轴承钢热处理工艺及其发展

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轴承钢热处理  
  轴承钢热处理工艺预先热处理和最终热处理两个主要环节。GCr15钢是轴承钢应用最广泛的一种，合金含量较少且性能良好的高碳铬轴承钢。GCr15轴承钢经过热处理后具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。
2 G7 W  D- l* z, b. j  （1）预先热处理 包含正火和球化退火两个步骤
   ①正火：高碳铬轴承钢正火工艺当工件透热后保温40~60分钟，冷却需要较快，正火之后立即转为球化退火。
: L( l8 Y. f, X! {   ②球化退火：GCr15铬轴承钢常采用等温球化退火工艺，790℃被认为是最佳的球化加热温度。退火前需加热到900~920℃，保温2/3~1h后正火。保温时间随工件大小、加热炉的均匀性、装炉方法及装炉量、退火前的原始组织均匀性而定。低温球化退火主要适用于冷冲球、冷挤压套圈的再结晶退火。普通球化退火、等温球化退火主要适用于锻造套圈、热冲球以及横锻球的退火。铬轴承钢球化退火工艺。

                               
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  （2）最终热处理
①轴承零件：一般采用淬火和低温回火，其目的是提高钢的强度、硬度、耐磨性与抗疲劳性能。GCr15钢淬火温度在820~860℃，油淬临界直径为25mm。一般采用油冷淬火。加热保温时间比合金工具钢长，盐浴加热系数取值0.8~1.5min/mm。空气炉加热系数1.5~2min/mm。160℃±10℃的低温回火，回火时间一般为2~4h。精密轴承零件为稳定尺寸，淬火后应进行-60~80℃冷处理，保温时间为2~4h，冷处理后零件恢复到室温，在4h内进行回火，以防止零件开裂。低温回火时未能完全消除的残留应力在磨削加工后会重新分布。这两种应力会导致零件尺寸发生变化，甚至会产生龟裂。为此，应再进行一次补充回火，回火温度为120~160℃，保温5~10h或更长。
  ②工模具GCr15热处理：由于此钢容易产生白点缺陷，大型工模具热处理容易开裂，采用缓慢加热或690℃长时间（大于5h）分段等温可以降低开裂概率，奥氏体化温度选择810℃±10℃，保温系数a=1.6~0.9min/mm。大于60mm直径的工件需要水油双液淬火。
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  可通过看纯净度辨别轴承钢质量的优劣，即钢中夹杂物的含量，轴承钢的均匀性和钢材的表面质量，包括尺寸精度和表面裂纹等。纯净度和均匀性的问题主要在冶炼阶段解决，而钢材的表面质量与热处理工艺息息相关。热处理是实现各种轴承满足性能和寿命要求最主要的工序。轴承零件热处理质量的好坏直接影响着后续的加工的质量并最终影响到轴承产品的精度、寿命等。
2 r; w3 z  f9 Q7 N$ S  长期以来，轴承热处理采用马氏体淬回火工艺。但近几年，国内外高碳铬轴承钢的渗碳或碳氮共渗、离子注入、低温离子渗硫、感应加热表面淬火和表面涂覆等热处理新工艺技术也得到了长足发展与应用。
  连续式球化退火
  轴承的热处理包括两个环节，预处理是球化退火，终处理是淬火和低温回火。关于提高球化退火质量，获得细小、均匀、球状碳化物以及缩短退火时间或取消球化退火工序的研究有了新进展，即盘条生产采用两次改善组织退火，将拉拔后的720℃～730℃再结晶退火改为760℃的改善组织退火。这样可以得到硬度低、球化好、无网状碳化物的组织，工艺的关键是要保证中间拉拔减面率≥14%。该工艺可使热处理炉的效率提高25%～30%。连续式球化退火热处理技术是轴承钢热处理的发展方向。

