热处理工艺研究.docx

热处理工艺研究.docx

《热处理工艺研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理工艺研究.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

热处理工艺研究

三、项目的关键技术、主要研究内容、拟采取的技术工艺路线及实施方案

3．滚针轴承零件材料应用、热处理工艺及表面处理工艺研究

3.1轴承零件材料应用、优化

材料是保证轴承质量的基础，为了使轴承获得长寿命、持久的高精度和低磨擦，制造轴承零件的材料必须具有接触疲劳强度高、耐磨性好、组织稳定性好、纯净度高等特点。

我国生产的GCr15要求的技术标准为GB/T18254-2002,其夹杂物、氧、钛含量要求较为宽松，钢材均匀性较差，如用美国轴承钢牌号SAE52100，其夹杂物、氧、钛含量等均低于我国的GCr15，钢材均匀性好，轴承钢原材料应使用SAE52100或更严格要求，零件使用寿命会明显提升。

目前针对一些承受重载的滚针轴承，我们与上海宝钢已经就特殊要求及重载下工作的轴承使用的材料，签订合作协议，共同对长寿命、重载轴承使用材料进行协作开发。

1）轴承的疲劳性能主要取决于轴承钢材的纯洁度

实体滚针轴承或滚动体（滚针），一般采用高碳铬轴承钢制造，而在轴承服役条件下，套圈和滚动体材料要承受高的交变接触应力，氧化物等非金属夹杂物对交变接触应力非常敏感。

如在采购选用时对轴承钢的原材料的某些化学成份和纯净度加以控制，就十分有利于提高轴承的寿命，具体表现在：

a）轴承钢中铬含量的控制

一般轴承用钢主要是高碳铬轴承钢，即含碳量1%左右，加入1.5%左右的铬,并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。

铬可以改善热处理性能、提高淬透性、组织均匀性、回火稳定性，又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。

但当铬含量超过1.65%时，淬火后增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。

为此，高碳铬轴承钢中的含铬量一般控制在1.65%以下，只有严格控制轴承钢中的化学成份，才能通过热处理工序获得满足轴承性能的组织和硬度。

b）轴承钢中含氧量的控制

钢中氧含量对轴承疲劳寿命的影响主要是通过高倍夹杂物（如Al2O3）而起作用的，而氧化物夹杂对轴承的接触疲劳寿命的影响最为严重，所以降低轴承钢中的氧含量可以明显提高轴承的疲劳寿命，图11的试验结果可以清楚说明这一点。

图11相对寿命与氧含量的关系

氧化物对寿命的影响具体表现在钢中含氧量的多少与分布上，主要是由于塑性变形小或根本不变形的氧化物以及点、球状夹杂物，他们容易与钢的基体组织之间产生间隔，破坏了钢基体的连续性，并且在交变应力的作用下，容易在这些有间隔的地方产生应力集中，从而成为轴承疲劳剥落的发源地。

当应力集中在夹杂物与金属基体之间，且剪切应力达到足够大的时候，就会在夹杂物处产生裂纹，随后在交变应力的作用下，裂纹进一步扩展直到轴承失效。

所以，在降低非金属夹杂方面，以降低钢中含氧量最为有效。

因此，对于在高应力下工作的轴承零件，降低钢中含氧量是必要的。

2）材料基体强度对轴承寿命的影响

低速重载冲压外圈滚针轴承失效除了考虑常规的疲劳失效以外，还需关注因塑性变形导致的失效。

塑性变形一般都与轴承的零件强度有关，因此零件采用渗碳材料制造的轴承或表面感应淬火方式制造的轴承尤其需要校核零件强度。

零件的表面疲劳抗力在很大程度上取决于渗层以下是否有一个高强度的芯部去支撑它，因而提出采用含碳较高的渗碳钢，以提高渗碳件的芯部强度。

芯部强度（硬度）太低，在渗层与芯部组织的过渡区容易产生裂纹而降低零件寿命。

之前，苏轴公司曾经发生由于未根据用户使用工况-重载，选用基体材料热处理后硬度较高的材料，如C15mad或SCM415等，造成轴承轴承试验到三分之一寿命要求时轴承即告失效。

