轴承零件锻造常见的加热缺陷及解决方法

汪英志

摘要：轴承零件常用锻造工艺成型，特别是中大型尺寸的轴承，常用加热锻造的方法将轴承零件锻造成需要的零件大致形状。由于锻造过程中不断地分不同阶段辗扩，成型后的零件既节约了材料成本，又能使内部组织更加均匀一致，综合机械性能得到显著改善，为后工序的加工尤其是热处理工序提供了良好的基础。由于锻造工艺属于热加工范畴，在锻造过程中不可避免产生氧化皮、脱碳、过热等热加工缺陷，这些缺陷对热处理质量控制及轴承寿命影响较大。本文从生产实践中总结出常见的几种缺陷的产生机理，以及防止办法，对控制轴承零件锻造过程中常见缺陷，具有重要的现实意义。

Abstract： Bearing parts are commonly forged process molding， especially medium and large-sized bearings， commonly used heating forging methods to forge bearing parts into the required parts rough shape. Due to the continuous expansion of the forging process in different stages， the molded parts not only save material costs， but also make the internal organization more uniform and consistent， the comprehensive mechanical performance has been significantly improved， for the processing of the later process， especially the heat treatment process provides a good basis. As the forging process belongs to the category of thermal processing， in the forging process inevitably produces oxidizing skin， decarbonization， overheating and other thermal processing defects， these defects on heat treatment quality control and bearing life has a greater impact. In this paper， the production of several common defects from the production practice， as well as prevention methods， control bearing parts in the forging process of common defects， has important practical significance.

关键词：轴承零件;锻造;辗扩;加热缺陷;始锻温度;终锻温度;脱碳

Key words： bearing parts;forging;expansion;heating defects;start forging temperature;end forging temperature;decarbonization

中图分类号：TG306;TG506                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0116-02

0  引言

中大型轴承零件制造工艺一般要经过钢材下料→锻造→去应力退火→金属切削加工→热处理→磨削加工→零件检验→成品装配→成品检测试验等工序。而锻造是轴承零件加工的首道工序，也是所有后工序基础。锻造质量的好坏，直接影响后工序加工和成品轴承的综合机械性能和轴承使用寿命。轴承钢（常用GCr15、GCr15SiMn）锻造始锻温度为1050～1100℃之间、终锻温度为800～850℃之间。在这一区域温度范围内，轴承钢塑性、锻造工艺性、获得的内部组织等关键性技术指标都较好。由于是在高温状态下加工，轴承套圈热锻件在加热过程中不可避免地会产生氧化皮、脱碳、过热、过烧、加热裂开（内部裂纹）、折叠等缺陷，从而导致金属材料损耗过多，甚至废品。也为后工序加工留下的质量隐患，且某些隐患在后工序加工过程中是不可完全修复的或者是不可逆的。因此，理解上述加热缺陷产生的机理，掌握正确的加热工艺方法，尽最大可能减少或防止这些缺陷的产生，是提高锻件质量和锻造水平重要的有效途径之一，也是衡量锻造水平高低的重要技术指标之一。本文从生产实践中总结出几种常见的轴承钢加热缺陷及防止办法如下：

1  氧化皮

轴承钢锻件在加热过程中很容易产生氧化皮，产生的氧化皮极有可能会随着辗扩过程卷入到零件表面的辗扩流线方向，有的粗大，有的细如发丝，深浅不一，深度较深时，后工序不易及时发现，只有到成品零件才能看见。氧化皮的产生同时造成锻件原材料的损耗，锻件每加热一次，便有1.5～3%的金属被氧化烧损。另外氧化皮的产生降低了锻件表面的质量，被压入锻件内部時表面形成了凹陷并影响锻件的精度，如果氧化皮不处理，直接进行锻打还会导致锻件组织和性能的不均匀;如果氧化皮过硬就变相地降低了模具的使用寿命。严重影响锻件的表面质量、锻模的精度和寿命，特别是对轴承寿命危害极大。