                               
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  贝氏体等温淬火
  高碳铬轴承钢经下贝氏体淬火后，其组织由下贝氏体、马氏体和残余碳化物组成。高碳铬轴承钢下贝氏体组织能提高钢的比例极限、屈服强度、抗弯强度和断面收缩率，与淬回火马氏体组织相比，具有更高的冲击韧性、断裂韧性和尺寸稳定性，表面应力状态为压应力。该类轴承钢适用于装配过盈量大、服役条件差的轴承，如承受大冲击负荷的铁路、轧机、起重机等轴承，润滑条件不良的矿山运输机械或矿山装卸系统、煤矿用轴承等。高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火工艺已在铁路、轧机轴承上得到成功应用，取得了较好效果。

                               
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2 X# S/ @; q' M. n7 A  高碳铬轴承钢的渗碳或碳氮共渗工艺
  高碳铬轴承钢一般是整体淬硬，淬后的残余应力为表面拉应力状态，易造成淬火裂纹、降低轴承的使用性能。通过对其进行渗碳、渗氮或碳氮共渗，提高表层的碳、氮含量，降低表面层的Ms点，在淬火过程中表面层发生转变而形成表面压应力，可提高耐磨性和滚动接触疲劳性能。
  离子注入工艺
  离子注入用于材料表面改性是近20年的事，它可以提高基材的摩擦、磨损、腐蚀和其它化学性能，是一项很有实际意义的材料表面改性新技术。国外对该项技术进行了深入研究，并已经开始应用于生产。研究结果表明：注入铬离子能显著提高M50钢的抗腐蚀性能，而且抗接触疲劳性能也有所提高；此外还用注人硼离子来提高仪表轴承的抗磨损能力；Ti注入到52100轴承钢时其表面形成Ti-C-Fe非晶表面，显著改善其抗蚀性能。
  低温离子渗硫工艺
  低温离子渗硫工艺是20世纪80年代后期出现的表面改性技术。其基本原理与离子渗氮相似。在一定的真空度下，利用高压直流电使含硫气体电离，生成的硫离子轰击工件表面，在工件表面与铁反应生成以FeS为主的10μm左右厚的硫化物层。硫化物是良好的固体润滑剂，有效地降低钢件接触表面的摩擦系数，且随载荷增大，摩擦系数进一步降低，因此可以大大提高重载下轴承的耐磨性，轴承的寿命可提高3倍左右。
  感应加热表面淬火工艺
  感应加热表面淬火的主要应用场合分两类：一是铁路轴承的表面感应加热淬火，采用新材料ⅢX4钢制的套圈经感应加热淬火后，表面为硬而耐磨的马氏体组织，心部为韧性较好的索氏体、屈氏体，表面为高达500MPa的压应力，其使用寿命比ⅢX15Cr制轴承高1倍，并且完全消除了套圈使用时突然脆断的现象，提高了轴承的可靠性，性能与低碳钢渗碳淬火相似，但成本远低于后者；感应加热表面淬火的另一应用是特大型轴承的热处理，减少大型轴承套圈的淬火变形和硬度不均匀性，同时节省设备的投资费用。
7 _9 x" H2 G7 o6 l9 l5 c  D  激光高能束表面热处理
3 N9 d" Q+ P0 \5 {% O, b6 m3 u% L, D  激光高能束表面热处理是近年来开发的新的热处理方法，通过激光加热可获得0.25毫米~2.0毫米的硬化层，与其他表面硬化方法相比，具有硬化层深度和位置控制精确、无变形等优点。高碳铬轴承钢零件经表面激光硬化后淬硬层的马氏体极细小、碳化物分布更均匀、残余奥氏体极少，比一般淬回火具有更高硬度和滑动耐磨性。另外，激光等高能束还可作为表面涂覆工艺的热源，一次可完成表面淬火和涂覆过程，尤其是近年来纳米技术的发展，这一复合工艺过程在精密轴承零件的表面处理中将有广阔的应用前景。
  表面涂覆工艺
  表面涂覆技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、射频溅射（RF）、离子喷涂（PlasmaSprayingCoating，PSC）和化学镀等。PVD与CVD相比，其工艺过程中被处理工件的温生低，镀后不需再进行热处理，在轴承零件的表面处理中得到较广泛的应用。100Cr6、440C等钢制轴承零件经PVD、CVD或RF镀TiC、TiN、TiA1N等后，可提高轴承零件的耐磨性和接触疲劳抗力，降低表面摩擦系数。

                               
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