鋼材熱處理之: 汽車軸承材料及熱處理技術(shù)
汽車行業(yè)是我國重要的支柱產(chǎn)業(yè)，在整個(gè)加工制造業(yè)中占有不可忽視的一席之地。車身上的多個(gè)部件可見到軸承的身影，它有著承受載荷、降低摩擦、引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)件的特殊使命。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，中國已成為包括汽車軸承鋼在內(nèi)的軸承生產(chǎn)大國，但是與德國Schaeffler、瑞典SKF、美國TIMKEN、日本KOYO等一流廠家還存在著較大差距，材料作為源頭，今后的努力方向依然是嚴(yán)控冶金質(zhì)量、非金屬夾雜物級別、碳化物大小及分布、提高熱處理技術(shù)水平等。
熱處理是汽車軸承制造過程的關(guān)鍵工序，其加工質(zhì)量好壞與原材料是影響軸承壽命的兩大重要因素。熱處理對于軸承等零部件在使用條件下的顯微組織、力學(xué)性能、表面質(zhì)量、尺寸形狀精度和穩(wěn)定性均有重要影響，因此優(yōu)化熱處理工藝、選擇適合的熱處理參數(shù)、獲得與工件的使用狀況和失效方式相適應(yīng)的最佳綜合性能，是熱處理技術(shù)的重要課題。
1.軸承材料在汽車上的應(yīng)用
眾所周知，軸承由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體（球、圓柱、錐形或滾針等）和保持架四大部分構(gòu)成，有的帶有密封圈，除了密封圈和部分保持架外，其余的制造材料主要是軸承鋼。
選擇汽車軸承的類型與型號時(shí)，主要依據(jù)承受的負(fù)荷性質(zhì)、方向、大小、實(shí)際部位的工作環(huán)境以及對軸承的剛性、極限轉(zhuǎn)速、壽命、精度等方面的要求，一般由設(shè)計(jì)人員完成。軸承在整車上的應(yīng)用十分廣泛，并且隨車輛類型、安裝部位和生產(chǎn)廠家的變化而變化，如圖1所示。
圖1 軸承在汽車上的應(yīng)用實(shí)例
筆者曾走訪過國內(nèi)的一些重要汽車軸承供應(yīng)商，譬如上海人本、浙江萬向精工、湖北新火炬、常州光洋、洛陽東升、重慶長江等，下面僅結(jié)合汽車動(dòng)力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)中的交流發(fā)電機(jī)、空調(diào)電磁離合器、張緊輪和惰輪等軸承）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（變速箱中的軸齒、差速器、離合器等軸承）、輪轂軸承等相關(guān)產(chǎn)品作簡要介紹。
（1）動(dòng)力系統(tǒng)軸承
發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，源源不斷為其他部件提供動(dòng)力。內(nèi)部軸承先前以滑動(dòng)軸承占主導(dǎo)，目前多數(shù)在改進(jìn)軸承性能的前提下，采用密封球軸承，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)中的幾種典型軸承。
交流發(fā)電機(jī)軸承為單列密封球軸承，主要受向心力，要求在轉(zhuǎn)速超過2000r/min、溫度大于180℃的條件下依然能可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，套圈和滾動(dòng)體采用高純凈GCr15制造，熱處理后硬度要求58~64HRC，保持架一般采用尼龍PA46，密封圈一般采用丙烯酸酯橡膠ACM，參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T8167—2006。
空調(diào)壓縮機(jī)電磁離合器軸承為雙列角接觸球軸承，外圈旋轉(zhuǎn)，空調(diào)皮帶輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)7000~13000r/min，最高溫度160℃，材料同上，保持架由普通的單一球面兜孔一部分變成圓柱面，參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T10531—2005。
張緊輪和惰輪軸承為高性能密封球軸承，前者作用在同步傳動(dòng)帶松邊上，后者作用在同步傳送帶緊邊上，材料基本同上，保持架可用工程塑料、也可用08鋼或10鋼制造，密封圈采用ACM或FPM（氟橡膠）制造，參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T10859—2008。
