轴承套圈专用淬火油系列产品的研制

陈孟子倞

中国石化润滑油有限公司上海研究院

本文根据近年来轴承套圈热处理工艺的发展趋势和轴承制造客户的要求，复配考察了基础油、催冷剂、抗氧剂、光亮剂等淬火油添加剂，研制了轴承套圈专用淬火油系列产品。产品已成功应用于邯郸、聊城地区的轴承套圈热处理工艺。

轴承是各类装备最重要的关键基础件之一，广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备等重大装备领域以及各种新兴产业领域[1，2]。有代表性的我国轴承产业集群的典型地区有：生产重大装备类轴承的黑龙江哈尔滨和辽宁瓦房店地区，河南洛阳地区轴承及零部件产学研集群，浙江新昌、慈溪、常山等地的集群，山东聊城及河北邯郸地区等[3，4]。

轴承套圈是轴承重要的组成部分，其材质种类众多，传统的轴承材料有碳钢、GCr15轴承钢等，近年来也有一些新型材料，如淬透性和强度更好的GCr15SiMo等[5]。轴承在热处理过程中需要使用淬火油来完成热处理过程，合理的热处理工艺能使轴承套圈具有更高而均匀的硬度、良好的耐磨性和抗接触疲劳性，故淬火油的性能经常能够决定轴承套圈的质量[6]。目前，轴承套圈行业的热处理工艺具有新的技术要求和发展趋势，主要表现为使用温度在90 ℃左右，在冷淬火油加工工艺中属于较高温度，但是又低于一般的热淬火油使用温度；此外，新型热处理工艺在要求零件淬火后达到一定硬度和淬硬层深的同时，还对变形量控制的要求十分严格。因此，需要配套开发新型的轴承套圈专用淬火油。

山东聊城至河北邯郸一带的轴承厂是新型轴承生产技术的代表性厂商，在国内轴承行业具有一定的知名度和影响力。该地区典型的热处理加工温度在85 ～100 ℃，加工工件既有直径50 mm以下的碳钢轴承套圈，又有直径50 mm以上的轴承钢套圈，通常对屈氏体的金相组织要求不大于2级，且变形量要求不大于0.1%，此外还有较严格的光亮性要求。目前在热处理油行业标准SH/T 0564—93中，适合轴承套圈热处理工艺的淬火油类别主要是快速光亮淬火油，但是这类淬火油在几方面与聊城、邯郸等地区轴承套圈的新型热处理工艺要求有一定偏差，其不足之处见表1。

表1 快速光亮淬火油在新型轴承套圈热处理工艺中的不足之处

轴承套圈热处理工艺对冷速的要求决定了配套淬火油应具有贴合工艺要求的特定冷却性能。本文针对以聊城、邯郸为代表的轴承套圈新型热处理工艺的要求，研发新型轴承套圈专用淬火油系列产品。

产品性能及主要技术指标

轴承套圈专用淬火油系列产品的主要性能

拟研制的轴承套圈专用淬火油系列产品具有以下主要性能：

◇具有优异的冷却性能，冷却速度贴合新型轴承套圈热处理工艺要求，淬火后工件可获得足够的表面硬度和淬硬层深，同时可以将变形量控制在要求的范围内；

◇光亮性好，淬火工件表面光洁度符合产品要求；

◇具有良好的抗氧化性能，使用寿命长。

轴承套圈专用淬火油系列产品质量指标

现场调研表明，聊城、邯郸的轴承套圈所需要的淬火油大致可分为3个黏度级别。新型轴承加工工艺对淬火油的要求见表2。

表2 新型轴承加工工艺对淬火油的要求

针对上述技术要求，确定拟开发的轴承套圈专用淬火油系列包括A、B、C三个产品。按照现场工艺要求、相应轴承套圈的技术要求和行业标准SH/T 0564的指标，制定了各产品的研制指标，见表3。

表3 轴承套圈专用淬火油系列产品的技术要求和试验方法

另外，在淬火油和轴承热处理行业内，通行另一种冷却性能测试方法ISO 9950。考虑到行业内这种方法的承认程度较高，本文在研制过程中注重这一方法，试验温度选择和工艺要求同样的90 ℃温度，参考指标见表4。

表4 轴承套圈专用淬火油系列产品的ISO9950冷却性能参考指标

产品研制过程

基础油选择

根据工艺技术要求，选择高黏度指数溶剂精制基础油a与b按混合比例1、2、3分别调配作为轴承套圈专用淬火油A、B、C的基础油，确保产品的40 ℃运动黏度、闪点等指标均在技术指标范围内。所选基础油典型数据见表5。