产生氧化皮的主要原因是因为金属表面的元素与炉气中O2、CO2、H2O及SO2发生化学反应所致。轴承钢在加热过程中，氧化皮的产生随着温度的升高加剧，在570～600℃之前，氧化现象比较缓慢，从700℃开始氧化逐渐加快，当加热温度达到900～950℃时，氧化速度会迅速加快，如定义此时氧化速度为1，则到1000℃时氧化速度就为2，而达到1100℃时氧化速度为3.5。值得提出的是钢在高温时，氧化速度和加热时间成正比。

为了尽量减少氧化皮，应采取以下几个措施加以控制：①在保证加热质量的前提下，尽量提高钢材的加热速度，缩短加热时间，特别是减少高温阶段的加热时间。②采用“少而勤”工艺方法，使锻件快进快出。③在保证充分加热的情况下，严格控制送风量，减少炉膛内的过剩氧气，以更好地控制轴承钢表面氧化。④合理地调整膛心压力，使之不要过大，防止冷空气吸入炉膛内产生氧化。

2  脱碳

脱碳是指钢加热时表层含碳量降低的现象。脱碳的过程就是钢中的碳在高温下与氢或氧发生化学反应生成甲烷或一氧化碳。脱碳也是轴承钢加热中的常见缺陷，在高温条件下，轴承钢表面的碳和炉内的O2或H2发生化学反应，产生CO或甲烷，从而使钢表面的含碳量减少甚至失去，造成锻件表面变软，强度和耐磨性降低，严重时可产生龟裂。脱碳时，一方面是氧向钢内扩散。另一方面钢中的碳向外扩散。脱碳层只有在脱碳速度超过氧化速度时才能形成，当氧化速度很大时。可以不发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后，铁即被氧化而生成氧化皮。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，可形成较深的脱碳层。脱碳层含碳量较正常组织低，渗碳体（Fe3C）的数量较正常组织少，故其强度由高变低。对大多数钢来说，脱碳会降低其性能。尤其是对高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢来说，脱碳是一种严重的失效。GCr15轴承钢含碳量在0.95～1.05%，属高碳钢范畴，轴承钢脱碳会给热处理工序带来极大困难，轴承钢套圈零件热处理后的硬度为60HRC～64HRC。由于锻造中产生的脱碳现象，会造成热处理后的零件局部软点，硬度达不到规定的要求，且局部软点处造成应力集中。轴承在使用过程产生疲劳点蚀损坏，严重影响轴承的使用寿命。

锻造过程中产生的脱碳层深浅与钢材加热时间有着密切关系。一般来说，加热时间越长，脱碳深度越深。据文献记载，如高速钢在1000℃时加热30分钟，脱碳深度达0.4mm。当加热在供氧不足的状态下，炉气中会产生大量的H2，它是金属表面脱碳最强烈的气体，因此，适当的加入过剩的氧气，对轴承钢减少脱碳有着积极的作用。

减少脱碳的方法应采取：①在不违反轴承钢加热规范的前提下，采用尽可能快的加热速度。②减少高温阶段加热时间。③对已加热好的坯料尽快出炉锻造。④条件许可情况下，加热前坯料涂上保护层（如玻璃粉等）。

3  过热

所谓过热是指Gcr15轴承钢在加热至1150～1180℃，并在该温度下保温时间过长时，导致奥氏体晶粒粗化。主要特征是晶粒粗大，有明显的魏氏组织。或者终锻温度过高，停锻之后，锻件内部晶粒会继续长大，形成粗晶组织。锻后奥氏体晶粒将再次粗化。此时若空冷，在较快的冷却速度下，魏氏组织容易在粗大晶粒的奥氏体中产生，它是由在一定晶面析出的渗碳体和珠光体所构成。魏氏组织是轴承钢产生过热的组织特征，若魏氏组织特别严重时，仅用退火或正火也难以完全消除，必须再次锻造予以矫正。轴承钢的过热组织不仅给热处理工序带来困难，而且使轴承钢的综合机械性能显著降低和变脆，从而影响轴承是使用寿命。因此，应该避免过热组织产生。

因钢的过热完全是人为因素，避免过热的方法就是①严格按照工艺要求加热，钢材不在高温阶段停留过长时间。②锻造后的锻件散放到指定区域时，不允许接触到水或者接触到使冷却速度加快的介质。堆放零件的指定区域至少要有简易的防雨措施。使之自然冷却。做到上述二点，基本上就不会发生过热现象。