水泵軸軸承一般為雙列球軸承，徑向尺寸要小于一般軸承。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡化了的雙支軸承系，兩個(gè)支承的軸承沒有內(nèi)套圈，滾動(dòng)體的滾道直接做在軸上，兩個(gè)支承的軸承外套圈做成一個(gè)整體，套圈的兩側(cè)用密封件封住，它的滾子通常由高鉻軸承鋼制造，軸、外圈的材料采用滲碳鋼或高鉻軸承鋼制造，參考標(biāo)準(zhǔn)為JB/T8563—2010。
（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軸承
傳動(dòng)系統(tǒng)的典型代表為變速箱，它可根據(jù)手動(dòng)（MT）、自動(dòng)（AT）、無級變速（CVT）、雙離合（DCT）等分之，亦是應(yīng)用軸承最多的部位。在變速箱中配合不同擋位往往有數(shù)個(gè)軸承，主要類型有球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承等。變速箱可看作成一個(gè)齒輪箱，在潤滑脂、防銹油中常含有雜質(zhì)（鐵屑、毛刺、夾砂等），軸承在工作時(shí)轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)致使用壽命大大縮短。
圖3為我公司MA型手動(dòng)變速箱的軸承位置示意圖（見圖中藍(lán)色標(biāo)記部分），其中在一軸一擋位為深溝球軸承25D52E15，一軸五擋位為深溝球軸承25D62E17，二軸一擋位為圓柱滾子軸承32D62E16，二軸五擋位為深溝球軸承22D57E17。
圖3 MA手動(dòng)變速箱及差速器中的軸承位置
在差速器中還有兩個(gè)圓錐滾子軸承38D63E17，分別位于差速器殼左、右兩側(cè)，安裝在減速器殼承座孔上，它承受并傳遞差速器和減速器的驅(qū)動(dòng)力，減小傳動(dòng)摩擦阻力，提高傳動(dòng)的效能和可靠性。
以上軸承的滾動(dòng)體與內(nèi)外圈材料都是以GCr15、100Cr6、SUJ2、SKF3為主，采用整體淬火+低溫回火，熱處理硬度60~63HRC（滾動(dòng)體要求60~64HRC），尼龍保持架材料為PA46+30%GF，接觸式密封圈為ACM+SPCC，潤滑脂選用雪佛龍SRI-2（注脂量2.0～2.8g）。
俗稱離合器彈子盤的離合器分離軸承如圖4所示位置，在踩下離合器踏板時(shí)可使承受彈簧推力的壓板或驅(qū)動(dòng)盤向離合器罩殼方向移動(dòng)，即翹動(dòng)分離杠桿來克服壓板彈簧推力，以完成離合器的分離工作，目前還主要是依賴進(jìn)口，滾動(dòng)體為100Cr6，內(nèi)外圈材料為C67S（要求最低表面硬度680HV），保持架為PA66+25%FV，密封采用氫化丁腈橡膠HNBR，具體可參看標(biāo)準(zhǔn)。
（3）汽車輪轂軸承 隨著汽車整體性能的提高，輪轂軸承的壽命、強(qiáng)度、剛度和免維護(hù)的要求日益嚴(yán)格，以及人們越來越體會到輕量化、可靠性、多功能和模塊化的重要性，汽車輪轂軸承正朝著高度集成化的方向發(fā)展。汽車輪轂軸承單元由最初的套圈鎖緊型和保持架鎖緊型單元（第一代），發(fā)展到外圈帶法蘭盤的第二代，再到大填球角壓配內(nèi)圈也帶法蘭盤的第三代，可將帶有ABS的傳感器與法蘭盤等集成為一體，如圖5所示。它們均為雙列球軸承，用以承受包含整個(gè)車身的更大載荷，我公司現(xiàn)有車型中多數(shù)前輪輪轂軸承采用第一代，后輪采用第三代。例如，某車型輪轂軸承的內(nèi)外圈材料為SKF3，鋼球材料為SUJ2，法蘭盤材料為S55C，螺栓材料為SCM435，保持架為尼龍PA66+25%GF，組合式密封圈為NBR+SPCC/NBR+SUS430。
2.汽車軸承材料及性能要求
目前汽車正朝著輕型化、舒適、堅(jiān)實(shí)、功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)久耐用、加速性能好、可靠性能高等方面發(fā)展。另外，由于電子控制技術(shù)的進(jìn)步，汽車也朝著耗能低、簡易方便、操作性強(qiáng)等實(shí)用性能方向發(fā)展，所以滾動(dòng)軸承作為汽車支撐用的重要部件，必須適應(yīng)這種趨勢。
汽車軸承在服役過程中，滾動(dòng)體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力，經(jīng)計(jì)算最高可達(dá)5000N/mm2，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)除了有滾動(dòng)還有滑動(dòng)，除受到高頻、交變的接觸應(yīng)力之外，還受離心力的作用，如圖6所示。據(jù)文獻(xiàn)記載，汽車軸承的主要失效模式有剝落、點(diǎn)蝕、粘著、拉傷、斷裂、精度喪失、振動(dòng)噪聲超標(biāo)等，因此，對軸承鋼的性能有如下幾點(diǎn)要求：①高的純凈度。②低的氧含量。③高的硬度和耐磨性。④良好的尺寸穩(wěn)定性。⑤足夠的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。⑥良好的工藝性能。
