爐的整體質(zhì)量也不錯，價格又比進口真空爐便宜許多，從而在精密軸承熱處理方面得到了廣泛的使用，真空淬火它不會產(chǎn)生氧化和脫碳，可以實現(xiàn)光亮淬火的目的，淬火畸變又小，為此可以減少熱處理后的機械加工余量，真空淬火對工件具有脫氣作用，可以將鋼材內(nèi)的有害雜質(zhì)抽掉，從而提高了工件的力學(xué)性能和使用壽命，軸承鋼經(jīng)真空淬火后的耐磨性和疲勞壽命比一般的常規(guī)淬火可以提高2倍以上。真空淬火的操作環(huán)境清潔及其自動簡便，它屬于無公害無污染的清潔熱處理工序。
對于軸承套圈的外徑在4—50mm,厚度0.2—1.5mm;內(nèi)圈直徑在3—45mm,厚度0.5—1.5mm的技術(shù)要求是：淬火硬度〉63HRC,金相組織符合JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承熱處理技術(shù)條件》中規(guī)定的2級隱晶或細小結(jié)晶狀馬氏體，均勻分布的細小殘留碳化物和少量的殘留奧氏體。同一爐產(chǎn)品的淬火硬度差<1HRC，淬火畸變<0.01mm。為此需要用有質(zhì)量穩(wěn)定的真空淬火爐和優(yōu)良的淬火介質(zhì)來保證,為保證尺寸穩(wěn)定性在套圈真空淬火后應(yīng)該立即進行—80℃的深冷處理（馬氏體轉(zhuǎn)變終了點—78℃），最后進行油回火處理。
2.1 真空淬火爐
國外品牌的真空淬火爐如：
Hayes,abar.Ipsen,Degussa.lpsen,ALD,BMI,TAV,CONSARC,ECM等進入中國市場已經(jīng)很早，并且充當(dāng)了領(lǐng)頭羊的作用，對推動國產(chǎn)真空爐的發(fā)展起到了積極的促進作用，如真空高壓氣淬，真空油、氣淬雙室爐，真空低壓滲碳組合生產(chǎn)線等技術(shù)的應(yīng)用提高了工件的淬火質(zhì)量和生產(chǎn)效率。國內(nèi)生產(chǎn)真空爐的設(shè)備廠家也很多，但主要集中在北京的較多，如，北京航天萬源（原211廠），華海中誼，機電研究所，華翔，易利等，其他地方如鹽城豐東，沈陽佳譽,中山凱旋等國產(chǎn)真空爐的總體質(zhì)量也不錯，價格比進口的便宜很多，維護及售后服務(wù)也方便，這樣可以降低生產(chǎn)成本。對于精密小微型軸承來說采用真空油淬爐是較理想的設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)量的大小可以選擇規(guī)格不同的爐型。根據(jù)真空熱處理爐的分類應(yīng)該是周期中溫電阻式（700～1000℃）低壓真空熱處理爐（133Pa～10-1Pa），它分為立式和臥式二種，其中臥式油淬爐和臥式氣、油淬雙室爐的普及率很高，使用范圍也較大，除了淬軸承套圈以外還可以淬工模具零件，是一爐多用的設(shè)備。對于軸承套圈來說，真空淬火后表面很光亮，呈現(xiàn)銀白色，淬火硬度的分散度很小，在1HRC范圍 之內(nèi)。它在200℃以下回火時，用一般的真空回火爐在低溫回火時會產(chǎn)生微氧化現(xiàn)象，造成軸承鋼真空回火后會使表面顏色發(fā)暗，況且真空回火時間又長又耗氮氣，使生產(chǎn)成本增大，故一般使用專用回火油爐來替代真空回火爐，這是比較理想的工藝手段，如用KR535,KR565等回火油同樣可以達到光亮的目的，況且油回火后的硬度均勻性很好，設(shè)備投資及其生產(chǎn)成本也比真空回火低許多。
2.2 真空淬火油