表5 基础油典型数据

催冷剂的选择

为了满足各种淬火油的冷却性能技术指标要求，必须在基础油中添加能改善油品冷却性能的催冷剂。催冷剂分为高温催冷剂和低温催冷剂。高温催冷剂的作用主要是提高高温区的冷却速度，包括聚合物类、酰胺类、石油树脂类等种类，其作用机理是具有较好的穿透性，能够加速破坏工件浸入介质后形成的蒸汽膜；低温催冷剂的作用是提高低温区的冷却速度，包括磺酸钠类等，其作用机理是降低淬火介质在工件表面的接触角，促进介质铺展，进而加速对流传热。由于轴承套圈淬火工艺一般要求淬火油的低温冷速尽可能低，以避免轴承淬火过程中发生过大变形量，因此轴承套圈专用淬火油不应添加低温催冷剂。

综上，在催冷剂的选择方面重点考查了聚合物类和酰胺类两种高温催冷剂，分别按不同比例加入到按前述比例调配好的基础油中，并测试冷却性能，结果见表6 ～表8。

由表6的配方A1 ～A3可看出，聚合物类催冷剂加剂量的提高对低温冷速无影响，对高温冷速的提高有一定效果，但是超过1.5%后效果不明显。根据配方A4、A5，提高酰胺类催冷剂的含量可以显著提高高温冷速，同时不影响低温冷速。配方A4的ISO 9950冷速和SH/T 0220冷速均可以满足研制指标，故选用配方A4。

表6 轴承套圈专用淬火油A添加催冷剂后冷却性能测试数据

由表7、表8可知，两种催冷剂在轴承套圈专用淬火油B、C中，和在轴承套圈专用淬火油A中发挥相似的作用。表中各配方均能满足ISO 9950和SH/T 0220质量指标，但是考虑到轴承套圈专用淬火油B、C有可能使用在更高的温度下，有必要考虑到添加剂在高温下损耗较快的可能性，故有必要留出较多的余量，因此以B4、C4作为理想的配方组合。

表7 轴承套圈专用淬火油B添加催冷剂后冷却性能测试数据

表8 轴承套圈专用淬火油C添加催冷剂后冷却性能测试数据

抗氧剂的选择

淬火油的抗氧化性关系到淬火油使用寿命的长短。由于轴承套圈专用淬火油的使用温度在90 ℃左右，因此采用耐高温的抗氧剂b，同时加入常规的抗氧剂a。根据工艺要求和淬火油添加抗氧剂的经验，向配方中添加0 ～3%的抗氧剂a和0 ～2%的抗氧剂b，并按照SH/T 0219方法开展热氧化安定性试验，结果见表9。

根据表9可知，按上述加剂量加入抗氧剂后，产品的热氧化安定性可以达到标准。

表9 轴承套圈专用淬火油系列产品热氧化安定性试验结果

光亮剂的选择

轴承套圈对淬火后表面的光亮性要求较严格，故研制的淬火油需要有较好的光亮性，这通常通过加入光亮剂来实现。一般有两种光亮剂可供选择：盐类光亮剂和树脂类光亮剂。二者对淬火油的光亮性能影响相似，但是树脂类的溶解性相对较差，故选用盐类光亮剂。按照经验向淬火油产品中加入光亮剂，加剂量为0 ～1%，并按照SH/T 0564附录A方法开展光亮性试验。结果表明，轴承套圈专用淬火油A、B、C的光亮性均可以达到1级，符合行业标准中不大于1级的指标。

产品配方组成

由上述产品研制试验结果，初步确认轴承套圈专用淬火油系列产品的配方组成，见表10。

表10 轴承套圈专用淬火油系列产品配方组成

产品全分析实测数据

研制的轴承套圈专用淬火油系列产品的实验室样品实测结果见表11。

表11 轴承套圈专用淬火油系列产品质量指标全分析实测数据

现场工艺验证

轴承套圈专用淬火油A成功应用于邯郸某轴承制造有限公司。该公司生产小型轴承套圈，直径多为50 mm以下，材质为碳钢K195。热处理工艺是工件加热至900 ℃后进行淬火，淬火工件为网带炉，油槽约10 t，油温80 ℃左右。现场应用效果表明，用轴承套圈专用淬火油A加工的轴承套圈硬度、变形量、表面光亮性等各项指标均符合该公司要求。

轴承套圈专用淬火油B成功应用于聊城某轴承制造有限公司。该公司生产轴承套圈，直径在60 ～120 mm之间，材质为碳钢GCr15。热处理工艺是工件加热至830 ℃后进行淬火，淬火工件为网带炉，油槽约20 t，油温90 ℃左右。现场应用效果表明，用轴承套圈专用淬火油B加工的轴承套圈硬度、变形量、表面光亮性等各项指标均符合该公司要求。

结论

☆本文研制的轴承套圈专用淬火油系列产品包括三个产品，主要采用高黏度指数溶剂精制基础油，添加催冷剂、抗氧剂和光亮剂复配调合而成，产品全分析质量指标实测数据达到了研制目标，在冷却性能、抗氧化性、运动黏度、闪点等方面均达到了预期。研制过程无新增污染源，研制的产品符合HSE要求。

☆研制的轴承套圈专用淬火油各项性质贴合以邯郸、聊城轴承厂为代表的轴承套圈热处理新工艺，现场使用效果表明，用该产品加工的轴承套圈硬度、变形量、表面光亮度均满足要求。