沖壓滾針軸承的熱處理新技術(shù)
沖壓滾針軸承自第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，由二位叫Schaeffler的德國兄弟研發(fā)了用很薄的含碳量很低的低碳鋼板沖制成軸承外圈和保持架的技術(shù)，通過不斷的完善和逐漸地改進(jìn)，從而形成了沖壓滾針軸承系列，并成立了INA軸承有限公司（Schaeffler INA Bearing co.,ltd），INA（Immer neu Aufgabe）商標(biāo)的含義是一直有新的任務(wù)。。沖壓滾針軸承的出現(xiàn)迅速改變了機(jī)械、汽車、摩托車、航空、航天、紡機(jī)、輕工等行業(yè)的機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)，使致輕型化，達(dá)到節(jié)能的目的。
在眾多使用沖壓滾針軸承行業(yè)中，選用以汽車行業(yè)為代表的沖壓滾針軸承的應(yīng)用情況來說明，要使汽車跑得快，就要減輕整個(gè)汽車本身的重量，在其他條件不變的情況下僅對汽車減速器（箱）內(nèi)的軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論，除了安裝正常的實(shí)體軸承以外，還因?yàn)槭艿絻?nèi)部空間徑向尺寸的限制，希望能夠?qū)p速器內(nèi)的所有軸承的結(jié)構(gòu)變得小而輕型化，并具有較高的強(qiáng)度，能夠承受較大的載荷和較高的轉(zhuǎn)速，并具有很好的耐磨性能，故減速器內(nèi)還需要具有一定數(shù)量的HK型沖壓滾針軸承來配套。
一、沖壓外圈和保持架
制造沖壓外圈和保架的材料是用碳含量（wC=0.006％～0.009％）很低的、表面清潔光亮的、尺寸精度又很高的低碳鋼冷軋卷板上沖壓拉伸成型的，它們的厚度一般在0.63～1.5mm，這種材料的硬度在90～120HV10左右，其金相組織是較為均勻的顆粒狀鐵素體和極少量的三次滲碳體（游離滲碳體），這種組織很適合于做深拉孔零件，如可做沖壓外圈和保持架等深孔零件。沖壓外圈或保持架的成型，根據(jù)企業(yè)的設(shè)備狀況，有多道分散型單工序加工的或一臺(tái)多功能組合式?jīng)_壓機(jī)床加工這二種工況。前者的設(shè)備一次性投資費(fèi)用較低，但從落料、多次拉伸、切邊等的工序來看，工藝流程和操作人員較多，零件的尺寸精度低; 后者的設(shè)備一次性投資雖然較大，但是人力投入少，一個(gè)人可以在一臺(tái)多功能機(jī)床上做到落料、多次拉伸及切邊等工序，輕松地完成沖壓外圈或保持架的全過程，其制品精度高、產(chǎn)量大等特點(diǎn)是值得推廣使用的。
1.沖壓外圈和保持架的熱處理要求
沖壓外圈和保持架的材料同上所述，材料牌號一般是DC03M、DC04M、C15Mn、16MnCr5等，沖壓外圈的滲碳（碳氮共滲）層深度一般在0.08～0.33mm（測量有效硬化層深度：應(yīng)從表面垂直測量到550HV處為準(zhǔn)）滲碳淬火后的硬度840～900HV；保持架的滲碳（碳氮共滲）層深度一般在0.02～0.12mm（測量總硬化層深度：從零件表面垂直測量到與金屬基體組織間的顯微硬度或顯微組織沒有明顯變化的那一層硬化層距離），滲碳淬火后的硬度410～550HV。金相組織是細(xì)針狀馬氏體，分散細(xì)小的碳化物以及少量的殘留奧氏體。