失效现象为保持架和滚针完好无损坏，轴承高度（外圈）被碾长，外圈外径表面存在断裂层,但芯部是连续的。

将轴承剖开，外圈壁厚明显变薄，滚道表面毛糙，有断裂层，但不是特别明显，见图12～13。

经分析认为，此轴承失效主要原因是外圈芯部硬度偏低（实测160～170HV0.3）,抗塑性强度差而被碾压导致高度变长，壁厚变薄。

工况应该是低速、重载两者占其一或同时存在。

经询问用户轴承使用部位为汽车启动电机装置的行星轮上，承受的载荷与轴承额定负荷相比属于重载状态。

我们将材料有原来的SPCC低碳结构钢改用SCM415低碳合金钢，热处理后的芯部硬度提高到430～450HV0.3，试验顺利通过。

图12外径硬化层裂纹

图13滚道，保持架、滚针状态

目前冲压外圈滚针轴承的外圈材料采用优质碳素结构钢或低碳合金钢，经模具精密拉深成形而成，采用碳氮共渗热处理方式，使零件表面获得高硬度硬化层，芯部硬度为基体材料热处理硬度，表面与芯部之间存在有规律分布的硬度梯度，使轴承既有很高的接触疲劳强度，又能使轴承在重载及冲击载荷下不会发生由于芯部强度不够而导致表层硬化层压碎。

各种不同优质碳素结构钢或低碳合金钢经热处理后的芯部硬度见下表1，可以根据轴承使用的工况和载荷等情况，选用合适的材料。

表1优质碳素结构钢或低碳合金钢热处理后芯部硬度

材料牌号

芯部硬度

SCM415

390～420HV

SAE1010

200～220HV

C15mod

290～310HV

SPCC

170～190HV

DC04

140～160HV

芯部硬度与基体材料的化学成分有关。

对于低速重载部位使用冲压外圈滚针轴承，其材料选用是否合理将直接影响轴承最终的使用寿命。

因此所选的材料的横截面厚和其淬透性应能保证芯部硬度达到30~45HRC。

渗碳的钢种应该是细晶粒钢，以使高温渗碳时，对晶粒长大的敏感性降至最低限度，图14～15为C15mod.材料经渗碳处理后的表面组织及芯部组织图。

图14C15mod.材料表面组织（细针状马氏体）500X

图15C15mod.材料芯部组织（铁素体+珠光体）500X

3.2长寿命、低速重载滚针轴承热处理工艺研究

1）轴承钢中残余奥氏体的控制

高碳铬钢经正常淬火后，可含有8%～20%的残余奥氏体（Ar）。

轴承零件中的残余Ar有利也有弊，因此固定Ar化条件，利用Ar热稳定化处理工艺，可获得不同的Ar量。

通常采取的措施是进行冷处理和附加回火。

GCr15钢的Mf点约-45℃，因此冷处理是淬火的继续，使残余奥氏体向马氏体转变。

淬火后在室温停留会引起奥氏体的稳定化，所以淬火后应立即进行冷处理，一般是冷却到-60~70℃。

待零件温度回升到室温后应及时回火以防开裂。

对于硬度允许较低的精密轴承，可用较高温度回火（180~250℃）代替冷处理。

淬火低温回火后Ar含量对GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响如图16所示。

随着残余Ar含量的增多，硬度和接触疲劳寿命均随之增加，达到峰值后又随之降低，硬度峰值出现在17%左右，而接触疲劳寿命峰值出现在9%左右。

当试验载荷小时，残余Ar增多对接触疲劳寿命的影响减小，残余奥氏体量不多时，对强度降低的影响不大，而韧性的作用则比较明显，这是因为载荷较小时，残余Ar发生少量变形，既消减了应力峰值，又使已变形的残余Ar加工强化和发生应力应变诱发马氏体相变而强化。

