這篇文章主要分析了軸承套圈淬火變形、開(kāi)裂、脹縮的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施。
軸承鋼套圈淬、回火后的變形和尺寸脹縮一直影響著熱處理產(chǎn)品質(zhì)量。近年來(lái)，軸承行業(yè)熱處理應(yīng)用了貝氏體、馬氏體與貝氏體的復(fù)合淬火新工藝，因淬火后套圈變形、開(kāi)裂及脹縮量難以控制，同一批產(chǎn)品脹縮量忽大忽小差別較大，產(chǎn)品合格率較低，只能采取增大下一工序磨削加工的留量來(lái)滿足產(chǎn)品的脹縮量，這樣既浪費(fèi)了材料也消耗了人工工時(shí)，所以有些企業(yè)只能放棄先進(jìn)的貝氏體淬火工藝改回原馬氏體淬火。軸承鋼套圈淬火變形、開(kāi)裂、脹縮量產(chǎn)生的原因受很多因素影響，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題。下面分別討論這些缺陷的產(chǎn)生原因及其應(yīng)采取的解決辦法。
1.淬火變形、開(kāi)裂和尺寸脹縮
軸承鋼套圈在淬火時(shí)材料中的應(yīng)力未達(dá)到彈性極限，材料只發(fā)生彈性變形，應(yīng)力超過(guò)彈性極限而低于材料的強(qiáng)度極限時(shí)，則發(fā)生塑性變形；應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，材料就發(fā)生斷裂。因此，材料的變形和開(kāi)裂是在應(yīng)力大小和材料的性能指標(biāo)兩個(gè)因素作用下發(fā)生的。
淬火過(guò)程不可避免要出現(xiàn)淬火應(yīng)力，包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。在操作過(guò)程中還可能帶來(lái)零件機(jī)械的碰撞產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力分布不均勻，在應(yīng)力集中處可能比平均應(yīng)力大許多倍；同時(shí)，由于材質(zhì)的不均勻性和材料缺陷，使其各部位的強(qiáng)度指標(biāo)也能懸殊許多倍，而且在材質(zhì)薄弱處也往往正是應(yīng)力集中處，因此，應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度極限則發(fā)生局部斷裂，亦即裂紋。
由于淬火應(yīng)力和體積變化，引起零件各部分尺寸均勻變化而不改變零件形狀，稱尺寸脹縮。由于不均勻的淬火應(yīng)力，而使零件形狀改變者，即常說(shuō)的淬火變形。套圈的徑向不均勻變形大小（長(zhǎng)、短軸之差值），通常叫套圈的橢圓度；套圈的軸向不均勻變形，通常叫翹曲變形（見(jiàn)圖1），軸向均勻變形叫蝶形變形（見(jiàn)圖2）。所以，淬火應(yīng)力是產(chǎn)生變形和開(kāi)裂的主要原因。
圖1 翹曲變形示意
圖2 蝶形變形示意
影響淬火應(yīng)力及淬火前后體積變化的因素歸納起來(lái)為：鋼的化學(xué)成分；鋼的純潔度和組織的均勻性；淬火前原始組織的粗細(xì)及分布均勻性；淬火加熱速度大小和加熱均勻性；奧氏體的狀態(tài)（加熱溫度高低，保溫時(shí)間長(zhǎng)短及奧氏體晶粒度大小）；冷卻速度大小（冷卻溫度及冷卻均勻性及淬透深度）；工件表面狀態(tài)（光潔度、脫貧碳、車加工應(yīng)力等）；工件大小、形狀和厚薄差及淬火操作方法等。
2.套圈淬火變形
套圈變形與套圈的剛度S/D及h/D（見(jiàn)圖3、圖4）有關(guān)。一般套圈（非推力套圈）外徑大于70mm，S/D值在0.025～0.068的套圈淬火容易產(chǎn)生大的橢圓度，隨著S/D值減少而橢圓度隨著增加。當(dāng)S/D值大于0.08，淬火后橢圓度明顯減少。
圖 3
圖 4
套圈淬火后翹曲度大小與h/D值大小有關(guān)，h/D值小于或等于0.185的一般套圈和推力套圈，淬火后容易出現(xiàn)翹曲變形。淬火加熱與冷卻不當(dāng)均產(chǎn)生較大的翹曲變形。套圈淬火后蝶形變形一般出現(xiàn)在h/D值0.2的推力套圈或隔圈。
