大直径不锈钢轴承套圈热处理工艺分析

2010-07-25李孟喜龚建勋李生新

轴承 2010年7期

李孟喜，龚建勋，李生新

（1.洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳 471039；2.兰州铁路局物资处，兰州 730000）

1 套圈及材料

图1所示为某型号大直径轴承内、外圈示意图。该轴承工作环境较为恶劣，根据工作条件选用9Cr18钢制造。该钢种属马氏体不锈钢，其中的Cr是不锈钢的基本元素，是一种铁素体形成元素。当Cr的含量大于12%时，在钢的表面生成致密的保护膜，使材料的电极电位大大提高。Cr的作用是遵循N／8规律突变的，12.5%是第一个突变值；Mo可增加钢的钝化作用和抗蚀性，阻止点腐蚀；V是强烈的碳化物形成元素，可以阻止晶粒长大，提高强度及耐磨性；C是奥氏体形成元素，与Cr，Mo，V等元素形成一系列复杂碳化物，提高强度、硬度及耐磨性，而且还有高的耐腐蚀、耐高温和耐低温的能力［1-3］。主要用于制造在海水、河水、酸性、海洋性等介质和在低温、高温下工作的轴承［4-5］。

图1 某型号轴承内、外圈结构示意图

该轴承套圈热处理后技术要求：（1）表面硬度≥58 HRC，同一零件硬度均匀性≤2 HRC；（2）直径变动量≤2.0 mm，端面翘曲≤1.1 mm（机械加工工艺对热处理的要求）；（3）淬、回火组织按JB／T 1460标准第二级别图评定，2～5级为合格组织，当淬、回火组织介于1～2级之间时，以硬度为准。

2 工艺对性能的影响分析

利用设计的不同热处理规范对试样进行热处理后，分别测定硬度、残余奥氏体量和冲击韧性，并对试样进行了金相组织观察。这里着重分析淬火温度对材料性能的影响规律。

2.1 淬火温度对硬度的影响

淬火温度对硬度的影响见图2。随着淬火温度的提高，材料的硬度先增加后减小，当淬火温度为1 060℃时硬度最大，达到62 HRC。

图2 淬火温度对硬度的影响

2.2 冷处理温度和回火温度对硬度的影响

冷处理温度及回火温度对硬度的影响分别见图3和图4。由图可以看出，随着冷处理和回火温度的提高，零件硬度均呈下降趋势。

图3 冷处理温度对硬度的影响

图4 回火温度对硬度的影响

2.3 淬火温度对残余奥氏体含量和冲击功的影响

淬火温度对残余奥氏体含量和冲击功的影响分别见图5和图6。由图可知，随着淬火温度的升高，残余奥氏体含量逐步升高，而冲击功则逐步下降。

图5 淬火温度对残余奥氏体含量的影响

图6 淬火温度对冲击功的影响

9Cr18钢淬火硬度主要取决于马氏体、二次残留碳化物和残余奥氏体的合理匹配。随着淬火温度的升高，二次碳化物逐渐溶解，奥氏体中含碳量和合金化程度也逐渐增加，引起Ms下降，超过1 150℃淬火，Ms下降到室温以下。因此，淬火温度越高，残余奥氏体量越多。

随着马氏体中含碳量和合金元素量的增加，马氏体被强化，同时残余奥氏体量也在增加，这两个因素的相互作用，表现在淬火后的硬度出现一个最高点，即在1 050～1 060℃淬火硬度最高，达到60～62 HRC；继续提高淬火温度，超过1 100℃时，由于残余奥氏体大量增加，淬火后硬度急剧下降（1 150℃淬火硬度仅为44 HRC）。因此，合理选择淬火温度对于保证9Cr18钢的淬火硬度是非常重要的［6］。

残余奥氏体量直接影响着零件的淬火硬度和尺寸稳定性，淬火温度和冷处理对残余奥氏体量有直接影响。冷处理使9Cr18钢残余奥氏体转变成马氏体有着明显效果，淬火温度越高，冷处理效果越显著，因此，冷处理是减少9Cr18钢残余奥氏体量，提高强度、硬度、稳定尺寸的重要措施。

9Cr18钢冲击韧性主要决定于淬火后的强度相马氏体和塑性相奥氏体的合理匹配，即未回火时冲击值仅决定于淬火状态马氏体浓度和残余奥氏体量。因而马氏体浓度低和残余奥氏体量多时冲击功较高。

3 工艺与设备的改进及效果

3.1 热处理工艺

该套圈直径较大，壁厚相对较薄，选择工艺规范时除了考虑性能要求外，还应尽可能减少加工过程可能出现的畸变。因此，在加热过程中增加了850℃保温1 h的预热工序，以尽可能减少加热过程的应力；预热的同时将另一炉升温，到温后立即将预热后的零件放入，这样可以减少升温过程的应力；淬火时应提高淬火油温，出油温度也相应提高，并趁热采取内撑法顶形校正；冷处理和回火过程均延长了保温时间，使得残余奥氏体的转变及回火更充分均匀。具体热处理工艺曲线见图7。

图7 热处理工艺曲线

3.2 热处理设备

淬火加热温度选择在1 060℃，为防止套圈表面氧化脱碳和腐蚀，一般采取盐炉或真空炉进行加热。由于该零件尺寸过大（1 300 mm），无合适尺寸的盐炉和真空炉。本试验中对现有的井式加热炉ц-251进行了改造：更换了加热元件，使炉温可升到1 000℃以上；改进了温控系统，提高了控温精度。改造后的设备可以满足工艺要求。