但如试验载荷大时，残余Ar较大的塑性变形与基体会局部产生应力集中而破裂，从而使寿命降低。

如残余Ar状态不稳定，如果自发转变为马氏体，将使钢的韧性急剧降低而脆化。

适当的残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力,一定的条件下，工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中，提高轴承的接触疲劳寿命

图16GCr15钢淬火Ar量对硬度和接触疲劳寿命的影响（150°C）

2）零件淬、回火后的残留应力

GCr15钢淬火回火可获得隐晶马氏体基体上分布着均匀细小的颗粒状碳化物（7~9%）和少量残余奥氏体（＜10%），淬火硬度为64~66HRC。

GCr15钢的淬火加热温度为840℃，该温度下淬火可以得到最高的硬度、冲击韧性和弯曲疲劳强度，同时奥氏体中溶解约0.5~0.6%C、0.8%Cr从而保证钢淬火具有足够的淬透性和淬硬性。

未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大，以获得细小的马氏体组织。

轴承淬火应避免出现非马氏体组织，在650~250℃（Ms点）温度范围内应快冷，以抑制珠光体和贝氏体转变。

在Ms点以下应慢冷，以减少变形。

薄壁套圈可采用分级淬火（120~180℃停留2~5min）。

轴承零件在120℃以上淬火，零件的变形等会有明显改善，但在高温下淬火油将加速老化，淬火油的更换频次必须相应提高以保证具有足够的冷却能力。

轴承钢淬火后应及时回火（170±5℃，3-3.5h），以提高组织和尺寸稳定性及提高力学性能。

为了尽可能多的消除轴承零件淬火后的内应力，轴承钢零件最好进行2-3次相同工艺的回火。

轴承零件经淬火低温回火后，仍具有较大的内应力。

零件中的残留应力有利和弊两种。

钢件热处理后的表面残余应力对疲劳强度的影响如图17所示。

可以看出，随着表面残留压应力的增大，钢的疲劳强度随之增高，反之表面残留的内应力为拉应力，则使钢的疲劳强度降低。

因此，使轴承零件淬回火后表面留有较大的压应力，也时提高使用寿命的措施之一。

图17表面残余应力对淬火回火刚疲劳强度的影响

3）改善GCr15钢中碳化物形态及分布提高轴承的使用寿命

改善GCr15钢中碳化物形态及分布有益于延长GCr15钢制轴承的使用寿命2~3倍，此细化工艺我公司正积极创造条件进行试验。

碳化物对使用寿命的影响原因有以下两方面：

a）碳分布的均匀程度：

虽然马氏体基体平均固溶碳浓度约为0.55%，但这是平均值，在碳化物附近和远处的碳浓度是不一样的。

碳化物颗粒粗大时，其浓度差就大，反之，其浓度差就小。

如果浓度差很大，碳浓度高处和低处的寿命就低，所以平均寿命当然也就低。

b）碳化物的外形：

较细小的碳化物的外形较为圆滑，而粗大的碳化物的外形的圆度就差，容易形成较尖锐或凸凹的边缘，在这些位置容易与基体产生应力集中（特别是受到外力作用时）而成为疲劳源，产生裂纹，从而会降低韧性和抗疲劳性，缩短使用寿命。

综上所述，为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物小（尺寸细小）、匀（大小彼此相差很少，而且分布均匀）、圆（每粒碳化物皆呈球形）。

这可通过对原材料加以控制或在淬火前后采用合适的工艺细化碳化物，从而得到理想的碳化物形态与分布。

GCr15钢球化退火的目的即为获得铁素体基体上均匀分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织，为以后的冷加工及最终的淬回火作组织准备。