由于淬火變形除套圈本身剛性有關(guān)，其他影響因素也很多。例如：由于材料成分、組織和缺陷的不均勻，退火組織不均勻，淬火溫度過(guò)高，加熱不均，冷卻過(guò)激和冷卻不均；由于操作不小心，在加熱、冷卻過(guò)程中零件產(chǎn)生機(jī)械碰撞等原因，加上淬火前套圈可能就有內(nèi)應(yīng)力，橢圓等，會(huì)使淬火應(yīng)力的大小和方向在套圈各處分布不一致造成了套圈變形，這些因素分述如下：
（1）加熱和冷卻
同一零件在爐中加熱（特價(jià)是箱式電阻爐中），靠近電熱體一側(cè)與另一側(cè)，靠爐前與靠爐后一側(cè)，零件接觸面與非接觸面等都對(duì)加熱有所影響。盡量保溫一段時(shí)間，表面溫度趨于均勻，但是各處實(shí)際溫度與保溫時(shí)間并不一樣，淬火冷卻的組織轉(zhuǎn)變也不一樣。因此產(chǎn)生不一致的淬火應(yīng)力，導(dǎo)致套圈的變形。
冷卻不均勻同樣會(huì)造成不一致的應(yīng)力而變形，如人工不均勻的竄動(dòng)，大套圈中心無(wú)冷卻液吹動(dòng)溫度散發(fā)較慢，先入油與后入油等引起各向冷卻速度不均，從而導(dǎo)致不均勻變形。
（2）加熱溫度，保溫時(shí)間及原始組織
過(guò)分提高淬火溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間以及原始組織中存在片狀珠光體或點(diǎn)狀珠光體與正常的球狀珠光體，相比都增大了淬火熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而增加淬火后套圈的變形。因此，為了減少套圈變形，盡量采用較低的淬火溫度適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間，同時(shí)要求具有大小均勻的球狀珠光體的原始組織。
（3）殘留應(yīng)力
經(jīng)淬火的套圈進(jìn)行返修時(shí)，往往產(chǎn)生更大的變形，甚至把已淬火的套圈加熱到淬火溫度，保溫一段時(shí)間取出空冷，也會(huì)產(chǎn)生更大的變形，這說(shuō)明了殘留應(yīng)力在加熱中起了作用。
淬火后的套圈是處在應(yīng)力不穩(wěn)定狀態(tài)，在常溫下殘留應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生較大的變形。因?yàn)槌叵落摰膹椥詷O限很高，隨著溫度升高，彈性極限迅速下降。如果加熱速度快使殘留應(yīng)力來(lái)不及在加熱過(guò)程中消除，就會(huì)保留較高的溫度。在較高的溫度下，彈性極限若低于殘留應(yīng)力則要引起塑性變形，在加熱溫度不均勻時(shí)則表現(xiàn)更明顯。
車加工殘留應(yīng)力也起類似的作用，套圈粗車直接車到成品尺寸，吃刀量大就產(chǎn)生較大的車削應(yīng)力。如果分粗，細(xì)兩次加工應(yīng)力就會(huì)大大降低。
（4）淬火冷卻介質(zhì)
淬火冷卻介質(zhì)不同套圈淬火后的變形量也不同。如：水、鹽水、20號(hào)機(jī)油、快速冷卻油、硝鹽等介質(zhì)中淬火，它們的冷卻速度是不相同的。冷卻速度較快的套圈變形量會(huì)大，冷卻速度較慢的變形量會(huì)小些。
（5）淬火冷卻方式
淬火套圈變形除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力有關(guān)之外，還與機(jī)械作用有關(guān)；尤其是剛性較差的薄壁套圈，在高溫下受沖擊最容易產(chǎn)生橢圓。如在：淬火套圈裝架竄動(dòng)冷卻，用鉤子竄動(dòng)冷卻或用搖筐，旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)旋轉(zhuǎn)速度越快冷卻變形越大，重系列套圈還易產(chǎn)生蝶形變形。
（6）車加工的變形
試驗(yàn)表明，淬火后套圈尺寸的長(zhǎng)軸與短軸位置和淬火前（車加工）的長(zhǎng)，短軸位置基本上一致這就是說(shuō):車加工橢圓度越大，淬火后橢圓度也隨之增大。套圈淬火后的變形大部分是車加工變形和淬火變形的累積。
（7）其他
為了減少套圈淬火變形，可以采取以下措施：
①嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，對(duì)于鋼中偏析疏松，帶狀，網(wǎng)狀和碳化物液析以及夾雜物等缺陷要嚴(yán)格控制。
②改善退火組織中碳化物大小和分布。
