提高GCr15鋼軸承套圈淬火質量的工藝措施
2009-11-30作者：高斌，全臘珍
來源：《現(xiàn)代制造工程》
來源：《現(xiàn)代制造工程》
一、軸承套圈淬火冷卻時常見缺陷擴工藝
軸承零件廣泛采用油作為淬火介質，主要原因是油在冷卻過程中的第三階段（對流期）冷卻速度特別緩慢。在以往的生產(chǎn)使用的10號、20號機械油在650~500℃之間時為20~50℃/s。對流期階段大約從300℃開始，一直持續(xù)到室溫，正好與軸承鋼的馬氏體轉溫度要求較小的冷卻速度相吻合，從而使軸承零件在淬火過程中變形和開裂傾向大為減少。但在操作方式上是用手動葫蘆將套圈吊入油中，套圈在油中上、下運動的頻率及幅度由操作者手動控制，這很難滿足工藝要求，即套圈在油中竄動時間不少于3s/mm。因此，在冷卻過程中套圈常出現(xiàn)以下質量問題：1）硬度均勻性差：同一批套圈硬度散度HRC＞2，同一套圈硬度均勻HRC＞1或2。2）套圈表面出現(xiàn)區(qū)域軟點或局部軟點。3）對于有效壁厚＞7mm的套圈，顯微組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀屈氏體。
經(jīng)1998年熱處理質量分析，因冷卻不良需返修的爐數(shù)為淬火返修率的51.5%，套圈在冷卻過程中產(chǎn)生的缺陷，導致軸承硬度、強度降低，耐磨性和抗疲勞性能下降。
對于套圈在冷卻時出現(xiàn)的問題，曾采取過如下措施。
1. 在不改變冷卻方式下，提高套圈的淬火加熱溫度（選用上限溫度），來增加鋼中過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而降低GCr15鋼臨界冷卻速度。但隨著加熱溫度的提高，鋼中二次碳化物過多地溶解，導致奧氏體晶粒長得較大，而阻礙馬氏體長大的作用減弱，一少同一套圈硬度差較大，Z大相差HRC2，淬、回火組織中仍不時出現(xiàn)局部有少量小塊狀屈氏體存在；同時也開始有細小針狀馬氏體出現(xiàn)，在500倍金相顯微鏡下可看到明顯的針狀馬氏體（過熱組織）。淬火變形量急劇上升，直徑變動量超差率由平均不到10%上升到20%以上，零件力學性能相對劣化。
2.使用具有較快冷卻速度的快速淬火油。由于客觀條件的限制，在生產(chǎn)中，油槽內不可避免進入少量水，會使得油在使用過程中逐漸乳化，性能發(fā)生改變，失去好的冷卻效果，而使淬火質量達不到理想的效果。
二、軸承套圈熱處理新工藝的研究和應用
淬火介質的冷卻能力和硬化能力是影響軸承套圈熱處理質量的重要因素。顯然這與工件的冶金因素、冷卻時C曲線的形狀及冷卻條件等有關。而冷卻能力強的淬火介質，能使工件淬火后硬度較高或硬化層較深。在實際上，保證淬硬的關鍵是在C曲線的鼻尖處的冷速要足夠地大，但在馬氏體轉變時要求冷卻速度相對較小。新工藝的應用正是適應了這一特性。通過改變工件與淬火油的相對運動速度，改變淬火介質的冷卻和硬化能力，滿足工件在不同溫度下組織形成對不同冷卻速度的要求，從而獲得理想的淬火質量。
1.冷卻強度試驗分析
通過多次試驗分析表明，采用新工藝改變冷卻方式，可提高油的冷卻強度，從而提高熱處理質量。冷卻強度H是反映介質冷卻能力的參數(shù)，H=αλ/2 (α為界面換熱系數(shù)；λ為鋼的熱導率)。靜止水的H值為0.1。H值越大，介質的冷卻能力越強。在試驗中根據(jù)淬火介質在不同攪動條件下冷卻強度的變化見表1，采用強烈攪動油的方式淬火，H值可達0.7，一般情況下油淬火H值為0.3。