GCr15钢常用的球化退火工艺有连续冷却和等温球化退火两种，如图18：

图18GCr15连续冷却球化退火（a）和等温球化退火（b）工艺

球化退火的加热温度一般选择在780~800℃，温度过高，碳化物溶解过多，奥氏体成分趋于均匀化，冷却后出现一些粗片状珠光体或粗大聚集的碳化物，使硬度升高；温度过低，原始的片状渗碳体不能完全溶解和团聚，奥氏体成分极不均匀，冷却时碳化物沿着片层析出，形成细小链状碳化物，也使硬度偏高。

而冷却速度影响碳化物的弥散度，冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，其硬度也越高。

等温球化退火使转变在一个较小的温度范围内进行，有助于碳化物球化转变。

因此工艺（a）获得的碳化物圆整度较差，且大小不均匀，工艺（b）获得的碳化物颗粒细小均匀。

为改善碳化物的质量，近年来国内外开展了碳化物细化工艺的实验研究，将钢加热到1050℃进行固溶处理，然后淬火再经720℃高温回火或780℃退火，可以得到非常细小均匀的碳化物。

这一工艺，目前我公司正准备作深入研究。

4）渗碳轴承零件热处理组织结构的控制

轴承零件渗碳热处理中过渡层在总渗层中的比例与寿命的长短一定的对应关系，合适的比例将会较大幅度的提高产品的抗冲击性能和载荷。

此比例需要大量的进行工艺及工装试验，对于热处理设备及工艺参数的准确性要求较高，甚至模拟实际运转情况试验并对比。

对于不同的轴承及运载情况所需比例有所不同。

对于渗碳类零件需要渗层均匀一致，此有助于零件的稳定使用并延长使用寿命，避免同一零件上渗层或硬度等方面有较大变化，需对零件表面进行必要的清洗，购置专用清洗及洪干设备，使零件表面光洁一致、无油污等杂质附着。

3.3表面处理工艺研究

1）残余应力对产品性能的影响

任何一种金属材料及其零部件的疲劳断裂，其疲劳源绝大多数情况下萌生于表面，因此金属材料/零部件的疲劳断裂抗力首先取决于表面完整性。

在其他条件相同的情况下，表面完整性等级越高，材料/零部件的疲劳断裂抗力越高，即疲劳强度越高或疲劳裂纹的扩展速率越低。

表面层残余应力对疲劳强度的影响极大，表面层残余拉应力会导致耐疲劳性显著下降，疲劳损坏往往是由拉应力产生的疲劳裂纹引起的，并且是从表面开始。

表面层残余压应力会抵消一部分由交变载荷引起的拉应力，从而提高零件的耐疲劳强度。

因此在实际应用中往往通过表面强化处理使零件产生残余压应力，从而有效地提高疲劳强度。

相关资料记载“在20～200℃的范围内，材料/零部件外表面不存在宏观缺陷的情况下，表面完整性中的各项因素对疲劳断裂抗力影响程度（由大到小）的一般排序为：

表层的残余应力→表面粗糙度→表层的组织结构→表层的合金元素贫化或外部元素的渗入。

”金属材料经过冷、热加工处理后在零部件的表层内存在方向与量值不同的残余应力。

表层残余应力对材料/零部件疲劳断裂抗力影响的一般规律是：

残余压应力使疲劳断裂抗力增高，残余拉应力使疲劳断裂抗力下降。

影响轴承使用寿命除使用不当之外，一般与轴承的设计、使用的材料、零件的热处理质量和制造精度有关。

随着研究的不断深入，除前面所述的基本因素外，对零件工作表面进行特殊处理后同样能起到提升轴承的使用寿命，如通过表面化学镀膜，改善降低零件间的摩擦系数，改善润滑状态；表面物理强化处理以增加工作表面的残余压应力，提高疲劳断裂抗力等。

