深冷处理原理及其在轴承零件加工中的应用

刘秀莲， 罗 燕， 班 君

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司 工程技术部,黑龙江 哈尔滨150025; 2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨150025）

深冷处理原理及其在轴承零件加工中的应用

刘秀莲1， 罗 燕2， 班 君2

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司 工程技术部,黑龙江 哈尔滨150025; 2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨150025）

作为一种新型的热处理工艺，深冷处理备受关注。通过介绍深冷处理的原理、对材料组织的影响及具体的操作工艺，对提高轴承的性能和寿命将有重要意义。

轴承零件；深冷处理；奥氏体；马氏体；碳化物

1 前言

随着航空航天工业的不断发展，对轴承的要求也越来越高，深冷技术应用于轴承零件，以提高轴承的耐磨性和强韧性，稳定尺寸、减小变形、进而提高轴承的使用寿命。

一般把钢热处理后冷却到0～-130℃的处理方法称为普通冷处理，而把低于-130℃（通常为-130℃～-196℃）的冷处理叫做深冷处理。深冷处理是指以液氮为制冷剂在低于-130℃的温度对材料进行处理的方法，该方法能改变材料的力学性能，可在不降低材料强度及硬度的情况下，显著提高材料的韧性，具有广阔的应用前景。

2 深冷处理原理及对材料组织的影响

钢的淬火过程就是使钢获得马氏体的过程，而淬火不能使钢中奥氏体全部转变为马氏体组织，各种钢材热处理后都有部分残余奥氏体，其数量随钢种及加热温度不同而变化，同时还有一定的残余应力存在，对零件的使用性能会产生一定的影响。深冷处理能使钢中奥氏体进一步转变为马氏体，并能改善和消除钢中残余应力的分布，析出更多的细小碳化物，从而起到弥散强化的作用，对无相变材料能使晶界发生畸变，从而增强基体性能。

2.1 残余奥氏体的改变

低温下（即Mf点以下）残余奥氏体发生分解，转变为马氏体，提高了零件的硬度和强度。深冷处理可以减少残余奥氏体的数量，深冷处理还能改变残余奥氏体的形状、分布和亚结构，有利于提高钢的强韧性。

2.2 碳化物析出

从马氏体中析出超细碳化物，从而产生弥散强化。主要原因为马氏体经-196℃深冷，由于体积收缩，Fe的晶格常数有缩小的趋势，从而加强了碳原子析出的驱动力，但由于低温下的扩散更为困难，扩散距离更短，于是在马氏体的基体上析出了大量的弥散的超微细碳化物。经过深冷处理的零件和未经深冷处理的零件相比，碳化物体积分数增加了近一倍，大量碳化物的析出，提高了轴承零件的硬度和韧性。

2.3 组织细化

深冷处理能够使马氏体析出弥散碳化物，使组织晶粒细化，从而提高零件的强度和韧性，使原来粗大的马氏体板条发生了碎化。晶粒细化是由于马氏体点阵常数发生了变化，也有学者认为马氏体分解析出微细碳化物时造成了组织细化。

2.4 表面产生残余压应力

深冷过程中容易在零件缺陷（微孔）、内应力集中的部位和空位表面产生残余应力，这种应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损害，最终表现为材料磨损抗力的提高。

2.5 深冷处理部分转移了金属原子的动能

原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力，又存在使之分开的动能。深冷处理转移了部分原子间的动能，从而使原子之间的结合更紧密，提高了材料的强度和韧性。

3 深冷处理的优点

精密轴承对尺寸稳定性要求较高，轴承零件淬火后，内部组织仍保留较多的残余奥氏体，这种残余奥氏体是不稳定的组织，在轴承储存和使用过程中，会不断地发生变化，从而改变轴承的精度。

通过对轴承零件进行深冷处理或普通冷处理，可以增强抗磨性、强度和韧性，提高抗腐蚀性、抗冲击性，消除内应力，提高抗疲劳强度，同时，防止时效变形，延长了轴承的使用寿命。

4 轴承零件冷处理工艺

4.1 回火工艺和冷处理工艺顺序

按回火工艺的顺序，轴承零件冷处理可分为回火前冷处理和回火后冷处理。回火前冷处理能较大地提高零件的切削性，回火后冷处理能大幅提高零件的力学性能，使硬度较低的奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和抗热性更高的马氏体。

GCr15、9Cr18钢制轴承零件热处理工艺路线为：淬火→冷处理→回火。

8Cr4Mo4V、W9Cr4V2Mo钢制轴承零件热处理工艺路线为：淬火→回火→冷处理→回火→回火。

M50、M50NiL钢制轴承零件热处理工艺路线为：淬火→回火→冷处理→回火→冷处理→回火。

4.2 冷处理温度

冷处理的温度主要根据钢的马氏体转变终止温度Mf，另外还要考虑冷处理对机械性能的影响及工艺性等因素。常用轴承零件的冷处理温度见表 1。

表1 常用轴承零件的冷处理温度

4.3 冷处理保温时间和次数

冷处理时间的长短，主要应考虑被处理零件的导热性、体积、冷透所需的时间及残余奥氏体的转变稳定情况等因素，冷处理时间长的要比短的效果好，因为长时间冷处理可以使钢中的残余奥氏体充分地转变及更有利于碳化物粒子的形成，转变完成后，零件的硬度不会再有明显地变化，零件尺寸越小，完成转变所需的时间越短。常用轴承零件的冷处理保温时间与次数见表2。

表2 常用轴承零件的冷处理保温时间与次数

4.4 轴承零件冷处理注意事项

（1）淬/回火后，轴承零件要均匀冷至室温后进行冷处理，否则容易开裂，冷至室温后应尽快冷处理，一般在0.5～1h内，以免使奥氏体稳定化，终止奥氏体向马氏体的转变。

（2）轴承零件冷处理后应缓慢升至室温，并及时进行回火，一般在1～2h内。

5 结束语

深冷处理是提高材料强度和韧性的一种处理工艺，已得到广泛应用。随着金属深冷处理技术研究的不断深入，制定稳定的钢制轴承零件深冷处理工艺，对进一步提高轴承的使用寿命具有重要意义。

（编辑：钟 媛）

Cryogenic treatment principle and its application in bearing parts processing

Liu Xiulian1,Luo Yan2,Ban Jun2
（1.Engineering Technology Department,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150025,China; 2.Bearing R＆D Center,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150025,China）

As a new type of heat treatment process, cryogenic treatment has been closely watched.By introducing the principle of cryogenic treatment , the impact on the organization of the material and the specific operation process ,to improve the performance and life of the bearing will have important significance .

bearing parts;cryogenic treatment; austenite; martensite;carbide

TG156.91

B

1672-4852（2014）04-0036-02

2014-09-02.

刘秀莲（1964-），女，高级工程师.