對于精密小微型軸承來說，采用真空淬火技術(shù)是最理想的工藝，為此需要使用真空淬火油，因為真空淬火油它的特點是：（1）蒸氣壓較低，一般在10-4～10-2Pa，以確保在10-1～10Pa真空度條件下，真空淬火油不會產(chǎn)生明顯的揮發(fā)。（2）雜質(zhì)與殘?zhí)忌伲嶂档停慵婵沾慊鸷蟮谋砻婀饬炼葢?yīng)不低于標(biāo)準試樣的70%。（3）臨界壓強低，冷卻性能好，零件真空淬火后的硬度均勻，達到常壓淬火的硬度或者更高。（4）熱穩(wěn)定性好，即抗老化性能好，使用壽命長。生產(chǎn)真空油的國內(nèi)外供應(yīng)商很多，可以根據(jù)需求進行選擇。如南京科潤的真空淬火油根據(jù)冷卻速度的不同有快、中、慢三種，如：KR328、KR348、KR368三種，該公司還可以根據(jù)用戶的特殊要求設(shè)計出相應(yīng)的真空淬火油。在大量的生產(chǎn)實踐中證明，對于精密小微型軸承使用KR368真空淬火油是很理想的淬火介質(zhì)。
為確保軸承套圈的質(zhì)量和產(chǎn)量，根據(jù)真空淬火爐的型號大小不同，可以在裝料筐內(nèi)放3～4層料盤，由于真空加熱是以輻射為主，所以加熱速度比較慢，真空加熱的時間是鹽浴爐的4～6倍，空氣爐的1.5～2倍，所以要進行以預(yù)熱，使每層料盤上的套圈的溫度能均勻，其預(yù)熱溫度設(shè)在650～700℃左右，真空度40Pa,保持一段時間后再升溫到淬火加熱溫度，真空度0.1Pa。對于軸承鋼而言，在900℃以下加熱，真空度越高其脫氣效果越好，表面越光亮，但是也不能太高，否則會造成脫鉻，產(chǎn)品發(fā)生粘連，影響軸承的使用壽命，甚至于報廢。新的真空淬火油在使用前必須進行脫氣處理，操作方法是:關(guān)閉冷室爐門后開啟油攪拌器，進行抽真空除氣，從觀察孔中觀察油面沸騰情況，當(dāng)沸騰的油面即將達到離油槽口80—100mm時立即關(guān)閉機械真空泵,此時大量的氣泡會從油面逸出，等氣泡逐漸消失后，再打開真空泵繼續(xù)抽真空，氣泡還會出現(xiàn)，再關(guān)閉真空泵，這樣反復(fù)幾次，最后打開油加熱器對油進行加熱，并繼續(xù)抽真空直到?jīng)]有氣泡出現(xiàn)為止，此時真空淬火油的脫氣工作就完成了。真空油的使用溫度一般都在40～80℃，油溫過低粘度大，導(dǎo)致冷卻速度下降，使套圈的硬度不均勻，表面不光亮。油溫太高，油會蒸發(fā)導(dǎo)致老化。真空油淬時要防止發(fā)生爆炸事故，它的發(fā)生主要是由于操作不當(dāng)所至，所以要嚴格遵守操作規(guī)程。要防止發(fā)生爆炸的三個條件同時共存，即可燃氣體，助燃物（氧氣、空氣），火源三條件同時存在時即刻發(fā)生爆炸。
3.碳氮共滲處理
對于在污染及潤滑條件極差的特殊環(huán)境下工作的軸承來說，用常規(guī)的熱處理或碳化物超細化處理等工藝都無法滿足軸承套圈需要表面耐磨性高心部韌性好的技術(shù)要求，為此必需對套圈進行表面強化處理，一般的做法是對軸承鋼先進行整體調(diào)質(zhì)后再滲碳，碳氮共滲或滲氮處理，實際上直接進行表面強化處理后的心部硬度和調(diào)質(zhì)處理的心部硬度基本是一樣的，這樣可以節(jié)省一道調(diào)質(zhì)工藝。在表面強化處理方面選擇碳氮共滲處理是較好的工藝手段，所用設(shè)備可以分別選擇密封箱式多用爐生產(chǎn)線或推桿式連續(xù)爐生產(chǎn)線，對于車間面積有限制的企業(yè)可以用密封箱式多用爐是很好的的選擇。
3.1 密封箱式多用爐
