SAE 52100高铬碳钢滚动轴承制造工艺的研究

康博淳

(西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院，陕西 西安 710129)

滚动轴承是一种精密的机械元件，它将运行轴和轴座之间的滑动摩擦改变为滚动摩擦，从而减少了摩擦损失。滚动轴承通常由四个部分组成：内圈，外圈，滚动体和保持架，结构见图1。内圈的作用是与轴配合，并随轴旋转。外圈的作用是与轴承座配合以支撑它。滚动体通过保持架在内圈和外圈之间均匀分布。它的形状和数量直接影响滚动轴承的使用寿命和寿命。保持架可以均匀地分布滚动体并引导滚动体进行润滑[1，2]。尽管现在出于成本考量，一些新型轴承使用模制塑料保持架，但保持架传统上是由薄钢制成的[2]。在探究滚动轴承的制造方法时，必须先行了解所使用的材料。大多数滚动轴承采用SAE 52100钢，这一种最常用的高碳铬轴承钢，具有较高的淬透性、高耐应力、高弹性极限和高接触疲劳强度。为了使该材料达到必要的行业标准，用于球轴承的钢可通过热锻，淬火和其他一些关键的热处理工艺使其硬化，以求探究其高性能特性。

图1 滚动轴承的基本结构

1 SAE 52100轴承钢的热处理

1.1 热处理理论

滚动轴承的几乎所有零件都由钢制成。由于在实际工程应用中，轴承必须承受很大的压力，因此需要用非常坚固的钢作为基础材料来锻制滚动轴承。在日常工业生产中，高碳铬钢SAE 52100通常被采用来制造滚动轴承，它含有1.35%～1.60%的铬，0.93% ～ 1.05%的碳以及Mn，P，Si，S等微量元素[2，3]，具体元素成分分布见表1。在受控的熔炉环境中，铬钢最常见的热处理工艺是硬化处理工艺。硬化钢为了保证其韧性和塑性，一般先经淬火再经回火，以使强度和韧性达到要求。由于其出色的硬度和耐磨性，它在滚动轴承中显示出良好的疲劳寿命[3]。

为了避免氧化，其表面必须覆盖一层防锈剂或蜡。当轴承钢处于软态（未硬化）时，结构为珠光体。当在热处理炉中加热到1750℉时，组织从珠光体转变为奥氏体。淬火后，组织从奥氏体转变为马氏体。一旦转变为马氏体，钢就变得非常坚硬[4]。然而，此阶段产品不具备很好的热稳定性。这是因为并非所有的奥氏体在淬火过程中都转变为马氏体，存在残存奥氏体。这些残余奥氏体将在数年内转变为马氏体。这种转变伴随着体积的增加，即使在室温下，也会导致任何钢零件的尺寸和形状发生变化。

虽然低精度商品型轴承不存在问题，但在高精度轴承中，这种尺寸稳定性的缺乏会导致问题[4]。为了消除这种不必要的金相生长，钢必须经过热稳定处理。这是通过在低温下反复冷却和回火，以将大部分残余奥氏体转变为马氏体来实现的，也就是全硬化工艺。

1.2 热处理工艺

油浴的全硬化过程在充满氮气的环境下，将一批环材密封在托辊式网带炉中使其奥氏体化。然后，将环材转移至同一封闭管线中的储油容器中。托辊式网带炉的淬火段由两个装有不同温度油的储油器组成。淬火后，将环材运输到洗涤和漂洗区，在其中用相应的表面活性剂除去油并用水漂洗。最后，将材料转移到回火炉中进行回火操作。盐浴中的全硬化过程则同样通过热处理生产线进行。加加热条件和奥氏体转化条件在系统可控范围内调整至接近油浴淬火的条件。随后，将环材转移到空气环境下的盐浴中进行淬火处理，并在控制淬火温度高于Ms。接着环材转移至两个连续的、热水浴的浸润池。此阶段对材料进行洗涤，以求完全去除残余盐分。最后，在室温下将环材用清水冲洗，并通过吹入热空气的方式进行干燥[4，5]。

表1 SAE 52100高铬碳钢元素成分构成

表2 油浴、盐浴硬化工艺

2 滚动轴承成型工艺

2.1 成型工艺流程

整个制造工艺流程如图2所示。首先，将SAE 52100钢材在由多个感应线圈组成的连续感应加热线上，进行感应加热。在热锻过程中，调整材料的流速和吸气参数，以确保锻造操作之前杆中的温度分布均匀。然后将感应加热后的钢材精确裁切成短棒。内圈和外圈的轧制预成型坯都是使用曲柄压力机在同一模具中由裁剪的棒热锻而成的。待冷却至室温后，将锻造出的环在连续球化炉中分批球化。然后，对预成型件进行喷砂处理，为随后的冷轧操作做好准备。在通过车工工艺切削操作进行热处理之前，将钢材加工成最终轴承所需的几何形状。随后，将试样在连续的热处理生产线上进行淬火和回火等热处理流程[4]。最后在经过砂轮打磨和超精加工后，进行装配[6，7]。

图2 SAE 52100滚动轴承加工工艺流程

2.2 滚动轴承的装配

整个组装过程分为八个步骤，如图3。首先，将对应的内圈和外圈配对，后将滚珠组装到环内，将内圈重新放置，推到中心位置。轻微旋转使球适合内圈和外圈。接着，将保持架组装到滚珠上方，并在间隙中添加润滑油。最终安装防护罩、密封件[8]。至此完成组装过程完成。

3 总结

常规硬化工艺的钢在炉中将其加热到临界温度时，该材料从珠光体转变为奥氏体。在将其迅速冷却，即淬火后，奥氏体转变为马氏体，此时钢的内部结构相对复杂，热稳定性不好。是因为存在未完全转化的残存奥氏体。为避免出现后继的金属强度失效等问题，油浴淬火和盐浴淬火两种工艺被采用对钢材进行全硬化处理，巩固钢材的热稳定性。以保证滚动轴承噪音、磨损及生热效果相比普通铸铁轴承都有相应的降低，并具有满足稳定高速旋转的优异性能。经过对SAE 52100高铬碳钢钢材进行热锻、球化、喷砂、冷轧、热处理、打磨、超精加工等一系列成型工艺处理，符合滚动轴承几何规范的钢材零部件被加工生产出来。再对产品各部件进行装配后，成为符合具有高精度、较低的摩擦系数和良好热稳定性的SAE 52100高铬碳钢滚动轴承。

图3 滚动轴承装配过程