軸承零件廣泛采用油作為淬火介質，主要原因是油在冷卻過程中的第三階段（對流期）冷卻速度特別緩慢。在以往的生產(chǎn)使用的10號、20號機械油在650~500℃之間時為20~50℃/s。對流期階段大約從300℃開始，一直持續(xù)到室溫，正好與軸承鋼的馬氏體轉溫度要求較小的冷卻速度相吻合，從而使軸承零件在淬火過程中變形和開裂傾向大為減少。但在操作方式上是用手動葫蘆將套圈吊入油中，套圈在油中上、下運動的頻率及幅度由操作者手動控制，這很難滿足工藝要求，即套圈在油中竄動時間不少于3s/mm。因此，在冷卻過程中套圈常出現(xiàn)以下質量問題：1）硬度均勻性差：同一批套圈硬度散度HRC＞2，同一套圈硬度均勻HRC＞1或2。2）套圈表面出現(xiàn)區(qū)域軟點或局部軟點。3）對于有效壁厚＞7mm的套圈，顯微組織中出現(xiàn)網(wǎng)狀屈氏體。
經(jīng)1998年熱處理質量分析，因冷卻不良需返修的爐數(shù)為淬火返修率的51.5%，套圈在冷卻過程中產(chǎn)生的缺陷，導致軸承硬度、強度降低，耐磨性和抗疲勞性能下降。
對于套圈在冷卻時出現(xiàn)的問題，曾采取過如下措施。
1. 在不改變冷卻方式下，提高套圈的淬火加熱溫度（選用上限溫度），來增加鋼中過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而降低GCr15鋼臨界冷卻速度。但隨著加熱溫度的提高，鋼中二次碳化物過多地溶解，導致奧氏體晶粒長得較大，而阻礙馬氏體長大的作用減弱，一少同一套圈硬度差較大，Z大相差HRC2，淬、回火組織中仍不時出現(xiàn)局部有少量小塊狀屈氏體存在；同時也開始有細小針狀馬氏體出現(xiàn)，在500倍金相顯微鏡下可看到明顯的針狀馬氏體（過熱組織）。淬火變形量急劇上升，直徑變動量超差率由平均不到10%上升到20%以上，零件力學性能相對劣化。
2.使用具有較快冷卻速度的快速淬火油。由于客觀條件的限制，在生產(chǎn)中，油槽內不可避免進入少量水，會使得油在使用過程中逐漸乳化，性能發(fā)生改變，失去好的冷卻效果，而使淬火質量達不到理想的效果。
二、軸承套圈熱處理新工藝的研究和應用
淬火介質的冷卻能力和硬化能力是影響軸承套圈熱處理質量的重要因素。顯然這與工件的冶金因素、冷卻時C曲線的形狀及冷卻條件等有關。而冷卻能力強的淬火介質，能使工件淬火后硬度較高或硬化層較深。在實際上，保證淬硬的關鍵是在C曲線的鼻尖處的冷速要足夠地大，但在馬氏體轉變時要求冷卻速度相對較小。新工藝的應用正是適應了這一特性。通過改變工件與淬火油的相對運動速度，改變淬火介質的冷卻和硬化能力，滿足工件在不同溫度下組織形成對不同冷卻速度的要求，從而獲得理想的淬火質量。
1.冷卻強度試驗分析
通過多次試驗分析表明，采用新工藝改變冷卻方式，可提高油的冷卻強度，從而提高熱處理質量。冷卻強度H是反映介質冷卻能力的參數(shù)，H=αλ/2 (α為界面換熱系數(shù)；λ為鋼的熱導率)。靜止水的H值為0.1。H值越大，介質的冷卻能力越強。在試驗中根據(jù)淬火介質在不同攪動條件下冷卻強度的變化見表1，采用強烈攪動油的方式淬火，H值可達0.7，一般情況下油淬火H值為0.3。
表1 不同淬火介質在不同攪動條件下的H值
2．組織、硬度試驗分析
在試驗過程中套圈的產(chǎn)品型號為314/01，淬火溫度為840.40℃，冷卻劑為10號機械油，套圈在靜止與運動冷卻條件下進行淬火，通過多次試驗，得出套圈顯微組織中屈氏體級別的變化（見表2），套圈在靜止與竄動冷卻條件下，組織中屈氏體量相差約5~10倍，在竄動冷卻條件下，同一套圈的硬度差降為0.5。
在試驗過程中套圈的產(chǎn)品型號為314/01，淬火溫度為840.40℃，冷卻劑為10號機械油，套圈在靜止與運動冷卻條件下進行淬火，通過多次試驗，得出套圈顯微組織中屈氏體級別的變化（見表2），套圈在靜止與竄動冷卻條件下，組織中屈氏體量相差約5~10倍，在竄動冷卻條件下，同一套圈的硬度差降為0.5。