軸承鋼作為重要的特鋼品種之一，其質(zhì)量優(yōu)劣和性能高低很大程度上反映著一個(gè)國家的冶金水平，汽車軸承鋼占年產(chǎn)軸承鋼的40%左右，用量很大。汽車軸承的壽命與可靠性固然與最初設(shè)計(jì)、加工制造、潤滑、安裝和維護(hù)保養(yǎng)等有一定的關(guān)系，但原材料才是關(guān)鍵。
由上可知，在汽車軸承總成的幾大構(gòu)件中，除了保持架由原始的沖壓用鋼改為普及的尼龍材料（如注塑成型的PA66+30%GF）和密封件較常采用橡膠材料（如ACM+SPCC、NBR+SUS430）外，我國汽車軸承的滾動(dòng)體及內(nèi)外圈大量使用的是這類含wC=0.95%~1.05%、wCr=1.40%~1.65%的高碳含鉻軸承鋼，為提高淬透性以適應(yīng)零件壁厚變化的需要，增加Mo含量可發(fā)展出一系列高淬透性高碳鉻軸承鋼：例如德國的100Cr6、100CrMo，瑞典的SKF2、SKF3，美國的52100.3、52100.4，日本的SUJ2、SUJ3、SUJ4、SUJ5等，適用于馬氏體淬火，也適于超厚壁軸承零件的貝氏體淬火，它們之間的化學(xué)成分有細(xì)微差異，如表1兩者的對比，其實(shí)這些鋼種都可以看作是GCr15的變種。
表1 GCr15與100Cr6化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對比表（%）
牌號 | C | Cr | Si | Mn | S | P | Mo | Ni | Cu | O |
GCr15 | 0.95～1.05 | 1.4～1.65 | 0.15～0.35 | 0.25～0.45 | ≤12ppm | ≤20ppm | ≤0.1 | ≤0.2 | ≤0.25 | ≤10ppm |
100Cr6 | 0.93～1.05 | 1.35～1.6 | 0.15～0.35 | 0.25～0.45 | ≤10ppm | ≤25ppm | ≤0.1 | ≤0.3 | ≤0.25 | ≤8ppm |
盡管其品種相對比較單一，但它也是結(jié)構(gòu)鋼（齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、冷鐓鋼）中質(zhì)量要求最為苛刻的品種。苛刻的是需要提高鋼材的純凈度嚴(yán)格降低O、S、Ca、N、Ti等微量元素的含量，還需控制包括冶煉、澆鑄、軋制、鍛造等冶金成材過程中可能造成的缺陷，例如常采用真空脫氣、電渣重熔、爐外精煉等冶煉工藝。降低氧含量可以明顯延長軸承的疲勞壽命是業(yè)屆內(nèi)一個(gè)不爭的事實(shí)，圖7給出了氧含量與軸承相對壽命的關(guān)系曲線圖。在國標(biāo)GB/T 18254—2002中，對高碳鉻軸承鋼的O含量做了明確規(guī)定：模鑄鋼≤15ppm、連鑄鋼≤12ppm，實(shí)際生產(chǎn)中隨著冶金設(shè)備及工藝的開發(fā)控制更嚴(yán)，最低可達(dá)到5ppm的水平。另外，標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)協(xié)議中對冶煉方法、非金屬夾雜物、偏析、脫碳層、低倍組織、顯微組織、碳化物不均勻性、表面質(zhì)量、尺寸允許公差等都有相關(guān)限定，鋼廠及軸承生產(chǎn)企業(yè)在鋼材進(jìn)出廠時(shí)，必須嚴(yán)加檢測和嚴(yán)格管理，馬虎不得。
需補(bǔ)充說明的是，汽車軸承除了絕大部分為滾動(dòng)軸承外，只有曲軸軸瓦、連桿瓦、活塞襯套、減震器用導(dǎo)向座、變速箱倒擋齒輪襯套等為滑動(dòng)軸承，它們不涉及到熱處理，主要依靠粉末冶金燒結(jié)+滾壓的方式成型，材料一般是背面采用wC≤0.15%的鋼制造（如08Al）、主軸瓦為合金層（如Al-Sn20Cu或常見的錫基、鉛基、銅基或鋁基類軸承合金）。后文所討論的熱處理針對的也是汽車滾動(dòng)軸承。
3.汽車軸承熱處理技術(shù)
汽車軸承用鋼中主加合金元素鉻的主要作用是提高鋼的淬透性，使零件在淬火、回火后整個(gè)截面上獲得較均勻的組織。鉻可形成合金滲碳體（Fe，Cr）3C，使奧氏體晶粒細(xì)化，加熱時(shí)降低鋼的過熱敏感性，提高耐磨性，并能使鋼在淬火時(shí)得到細(xì)針狀或隱晶馬氏體，使鋼在高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上增加韌性，一般不需要對汽車軸承進(jìn)行深冷處理，除非對零件尺寸的穩(wěn)定性及殘留奧氏體的含量有特殊要求。