生產(chǎn)線包括多用爐，回火爐，清洗機，裝卸料料車，工件移動小車，計算機控制系統(tǒng)組成。現(xiàn)在節(jié)能型的多用爐大多都園型的，爐襯材料選擇絕熱性好的，蓄熱量少的輕質(zhì)耐火材料和耐火纖維，它們的密封性很好，可以使?fàn)t溫均勻性在+-5度范圍。在滴注式或直生式氣氛的爐子中其氣氛控制應(yīng)用氧探頭碳勢控制儀和二氧化碳紅外儀進行多元控制，此時爐膛內(nèi)的氧探頭測得的氧勢及紅外儀測得的二氧化碳值和溫度一起傳遞給碳勢控制儀并進行自動運算，此時顯示出爐膛內(nèi)的真實碳勢，對碳氮共滲的碳勢，層深及其濃度梯度做到了精確的控制，確保了產(chǎn)品的質(zhì)量。現(xiàn)在生產(chǎn)多用爐的設(shè)備廠商很多，其質(zhì)量也相當(dāng)?shù)暮茫瑑r格也比進口的便宜很多，所以極少再從國外原裝進口，國內(nèi)的供應(yīng)商如艾忇林熱處理系統(tǒng)（北京）有限公司，易普森工業(yè)爐（上海）有限公司，江蘇豐東熱技術(shù)股份有限公司，天龍科技爐業(yè)（無錫）有限公司，上海匯森益發(fā)工業(yè)爐有限公司，吉埃裴工業(yè)爐（上海）有限公司，南京攝爐（集團）有限公司等等都是很好的選擇。
3.2 碳氮共滲的工藝
套圈的表面強化處理選擇碳氮共滲是因為它的共滲溫度比滲碳溫度低，這可以減小畸變，比滲氮時間短,則可以縮短生產(chǎn)時間，這樣節(jié)約生產(chǎn)成本。軸承鋼的含碳量在0.95—1.05%C，屬于高碳鉻鋼，所以碳氮共滲有一定的難度，為此需要有一個合理的工藝，即將裝入料筐內(nèi)的套圈先在清洗機中清除油污及臟物，然后進入多用爐內(nèi)進行分段預(yù)熱，在840—860℃碳氮共滲，碳勢1.20%，氨氣0.10—0.20m³/h,共滲淬火加熱時間100分鐘。共滲后的表面硬度62—63HRC,在距表面0.2ｍｍ處的淬火硬度870－890HV（65.5—66HRC），化合物組織2—3級，層深0.6—0.8mm，心部組織3—4級。共滲溫度高，則共滲時間短，層深較深，硬度也高。為了進一步減小畸變，得到良好的機械性能和精致的金相組織，可以降低共滲溫度（840—850℃）和淬火溫度（810—840℃），這樣得到的距表面0.20mm的硬度仍然是65.5—66HRC,層深0.60—0.65mm，碳氮化合物2—3級，心部組織3級，達到了技術(shù)要求。
4.貝氏體等溫淬火
國外著名的SKF,FAG等軸承制造公司在鐵路、軋機、礦山、工程機械等方面的專用軸承都采用了貝氏體等溫淬火工藝，因為這類軸承除了要求耐磨性好以外還需要有良好的尺寸穩(wěn)定性、沖擊韌性、斷裂韌性及表面殘余壓應(yīng)力，磨加工時不會岀現(xiàn)裂紋。國內(nèi)幾十年來隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對軋機、鐵路、采煤、鉆井、工程機械等特殊軸承也有了明確的要求，除了研制適合于貝氏體淬火的專用軸承鋼以外，即要求對常規(guī)軸承鋼（GCr15、GCr15SiMn）進行貝氏體等溫淬火，為此從設(shè)備及工藝上必須得到保證。
4.1 等溫淬火設(shè)備
根據(jù)軸承套圈的大小可以分別選擇箱式多用爐或者推桿式料盤爐生產(chǎn)線，而極少采用輸送帶式爐，爐內(nèi)通可控氣氛，碳勢在0.9—1.0%CP。為減小加熱和冷卻時的畸變，需要將套圈放在專用料筐內(nèi)，經(jīng)清冼后入爐，在多用爐中加熱需要分段預(yù)熱后再加熱到淬火溫度，用推桿式料盤爐則可以分區(qū)段預(yù)熱后加熱，它們的加熱溫度比馬氏體淬火要高出20—30℃。這二種爐型的淬火鹽槽都在加熱爐外面，為的是避免硝鹽蒸氣對加熱爐爐膛的腐蝕。故硝鹽等溫淬火槽是很關(guān)鍵的設(shè)備，它是有加熱器、攪拌器、水份測量儀、熱電偶、溫度時間控制記錄儀、殘鹽回收及排風(fēng)裝置組成。