化学处理一方面设施投入大，另一方面对环境也有一定的影响，目前使用不是很广泛，通过物理处理提高表面综合质量当前应用比较广泛

2）磨削加工后零件的应力状态

切削加工中，切削区会有大量的切削热产生，工件表面的温度往往很高，此时金属基体温度较低，表层产生热压应力。

切削过程结束后，表层温度下降至与基体温度一致时，因表层已产生热塑性变形，其收缩要受到基体的牵制而产生残余拉应力，里层则产生残余压应力。

轴承零件加工中60%是磨削加工，磨削中产生的工件表面的高温，使表面层进入完全塑性状态，工件冷却后表面层金属收缩受到里层金属的牵制，使表面产生残余拉应力。

磨削温度越高，热塑性变形越大，残余拉应力也越大，有时甚至会产生裂纹。

有针对性地降低磨削表面的温度，减少由此产生的塑性变形，就能抑制残余拉应力的产生，甚至会产生残余压应力。

因此在磨削加工过程中通过合理选择工艺参数并加大冷却能力，有效降低磨削表面的温度，使工件表面产生了100～300MPa的表面残余压应力。

要显著提高产品抗疲劳性能，压应力强度还得提升。

3）提高表面残余应力的方法

当前提高表面残余应力的物理方法有：

a）表面喷丸形变处理；b）表面滚压形变处理；c）表面碾压处理；d）表面激光处理；e）表面复合强化处理。

其中表面喷丸形变处理工艺，既不受材料种类限制，也不受零部件几何形状与尺寸大小的限制，就其强化效果而言也是当前其它常规工艺无可比拟的，同时也比较适合零件的最终处理，几乎不影响零件的几何精度。

影响喷丸质量的主要因素有：

1）弹丸材料；2）弹丸规格（或重量）；3）弹丸喷射速度；4）喷丸时间。

喷丸处理除了提升零件表面压应力外，在次表面也需存在一定深度压应力分布层，压应力随距表面距离的增加呈递减变化，从而提高轴承抗疲劳和耐磨性能，延长轴承使用寿命。

有文献介绍，喷丸过程中表面压应力随着喷丸强度的增高而逐渐下降，次表面压应力分布层深度随喷丸强度的增高而加深，表面粗糙度Ra值随着喷丸强度的增高而加大。

由此可见，既要表面压应力增大，又要此表面压应力分布层深度增加，同时获得好的表面质量（Ra数值小）的效果，一次喷丸是难以同时满足。

根据喷丸强度对压应力和表面质量的影响，可首先完成次表面压应力分布层深度增加的加工，其次完成提高表面压应力和表面质量的加工，实现产品具有高表面压应力和表面质量

4）实例说明

苏州轴承厂有限公司通过抛串工艺使零件表面产生残余压应力的工艺已比较成熟，表面压应力与抛串时间成正比（其它工艺参数不变），数据见表2。

并能形成一定深度压应力分布层见图19，从压应力梯度变化分析，次表面的压应力递减趋势太快，与磨加工零件相比已有明显提高，能满足常规工作寿命要求，但不能满足重载条件的使用寿命。

公司一款产品（分油泵轴承）在功率加大后产生了早期失效，用户只能采用进口件保证整机质量。

表2：

试样编号

残余应力（MPa）

抛串时间

A点

B点

C点

1

-778.5

-800.3

-815.4

粗抛（25分钟）+精抛（60分钟）

2

-1031.5

-1011.0

-1057.4

粗抛（30分钟）+精抛（80分钟）

注：

“-”表示压应力。

图19压应力分布梯度变化图

在解决分油泵轴承因功率加大后发生早期失效问题过程中，首先采取了提高零件硬度，但效果不理想，随后设想能否通过增加次表面压应力分布层深度，也就是减缓次表面压应力递减趋势以提升抗疲劳和耐磨性能，满足重载使用工况。

从已有文献及自身掌握的数据分析，单纯依靠抛串来增加次表面压应力分布层深度是无法实现，必须通过喷丸强化处理才能实现，但喷丸后表面质量（Rz）满足不了产品要求，影响产品工作过程中油膜的形成，同样不能满足重载使用工况。