4  过烧

当轴承钢加热到固相线以上温度，就会沿着晶界产生析出物，而杂质等偏析的晶界开始熔化，氧通过熔化了的晶界就会很容易侵入轴承钢基体内部，并在晶界上形成氧化物。所谓过烧是指钢在加热温度接近其熔点（轴承钢Gcr15为1180℃），晶粒不仅长的相当大，而且晶界间开始局部熔化，这种组织现象称之为过烧组织。轴承钢材一旦过烧，各晶界间联系就会遭到破坏，除晶粒粗大外，部分晶粒已趋于熔化，晶界极粗，导致金属失去其应有的机械性能。轴承零件过烧，一般都是深深地侵入了轴承钢内部，不易发现，常规的外观检查是不能完全挑出了的。出现过烧的锻造套圈，除非用探伤方法一一分选，否则整批零件应该报废。锻造过烧对轴承使用的寿命及可靠性影响极大，过烧产生的孔洞、微裂纹可能会成为轴承疲劳失效的疲劳源，即使轻微过烧，危害也是显而易见的。

轴承钢锻造过程的过烧，也是人为因素造成的。为了防止轴承钢产生过烧组织，①严格按照工艺要求加热，钢材加热不超过工艺上限温度。②轴承钢在加热时的最高温度应确保始锻温度不高于1100℃。

5  加热开裂

轴承钢锻件加热开裂有两种原因，①加热过程中热应力造成;②锻造过程中变形量太大、终锻温度太低、始锻、终锻时用力过大、未及时去应力、锻件结构不合理等原因均可造成锻件开裂。本文讨论的是热应力造成的加热开裂。钢材在加热过程中，热量总是有表层向内部传递的，因表层温度高于内层，形成了一定的温度差，此时外层的膨胀大于内层膨胀，内、外层相互牵制就会产生温度应力（热应力）。当温度应力大于此时钢材的强度极限时，钢材中心部位就会产生裂纹，这种现象称为热裂开。

加热裂开是轴承锻造中不能允许的致命缺陷。究其原因主要是加热速度过快造成的，尤其是在800℃以下加热，由于金属的塑性差，更容易出现裂开。当轴承钢加热温度达到900℃以上时，热应力能够被塑性变形抵消一部分，允许适当提高加热速度，此时不仅不易产生裂开，而且对减少轴承钢氧化有积极作用。

杜绝加热开裂就是在800℃以下必须缓慢加热（俗称热透），在工艺上规定加热时长，没有其他好的办法。

6  锻造折叠

锻造折叠是指轴承钢套圈零件在辗扩过程中，由于零件长径比不佳或操作不当等原因，辗扩后的零件平面（滚动面也可能产生）有时会产生凹心过深，不能被车、磨加工工艺留量所包容，成品零件平面上会出现长条或者弧形裂纹缺陷（裂纹周边经热酸洗检查有脱碳现象）。外观呈明显黑色。锻造折叠产生原因是轴承套圈锻造过程中金属对流汇合形成的，也可能是变形后的金属弯曲回流形成，部分金属变形后被压入到另一部分金属内也可发生锻造折叠。锻造折叠一般发生在零件表面，比较容易发现。

避免锻造折叠的方法是①合理设计锻件毛坯尺寸，使之优化，特别注意长径比不佳的中大型产品工艺性。②提高模具的表面粗糙度，尽可能减少金属和模具的摩擦力。③适当增大模具圆角半径，注意润滑。

7  结束语

通过总结生产实践中的轴承零件常见锻造缺陷，分析了几种常见锻造缺陷产生的原因或机理，给出了基本的解决方法，对于从事轴承零件锻造的专业人员来说，具有较好的参考价值。当然轴承零件锻造缺陷不限于上述几种形式，也有可能产生其他形式缺陷，有时是几种缺陷的叠加，如大晶粒、晶粒不均匀、冷硬现象等锻造缺陷在此不一一叙述。

参考文獻：

[1]轴承套圈锻造[M].洛阳轴承研究所，1975.

[2]轴承锻造工艺学[M].机械工业出版社，1989.

[3]邹步.轴承套圈制造过程中的材料缺陷研究[J].科技创新与应用，2016（12）：5-6，7.