③淬火前預(yù)整形和進(jìn)行消除應(yīng)力退火。車加工的殘留變形和車加工殘留應(yīng)力對(duì)淬火變形影響較大。對(duì)精密品和薄壁、形狀復(fù)雜的零件應(yīng)事先整形和經(jīng)一次450～670℃的消除應(yīng)力退火。
④避免過(guò)高的加熱溫度。在能獲得合適的組織和硬度的情況下，不應(yīng)過(guò)分強(qiáng)調(diào)提高合金化濃度而提高淬火溫度。對(duì)于較細(xì)的原始組織（如經(jīng)正火的或經(jīng)二次淬火的），應(yīng)酌情降低淬火溫度。
⑤淬火加熱要緩慢均勻，為此，零件在爐中應(yīng)均勻放置在等溫區(qū)內(nèi)，不要距加熱體太近。要避免翹曲和擠壓；必要時(shí)還可采取加熱前經(jīng)400～500℃預(yù)熱，以避免過(guò)快加熱和加熱不均勻。
⑥避免過(guò)于激烈的冷卻。為此要合理選擇冷卻介質(zhì)和控制介質(zhì)溫度。在不低于臨界冷卻速度的情況下，力求減慢冷卻，特別是在低于450℃以后應(yīng)緩慢冷卻。對(duì)易變形的零件，如大直徑的薄壁套圈。可選用分級(jí)油淬或硝鹽等溫淬火。
⑦力求冷卻均勻。淬火冷卻時(shí)要考慮使零件各部位均勻冷卻。采用壓縮空氣或機(jī)械攪拌等冷卻措施。選用旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)應(yīng)隨套圈直徑的大小采用不同的旋轉(zhuǎn)速度。
⑧避免套圈機(jī)械碰撞。在運(yùn)輸、裝爐、加熱、冷卻過(guò)程的操作應(yīng)盡量避免碰撞，特別是在紅熱狀態(tài)下。如：在箱式電爐中加熱，出爐鉤套圈要更加小心鐵鉤往往使套圈鉤出變形。
3.淬火裂紋
裂紋種類很多不一定都是淬火裂紋，如：原材料裂紋、鍛造裂紋、沖壓折迭和磨削裂紋等，也往往在熱處理，磨加工或裝配時(shí)才發(fā)現(xiàn)。正確區(qū)分其他類型的裂紋和淬火裂紋，是尋找開(kāi)裂原因，以采取有效避免措施的重要條件。
原材料裂紋的形狀一般比較直，沿材料纖維方向貫穿整個(gè)工件。工件經(jīng)淬火前的軋制，鍛造，退火等高溫加熱，原材料裂紋周圍有較嚴(yán)重的脫碳。
鍛造后觸水或其他原因致鍛造后冷卻速度過(guò)大形成的裂紋多數(shù)在套圈端面或壁厚差大處。經(jīng)退火后這種裂紋周圍有脫碳層；有時(shí)這種裂紋細(xì)小未被發(fā)現(xiàn)，在淬火時(shí)被擴(kuò)大，所以周圍也可能無(wú)明顯脫碳。
鍛造折迭裂紋兩端比較齊，無(wú)細(xì)微尾巴，裂紋周圍有嚴(yán)重脫碳。
磨削裂紋常伴工件表面有嚴(yán)重?zé)齻鸭y較細(xì)，呈網(wǎng)狀是典型的磨裂紋。
淬火裂紋的形態(tài)和大小比較復(fù)雜，一般說(shuō)除表面脫碳和刀花裂紋外，其他淬火裂紋都比較深，裂紋周圍無(wú)脫碳層，紋端有尖尾巴，在顯微鏡下尖尾稍附近常有細(xì)小裂紋分布。
引起淬火裂紋的原因有：
（1）原材料成分偏析及帶狀組織不均使熱應(yīng)力局部強(qiáng)度增大。
（2）鋼中夾雜物或其他材料缺陷引起鋼中局部強(qiáng)度輕度下降和應(yīng)力集中。
（3）淬火溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起組織過(guò)熱，使淬火應(yīng)力大而鋼的強(qiáng)度極限降低。
（4）冷卻介質(zhì)不純，使冷卻不均勻；或介質(zhì)溫度太低以及出油溫度過(guò)高而立即冷清洗等，造成過(guò)大的淬火應(yīng)力。
（5）在零件倒角、槽溝、油溝、油孔及鉆滾子頂針孔等處易形成的應(yīng)力集中。
（6）表面脫貧碳引起強(qiáng)度極限大大下降。
（7）零件壁厚差大處因冷卻緩慢冷不均引起大的淬火應(yīng)力。
（8）為了防止淬火裂紋的產(chǎn)生，針對(duì)其產(chǎn)生原因采取如下措施：
①加強(qiáng)原材料驗(yàn)收檢查，嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量。
②根據(jù)前述原則合理選擇淬火溫度和保溫時(shí)間，嚴(yán)防工件過(guò)熱；對(duì)過(guò)細(xì)的退火組織和經(jīng)二次淬火的零件，更要注意這一點(diǎn)。