最后把喷丸强化处理与抛串技术联合使用，喷丸强化处理主要解决增

加次表面压应力分布层深度，抛串处理解决改善表面质量（Rz），同时进一步提高表面压应力，解决了分油泵轴承因功率加大后发生早期失效的问题。

改进处理后的零件压应力分布层梯度变化见图20。

图20零件压应力分布梯度变化图

5）研究方向

虽然解决了重载工况下的早期失效问题，但通过对国外产品的测试发现，应力分层梯度变化仍然快于国外产品，同时我们在试验时发现零件在喷丸过程中存在变形等不稳定因素，说明我们设备的喷丸区域及喷丸综合强度与国外存在差距，设备需进一步改造完善。

为了研究喷丸区域、弹丸材料、弹丸规格和形状、弹丸喷射速度、喷丸时间对喷丸后零件应力分布梯度的影响，以便改进完善设备，我们在试验室进行了原理模拟试验，初步试验数据不低于国外产品水平，数据见图21。

图21压应力梯度变化对比

从曲线图可看出，两试验件的应力分布梯度变化曲线在0～0.07mm区间内多位于进口件分布曲线之上，在距表面0～0.03mm区域内的压应力递减甚至好于进口件，反映到产品上就是在距表面0～0.03mm区域内抗耐磨性能优于进口产品，在距表面0.07mm处的压应力与进口件相当，试验件压应力分布梯度总体深度与进口件相当（以0.07深度考核）。

目前数据仅是试验室数据，而且采集的数据样本数少，有待进一步研究与探索，而且从试验室转化到正常生产还存在不确定因素，会有很多实际问题出现，需要进一步研究压应力形成的机理，。

另一方面，通过对产品压应力分布的检测后，需要进一步对各种不同压应力分布的产品进行寿命试验验证，寻找最佳应力状态与轴承使用寿命的匹配关系，提高试验验证能力和数据分析能力，提高滚针轴承的使用寿命。

b）冲压外圈整体淬火工艺

自我司在1958年制造生产出第一套冲压外圈滚针轴承之后,发展至今已有多种结构形式,以HK系列产品为例，如图33所示，是由冲压外圈（01），保持架（07），滚针（04）组成。

由于冲压外圈是薄壁轴承,且內复圆（Fw）及滚针尺寸小的缘故，不能采用像实体类滚针轴承的内装针方式，因此使得冲压外圈只能采取常规工艺,其加工工艺流程见图34:

然后再将配套的保持架、滚针装入冲压外圈,最后在进行滚边工序，则完成一个产品的基本加工工序。

冲压外圈的这种工艺有以下几点不足：

1.冲压外圈由于口部是直边，在热处理后口部变形大，造成冲压外圈椭圆。

压入座圈后，冲压外圈不能完全复原，影响产品使用性能。

2.在冲压外圈热处理之后，口部必须高频退火软化处理，方能完成装配后的滚边工序。

但高频退火处理，会使冲压外圈滚道硬度产生梯度变化，缩短了滚道的有效长度，影响了产品使用寿命。

而且，此工艺高频退火质量不稳定，时有滚边开裂现象发生。

图33HK系列产品结构图

图34HK系列产品外圈工艺流程图

为了解决这种工艺存在滚道硬度产生梯度变化问题，提高轴承的整体寿命。

我公司近年来积极研究国际最新的工艺方法，采用热处理前的冲压外圈、保持架和已热处理后的滚针一起组装后再进行整体热处理，解决了由于高频退火形成的两端硬度差，也避免了在使用过程中因翻边面硬度偏低导致的挡边磨损等缺陷。

使整个冲压外圈硬度一致，也改善了由于壁薄壁引起的变形，能大大提高轴承的旋转精度和延长轴承使用寿命。

其工艺流程见图35：

图35HK系列产品整体淬火工艺流程图