4.2 貝氏體等溫淬火工藝
GCr15軸承鋼在可控氣氛中加熱，它的淬火可以分為馬氏體淬火和 貝氏體等溫淬火，其馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度202℃（在850℃奧氏體化溫度時），根據(jù)套圈的有效壁厚確定其淬火加熱溫度，壁厚<10mm的淬火溫度低一些，壁厚〉15mm的淬火溫度略高一些，壁厚〉20mm的再高一些，其淬火溫度一般在855—885℃范圍內(nèi)酌情選擇，加熱時間根據(jù)裝爐量而定，因為最低硬度要求達到58HRC，所以必須在240℃溫度下進行中溫轉(zhuǎn)變，由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于此溫度，所以轉(zhuǎn)變熱浴的溫度必須大于210℃，為此貝氏體等溫淬火的溫度在210—240℃，適合于這個溫度段的介質(zhì)只有硝鹽才能達到，如50%NaNO+50%KNO,它的熔點143℃，使用溫度160—550℃，或者25%NaNO+25%NaNO+50%KNO,它的熔點175℃，使用溫度205—600℃，這其中需要用0.5—1.5%的水份來調(diào)節(jié)冷卻速度，在硝鹽中的等溫時間2—4小時，此時得到的硬度在58—62HRC,金相組織是下貝氏體+未溶碳化物+少量的殘留氏體。岀鹽槽后在80℃的熱水中清冼即可，對于直徑大于200mm以上的厚壁套圈還需要進行220—240℃的回火處理。
4.3 殘余亞硝酸鹽處理辦法
在大量的生產(chǎn)過程中，經(jīng)等溫處理后的套圈及料筐在轉(zhuǎn)移及清冼途中，會有含亞硝酸鈉的殘渣及廢水滯留在地面或下水溝內(nèi)，需要將它們收集起來進行無害化處理，即將有毒的亞硝酸鈉用NaCLO氧化劑在水中進行溶解，其化學(xué)反應(yīng)是：NaNO2+NaCLO=NaNO3+NaCL。通過專門的處理后對環(huán)境是沒有污染的了。
5.軸承套圈的淬火變形及防范措施
對于外徑在200—30mm的常用機電、通用軸承套圈，是個量大面廣的產(chǎn)品，碰到的問題也很多，需要不斷地總結(jié)經(jīng)驗。這些產(chǎn)品基本都是在網(wǎng)帶爐或輥棒爐內(nèi)進行的，用可控氣氛保護，其碳勢0.6—1.0%CP，大部分用甲醇做載體氣，丙烷做富化氣。所用的淬火介質(zhì)根據(jù)軸承套圈的大小，有效厚度的厚薄分別選擇快速淬火油及分級淬火油，如KR028G、KR468G、KR498等等。
5.1 熱處理前的加工變形
軸承套圈的成型有以下幾種：(1)冷軋軸承鋼管。熱軋鋼管經(jīng)過球化退 火后根據(jù)規(guī)格通過軋機冷軋成相應(yīng)規(guī)格的冷軋鋼管，然后車削成型，或者直接冷軋成型，這種方式加工殘余應(yīng)力大一些，對熱處理后會增加畸變量，但是組織是較致密。(2)冷鍛。經(jīng)球化退火再冷鍛或冷碾后部分車削。(3)熱鍛。熱鍛后經(jīng)球化退火再車削成型。（4）熱軋鋼管。將熱軋鋼管球化后車削成型。對于<100mm的軸承套圈來說目前采用冷碾工藝的較多，這給最終熱處理帶來難度，但只要工藝確當(dāng)還是能夠達到技術(shù)要求的。
5.2 加熱時的熱處理畸變