（1）汽車軸承零件的生產(chǎn)工藝路線
鋼球滾動(dòng)體的一般生產(chǎn)路線為：棒料→球坯熱墩成型→光球（銼削）→軟磨→熱處理→硬磨→ 細(xì)研→精研（拋光）。
內(nèi)外套圈的一般生產(chǎn)路線為：管料（冷碾）→退火→車削→軟磨→熱處理→磨削→精加工。
保持架的一般生產(chǎn)路線為：實(shí)體保持架（尼龍）：毛坯→車削→拉、鉆窗口→表面處理。
沖壓保持架（金屬）：帶料或板料→成型→切底→沖窗口→壓坡→擴(kuò)張→表面處理。
汽車軸承的滾動(dòng)體、外圈、內(nèi)圈，輪轂軸承的二三代法蘭都要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚猿浞职l(fā)揮材料自身的潛力，獲得零件預(yù)期的性能并提高總成的使用壽命，主要有球化退火、整體淬火+低溫回火、化學(xué)熱處理、感應(yīng)熱處理等方式。
（2）汽車關(guān)鍵軸承零件的熱處理概況
下面從熱處理設(shè)備、工藝實(shí)例、技術(shù)要求、發(fā)展預(yù)測等作簡要介紹。
球化退火設(shè)備通常使用保護(hù)氣氛爐，使退火后的零件表面少、無氧化，并能提高軸承零件的材料利用率。軸承材料的加熱溫度為835~850℃，球化溫度為750~760℃，如圖8所示。
球滾動(dòng)體經(jīng)鍛造后，使用愛協(xié)林輥底式連續(xù)性氮基保護(hù)氣氛退火爐，如圖9a所示。球化退火溫度為760℃，氧勢≥900，露點(diǎn)≤20℃，丙烷流量0.18±0.02m3/h，爐內(nèi)壓力150~300MPa，檢得硬度≤210HBW，脫碳層小于等于0.25mm、網(wǎng)狀碳化物≤CN4.2，鋼球整體淬回火后的硬度要求60HRC以上。
（a）氮基保護(hù)氣氛退火爐
（b）保護(hù)氣氛連續(xù)爐示意
（c）全自動(dòng)中頻淬火回火線
圖9 汽車軸承用熱處理設(shè)備
淬回火設(shè)備通常也使用保護(hù)氣氛爐型如鑄鏈爐、網(wǎng)帶爐或推桿爐，如圖9b所示，生產(chǎn)效率高、能耗低，常見的國內(nèi)生產(chǎn)廠家有江蘇豐東、北方工業(yè)、杭州金舟等。
內(nèi)外圈使用保護(hù)氣氛連續(xù)爐淬火，為減小變形，使用KR468G專用軸承淬火油并調(diào)整加熱溫度時(shí)間、輸送帶運(yùn)行速度等參數(shù)或也可用鹽浴進(jìn)行馬氏體分級淬火，工藝曲線如圖10所示，淬火后硬度達(dá)63~64.5HRC，經(jīng)180±10℃回火后硬度61~63HRC，檢得套圈的錐度0.05mm左右，圓柱度≤0.15mm。
汽車輪轂軸承二三代帶有法蘭盤，材料為S55C，要求淬火區(qū)域的表面硬度達(dá)60HRC以上。宜使用自動(dòng)感應(yīng)淬火生產(chǎn)線，如圖9c，冷卻介質(zhì)選用濃度可調(diào)的水基淬火液，淬火液壓力0.2~0.6MPa，淬火后硬度62~65HRC，硬化層深2.2~3.4mm，圓度≤0.1mm，經(jīng)（160±10）℃×（120±5）min整體回火后硬度60~63HRC，顯微組織3~6級。
圖10 軸承件整體淬火回火工藝曲線
隨著國內(nèi)熱處理設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，應(yīng)用在對汽車軸承零件生產(chǎn)加工上的已基本成熟。原來的箱式爐、井式爐、鹽浴爐、鼓形爐、普通空氣加熱爐等設(shè)備基本被淘汰，現(xiàn)大量普及的是保護(hù)氣氛設(shè)備輔以變壓吸附、膜制氮等技術(shù)，以托輥式網(wǎng)帶爐為主流的整體淬回火線和自動(dòng)感應(yīng)淬火回火線已成為主流。另外，由保護(hù)氣氛向可控氣氛過渡，爐控系統(tǒng)由單線計(jì)算機(jī)控制向集群式計(jì)算機(jī)控制，也將逐漸發(fā)展為兩大趨勢。
4.結(jié)語
汽車軸承作為軸承的一個(gè)重要分支，有它處于汽車工業(yè)及總成運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)。除了改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及良好的密封和潤滑外，采用高純凈材料及合理的熱處理設(shè)備和工藝，可提高汽車軸承的可靠性并達(dá)到長壽命。
作者：高陽，陳嗣國
單位：神龍汽車有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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