表2 淬火冷卻方式對組織、硬度的影響
3．新工藝的應用與設備改進
新工藝是通過改變生產(chǎn)設施，把淬火油水套冷卻改成循環(huán)冷卻，用大流量油泵將冷卻后的油從淬火槽底部注入，先在漏斗下面形成環(huán)流，均勻上升，再經(jīng)過兩層孔板形成均勻的暗涌油柱向上噴射，在油槽油面呈沸騰狀。并可通過改變油泵的輸出流量，改變套圈與油的相對運動速度，滿足工件在組織形成過程中對不同冷卻速度的要求，同時上層變熱的油及時抽走，使得油槽內上、下層油溫基本均衡。油的冷卻過濾系統(tǒng)不僅使油能得到充分的冷卻，而且使油能得到很好的凈化。新工藝即滿足GCr15鋼高溫狀態(tài)對冷卻速度要求高的要求，保證了淬火硬度和淬硬的均勻性，又滿足了工件在較低溫度下奧氏體化產(chǎn)生的晶粒較細及碳、鉻含量較低的奧氏體所需的臨界淬火速度，細化馬氏體基體組織，避免淬火裂紋、使軸承套圈淬火硬度穩(wěn)定控制在HRC64~65.5，淬火金相組織2~3級。以2級為多，外徑￠100mm以上的套圈淬火后直徑變動量超差率降至約7%，工件淬火后表面光亮度增加，質量全部合格，減少了廢品及返修損失。
生產(chǎn)設施的改進是將淬火槽中上層變熱的油溢流到過濾裝置，再進到一組架空的黃銅管冷卻器內（放置在清潔循環(huán)水池中），然后用油泵把經(jīng)過冷卻的油再泵入淬火油槽底部，中間架兩層孔徑為￠5mm，孔距為20mm×20mm的多孔板，二層孔板位錯開，保證冷卻油的均勻上升。
三、結論
1．實踐證明，采用改變油的冷卻方式來提高油的冷卻強度對提高軸承零件硬度、硬度均勻性、消除軟點具有明顯效果。
2．用機械的冷卻方式代替手工竄動冷卻，減輕了工人的勞動強度，適應大批量連續(xù)生產(chǎn)。冷卻系統(tǒng)結構簡單、成本低，易于制造。
新工藝是通過改變生產(chǎn)設施，把淬火油水套冷卻改成循環(huán)冷卻，用大流量油泵將冷卻后的油從淬火槽底部注入，先在漏斗下面形成環(huán)流，均勻上升，再經(jīng)過兩層孔板形成均勻的暗涌油柱向上噴射，在油槽油面呈沸騰狀。并可通過改變油泵的輸出流量，改變套圈與油的相對運動速度，滿足工件在組織形成過程中對不同冷卻速度的要求，同時上層變熱的油及時抽走，使得油槽內上、下層油溫基本均衡。油的冷卻過濾系統(tǒng)不僅使油能得到充分的冷卻，而且使油能得到很好的凈化。新工藝即滿足GCr15鋼高溫狀態(tài)對冷卻速度要求高的要求，保證了淬火硬度和淬硬的均勻性，又滿足了工件在較低溫度下奧氏體化產(chǎn)生的晶粒較細及碳、鉻含量較低的奧氏體所需的臨界淬火速度，細化馬氏體基體組織，避免淬火裂紋、使軸承套圈淬火硬度穩(wěn)定控制在HRC64~65.5，淬火金相組織2~3級。以2級為多，外徑￠100mm以上的套圈淬火后直徑變動量超差率降至約7%，工件淬火后表面光亮度增加，質量全部合格，減少了廢品及返修損失。
生產(chǎn)設施的改進是將淬火槽中上層變熱的油溢流到過濾裝置，再進到一組架空的黃銅管冷卻器內（放置在清潔循環(huán)水池中），然后用油泵把經(jīng)過冷卻的油再泵入淬火油槽底部，中間架兩層孔徑為￠5mm，孔距為20mm×20mm的多孔板，二層孔板位錯開，保證冷卻油的均勻上升。
三、結論
1．實踐證明，采用改變油的冷卻方式來提高油的冷卻強度對提高軸承零件硬度、硬度均勻性、消除軟點具有明顯效果。
2．用機械的冷卻方式代替手工竄動冷卻，減輕了工人的勞動強度，適應大批量連續(xù)生產(chǎn)。冷卻系統(tǒng)結構簡單、成本低，易于制造。