套圈的清洗程度，進料方式，預(yù)熱和加熱溫度 ，控溫精度能否在±5℃，加熱速度和時間，可控氣氛的碳勢，其控制精度應(yīng)±1% CP的范圍,進料方式和加熱溫度是很關(guān)健的工序，套圈在爐膛內(nèi)會產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，如果進料太多會造成套圈相互之間的擠壓而產(chǎn)生變形，對于較大尺寸的薄壁件需要用人工將套圈呈45度擺放，套圈之間留有一定的間距，這樣在落入油槽時不會產(chǎn)生磕碰。對于厚薄相差懸殊的套圈應(yīng)該預(yù)熱時間延長，使 之均勻一致。
5.3 淬火冷卻時的畸變
（1）膨漲與收縮
在連續(xù)式網(wǎng)帶爐和輥棒爐中加熱，對于外徑小于200mm的套圈，在淬火時由于馬氏體的轉(zhuǎn)變所引起的體積膨脹，使致套圈的外徑尺寸大部分是漲大的，極少數(shù)量有收縮現(xiàn)象，GCr15軸承鋼在850℃淬火時它的馬氏體轉(zhuǎn)變點在202℃，為了減少漲大現(xiàn)象，在淬火時的油溫是120℃，可以使套圈淬火后的殘余奧氏體多一些，這樣可以使體積變化小一些，漲大量也可以小一些，如淬火組織中含7%的殘余奧氏體，其體積膨漲為0.42%，而含10%的殘余奧氏體其體積膨漲量僅0.26% 。但是殘余奧氏體又會轉(zhuǎn)變成馬氏體，又會使體積膨漲，為此需要有適量的殘余奧氏體，使其組織能穩(wěn)定一些，通過三組試驗即在同一淬火溫度和油溫下分別進行淬油后立即回火——淬油后通過15℃的水冷再回火——淬油后進入—50℃的冷處理再回火，發(fā)現(xiàn)后二種的尺寸穩(wěn)定性較好。
（2）橢圓變形
這和淬火油溫及攪拌程度有關(guān)，當(dāng)淬火油溫低及攪拌烈度大則畸變就大，防止橢圈的措施：在同一淬火介質(zhì)情況下盡量提高油溫，當(dāng)油溫提高到100—140℃時，以延遲馬氏體點下冷卻的熱油或者在馬氏體點以上保溫1—2分鐘后空冷的馬氏體的等溫淬火，減少馬氏體的淬火應(yīng)力，可以減小畸變。根椐套圈的規(guī)格可以選擇分級淬火油。
（3）錐度變形
對軸承套圈來說，在油中淬火后均會發(fā)生錐度變形，因為淬火時上下二端的冷卻速度是不一樣的，馬氏體轉(zhuǎn)變的開始時間有先后，上端的冷卻速度比下端的冷卻速度慢，下端的冷卻快，導(dǎo)致上端的外徑比下端的外漲大得多，為了使錐度盡量地小，使套圈二端的冷卻整流度基本接近，或達到馬氏體點。在淬火油槽內(nèi)增加了能翻轉(zhuǎn)180º的小輸送帶，杭州金舟科技股份有限公司等企業(yè)的技術(shù)已經(jīng)能夠滿足調(diào)整工藝需要了，他們生產(chǎn)的小輸送帶通過無級變速可以做上下不同頻率的竄動和不同速度的運行，給工藝調(diào)整帶來方便，總之套圈的膨漲是由于殘余奧氏體多引起的，畸變是由于套圈二端到達馬氏體點的時間先后引起的，根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格需要做耐心細致的調(diào)整。
6.爐內(nèi)氣氛的調(diào)整
網(wǎng)帶或輥棒輸送帶式爐的可控氣氛大都采用甲醇做載體氣和丙烷做富化氣的，用于軸承鋼的保護淬火，其碳勢在0.6—1.0%CP，對輔料純度的要求：甲醇>99.9%，丙烷>95%，加熱爐的下落料口處應(yīng)該有工業(yè)氮氣進入口，以便 排除仃爐后再次升溫時爐內(nèi)的空氣，下落通道淬火油油簾二側(cè)應(yīng)該有抽油煙裝置，其抽氣泵的抽氣口應(yīng)該在油簾下面，比在上面效果好，并且節(jié)省氣體，抽出的廢氣通過氣水分離器送到爐口點燃做爐口火封用。二側(cè)油簾的大小應(yīng)該分別有球閥調(diào)整，它是調(diào)整套圈表面光亮性的手段之一。
（來源：熱家網(wǎng)）
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