热处理工艺对钢球压碎载荷值的影响

赵高明，周勇，马林

(江苏力星通用钢球股份有限公司，江苏 南通 226500)

汽车轴承用长寿命钢球必须具备高耐磨性、高接触疲劳强度和优良的冲击韧性。压碎载荷作为钢球热处理指标之一，历来受到各钢球生产厂家的关注和重视。钢球压碎载荷值来自于压碎试验，通过试验，既可以发现钢球热处理和原材料方面的缺陷，又可以分析不同回火温度下各个指标的变化规律。其中，断口形貌是发现问题、分析问题和给出评价的依据。依据JB/T 1255—2001《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》规定，对直径3.000～50.800 mm的钢球必须进行压碎载荷试验。为此，针对热处理工艺参数，从有利于提高压碎载荷值和改善压碎断口出发，以直径为9.525和12.700 mm钢球为例进行了一系列工艺试验。为便于试验结果的统计与评价，在所进行的试验中每次只试验1粒钢球(JB/T 1255—2001标准规定为每组试验3粒钢球)。

1 试验条件

压碎试验示意图如图1所示，上、下压板材料均为模具钢，厚度为40 mm，硬度为62～65 HRC，这样可以保证自身变形不会显著影响测量数据。

图1 压碎试验模型

压碎试验在申克3000型试验机上进行，加载速度根据JB/T 1255—2001标准规定执行，本试验为2～3 kN/s。试验主要考察以下指标：

(1)压碎载荷Fk——钢球被压碎瞬间的载荷，也是钢球能够承受的最大载荷。

(2)总变形量Lk——钢球压碎时的变形量与10 kN载荷时的变形量之差。由于钢球压碎试验时不可能测出钢球的真实变形量，只能测出下动板位移量，该位移包括了试验机的变形、压头的变形、钢球与压头接触处的局部变形等。另外，在载荷比例小的情况下，变形量与载荷可能不是线性关系(主要是各个接触面的变形)。考虑到上述不稳定因素，以10 kN载荷时的位移作为0点，有利于消除上述因素带来的位移偏差。

(3)压碎断口形貌。钢球压碎时断口形貌不一，有的呈碎裂态，有的呈对半开裂态。经验表明，钢球压碎断口越趋向于对半开裂，使用寿命越长。

2 试验结果及分析

2.1 淬火温度的影响

淬火设备为RG9-80型热处理生产线，功率135 kW，生产效率每天6 t。将直径9.525和12.700 mm钢球(材料均为SUJ-2)置于同一生产线上进行淬、回火工艺试验。试验时淬火温度在840 ℃的基础上，以5 ℃的间隔逐步增加至860 ℃，淬火加热时间均为60 min，淬火介质为快速光亮淬火油；2种钢球的回火工艺也相同，即回火温度为170 ℃，时间为240 min。试验结果见表1。

表1 钢球淬火温度与压碎载荷及金相组织的关系

GCr15轴承钢淬、回火状态的马氏体有位错马氏体和孪晶马氏体2种类型。在正常淬、回火状态下，是以位错马氏体为主的混合型马氏体组织存在。比较而言，孪晶马氏体具有较高的强度和硬度，综合力学性能优良，但塑韧性比较差。从试验结果可知，淬火温度过高，淬、回火组织中孪晶马氏体增多，位错马氏体相应减少，不利于提高钢球的压碎载荷值。

2.2 回火温度、时间的影响

在淬火试验(淬火温度845 ℃)的基础上，分别采用不同的回火温度和回火时间对淬火状态球进行回火试验，观察其对钢球压碎载荷的影响，试验结果见表2。

表2 回火温度和时间与钢球压碎载荷的关系

由表2可知，在保证钢球硬度合格的前提下，将回火温度提高10 ℃，同时将回火时间延长一倍，可使钢球压碎载荷值明显提高。

通过长时间的试验、积累和分析，统计得出回火温度与钢球压碎载荷的关系如图2所示，回火时间为240 min。

从图2可以看出，随回火温度提高，压碎载荷总体呈现增大趋势。120～130 ℃回火的压碎载荷是JB/T 1255—2001标准规定的1.2～1.3倍，200 ℃回火的压碎载荷是标准规定的1.6～1.8倍。试验结果表明，回火温度在120～200 ℃时，回火温度对压碎载荷的影响比较明显。

2.3 气氛碳势的影响

试验用生产线采用的是氮基吸热式气氛，氮气作为富化气，甲醇作为载气，分别通过氮气流量计和甲醇流量计向炉内通入，并在淬火温度下进行裂解。为了弄清钢球脱碳、贫碳和增碳表面状态对压碎载荷的影响，分别在不同的碳势状态下进行了试验(试验用钢球直径为12.700 mm)。淬火温度845 ℃、加热时间60 min；回火温度170 ℃、时间240 min。通过试验得出的相关数值分布情况如图3所示。

图3 碳势对钢球压碎载荷的影响

根据试验结果可得表面碳势对钢球压碎载荷的影响，具体数据见表3。

表3 碳势对钢球压碎载荷值的影响

从表3可以看出，在淬火组织级别合格的情况下，钢球表面如增碳，压碎载荷值呈现下降趋势，且增碳倾向越严重，压碎载荷值下降的幅度越大；钢球表面有轻微贫碳时，其压碎载荷值反而变大，但由于表面存在拉应力，对钢球寿命不利；钢球表面存在脱碳时，压碎载荷值明显下降。所以，应在各项指标合格的前提下，从优化寿命指标出发，控制好炉内碳势，尽可能实现既不脱碳也不增碳，保证热处理压碎载荷值稳定受控。

2.4 回火温度对总变形量的影响

为了考察回火温度对压碎载荷的影响规律，仍对上述2种规格的钢球进行试验。2种钢球均在同一生产线上进行淬火，淬火加热时间均为60 min，温度为845 ℃；采用不同的温度回火，回火时间均为240 min。回火并冷却至常温后直接进行压碎试验。由此得出回火温度与总变形量的关系如图4所示。

图4 回火温度与钢球总变形量的关系

从图4可以看出，钢球总变形量随回火温度的提高而增大，这与钢球压碎载荷随回火温度的变化规律相近。

2.5 回火温度对压碎断口的影响

压碎试验发现，经120 ℃以下回火的钢球，压碎断口大部分不在中截面，断口不平整，且呈平面状态的不多(图5)。经160 ℃以上回火的钢球，大多呈现对半开裂状态，而且回火温度越高，断口对半开裂倾向越明显(图6)，表明钢球使用寿命越长。

图5 回火温度100 ℃时的压碎断口

图6 回火温度170 ℃时的压碎断口

3 结论

(1) 钢球压碎载荷值与淬火温度、回火温度、回火时间及气氛碳势等参数均相关；

(2) 回火温度对钢球压碎载荷、总变形量影响较大，随回火温度升高，钢球压碎载荷值及总变形量均呈增大趋势；

(3) 在对单个钢球进行压碎试验时，若回火温度超过120 ℃，压碎载荷以及总变形量随回火温度的变化趋势明显增大；

(4) 为确保钢球有良好的综合性能，淬火温度、回火温度一般应分别控制在845 ℃，170 ℃左右，回火时间不低于240 min。