③根據(jù)前述原則正確選擇冷卻介質(zhì)和冷卻方式，嚴(yán)防淬火油內(nèi)進(jìn)水，應(yīng)控制淬火介質(zhì)溫度；若出油溫度高出油后不能立即用冷水沖洗，對(duì)易開(kāi)裂的復(fù)雜零件，也可選擇分級(jí)淬火。
④淬火加熱前檢查零件表面有無(wú)深的車刀痕，碰傷，有無(wú)尖的倒角，油溝，油槽，有無(wú)過(guò)于懸殊的壁厚差等。如有應(yīng)除去應(yīng)力，如果不能除去的話，則應(yīng)從淬火工藝或操作上著手避免淬火裂紋。如淬火前增加消除應(yīng)力退火，淬火前先預(yù)熱工件，適當(dāng)降低淬火溫度，適當(dāng)提高油溫或工件出油溫度；對(duì)薄邊，邊緣孔則應(yīng)考慮塞石棉或其他絕熱填料等防止開(kāi)裂。
⑤采取措施避免脫碳。
⑥套圈淬火后不應(yīng)久停，特別是二次淬火的套圈，淬火后要立即回火，回火時(shí)要充分。
4.套圈尺寸脹縮
淬火過(guò)程套圈尺寸脹縮來(lái)源于：
（1）淬火前后比容不同的各相發(fā)生轉(zhuǎn)變，零件體積變化，使尺寸發(fā)生脹大或縮小。
（2）淬火熱應(yīng)力和組織應(yīng)力使工件各方向發(fā)生彈性伸張或壓縮及塑性變形。
零件各部分尺寸隨鋼的體積增大而變化情況十分復(fù)雜，例如：套圈有的向外徑脹大，有的則向高度方向脹大。套圈尺寸脹縮的具體情況只能從生產(chǎn)實(shí)際中摸索出規(guī)律來(lái)。生產(chǎn)中大多數(shù)情況下，套圈內(nèi)，外徑脹縮的方向是一致的，則內(nèi)外徑都向外脹或向中心收縮。
正常工藝淬火GCr15鋼套圈外徑比GCr15SiMn鋼脹量要大，不少情況下是套圈內(nèi)，外徑同時(shí)收縮，而GCr15SiMn鋼比GCr15鋼收縮更厲害。
冷卻方式的影響，例如：旋轉(zhuǎn)淬火機(jī)冷卻時(shí)，套圈外徑脹的就比竄動(dòng)，搖筐冷卻的少。而收縮傾向大。旋轉(zhuǎn)速度越大。外徑脹的少縮的多。
二次淬火時(shí)套圈內(nèi)外徑總是收縮。淬火次數(shù)越多收縮也越多。帶錐形的套圈尺寸變化;厚端比薄端脹的多，有時(shí)還常出現(xiàn)厚端脹大而薄端收縮的情況，如果兩端都收縮，則薄端比厚端縮的多。
在回火過(guò)程中也存在著影響尺寸脹縮的因素，其一是由于殘余奧氏體的分解，淬火鋼的體積將會(huì)增大。與之作用相反的是由于馬氏體在回火時(shí)過(guò)飽和度要降低使其比容減少，將使淬火鋼體積減少。在220～250℃殘留奧氏體分解最快的時(shí)候，淬火鋼的體積增大，其余則隨回火溫度升高。第二因素起主要作用使鋼的體積減小。
生產(chǎn)中有時(shí)可以根據(jù)回火尺寸脹縮的規(guī)律，用調(diào)整回火工藝的辦法來(lái)挽救因尺寸脹縮造成的廢品。
5.結(jié)語(yǔ)
淬火變形開(kāi)裂和尺寸脹縮量在不同的條件下有不同的主要矛盾，抓住了主要矛盾，在生產(chǎn)實(shí)踐中結(jié)累數(shù)據(jù)，驟步調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)來(lái)滿足軸承鋼套圈淬、回火工藝要求。
企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)的品種和數(shù)量可選擇國(guó)產(chǎn)環(huán)保，節(jié)能帶保護(hù)氣氛的先進(jìn)熱處理淬、回火設(shè)備，套圈采用壓模淬火可減少變形量，減少加工余量，提高生效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
作者：范仲和，在洛陽(yáng)軸承廠技術(shù)中心從事金屬材料和熱工工藝研究及軸承失效分析工作，有著40多年的工作經(jīng)驗(yàn)。《金屬加工》資深專家、作者。
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
| |
|
? 請(qǐng)關(guān)注 微信公眾號(hào): steeltuber. 轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留鏈接: http://www.bviltd.cn/Steel-Knowledge/yfhkzzctqchbxklzs.html
|