上述二種產(chǎn)品的滲碳淬火基本都是選擇網(wǎng)帶爐較為合適，其中又以帶循環(huán)風(fēng)扇及有馬弗罐的網(wǎng)帶爐做出的產(chǎn)品質(zhì)量為最好。因?yàn)闈B碳層很薄，它的滲碳（碳氮共滲）時(shí)間很短，這就需要爐內(nèi)氣氛很均勻，為此需要有循環(huán)風(fēng)扇來攪拌氣氛，使?fàn)t內(nèi)滲碳（碳氮共滲）氣氛達(dá)到均勻化，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。然而國內(nèi)有循環(huán)風(fēng)扇的網(wǎng)帶爐基本是沒有馬弗罐的，有馬弗罐的網(wǎng)帶爐爐爐膛尺寸既很小又沒有風(fēng)扇，國內(nèi)外的循環(huán)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)也不同，國內(nèi)的循環(huán)風(fēng)扇要確保產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)的穩(wěn)定性則有一定難度。瑞士Safed公司的帶循環(huán)風(fēng)扇的馬弗罐網(wǎng)帶爐已經(jīng)可以做到網(wǎng)帶寬度在1000mm左右的爐子，馬弗罐的寬度達(dá)到1200mm，根據(jù)產(chǎn)量的大小爐子有4～6個(gè)循環(huán)風(fēng)扇，它專門供應(yīng)滲碳（碳氮共滲）層較薄，品質(zhì)要求又很高的產(chǎn)品使用，沖壓滾針軸承的熱處理就屬于此范圍。
2.網(wǎng)帶爐內(nèi)的氣氛控制
首先要求所有進(jìn)入爐膛內(nèi)的產(chǎn)品零件必須清洗干凈并烘干。各種氣源的質(zhì)量必須得到保證，其中它們的純度應(yīng)該是甲醇≥99.9％，丙烷≥95％，液氮≥99.999％，對于液氮來說，其一升液氮可以氣化成647L氮?dú)猓杂靡旱圃斓獨(dú)馐呛芾硐氲氖侄危脑O(shè)備維護(hù)和操作都很方便。
對于新的爐子在投產(chǎn)前必須按照設(shè)備廠商的要求進(jìn)行緩慢的烘爐及升溫，并要再一次地?cái)Q緊所有螺栓，檢查所有的密封處，對于停爐后重新開爐時(shí)，新老設(shè)備都必須排除爐膛內(nèi)的空氣，即在落料口的下端應(yīng)該有氮?dú)馊肟冢隣t溫升到650℃時(shí)打開尾部的氮?dú)馇蜷y，氮?dú)鈴穆淞峡谔庍M(jìn)入爐膛內(nèi)，并將爐膛內(nèi)的CO2和H2O等有害氣氛從爐膛內(nèi)部逐漸趕走，這需要5～10h，在爐溫升到780℃時(shí)通入滴注式甲醇或低溫甲醇裂解氣，繼續(xù)升溫到850℃并保溫一段時(shí)間后通入丙烷和氮?dú)猓瑫r(shí)關(guān)閉爐尾的氮?dú)忾y門，甲醇丙烷氮?dú)膺M(jìn)入爐膛后的制氣時(shí)間稍為長一點(diǎn)較好，在循環(huán)風(fēng)扇的作用下可以使?fàn)t內(nèi)氣氛更加均勻一些。
在新爐子啟用時(shí)需要對網(wǎng)帶及爐膛進(jìn)行預(yù)滲碳，有時(shí)碳勢儀顯示已經(jīng)達(dá)到技術(shù)要求，但是火焰顏色呈現(xiàn)藍(lán)色時(shí)說明爐內(nèi)氣氛仍然有空氣存在，爐內(nèi)有氧氣存在會(huì)使工件表面出現(xiàn)花斑及脫碳，硬度降低，金相組織檢測可以看到黑色組織。對于無馬弗罐的爐膛來說，因?yàn)檩p質(zhì)耐火磚和硅酸鋁耐火纖維上的小孔中的空氣和水分要將它們置換出去，若是新的爐子沒有烘得很干則要將爐蓋板松開，留出10mm左右的高度的間隙讓水氣逸出去，然后蓋好爐蓋板擰緊螺絲即可，也可以用其他方式排除。為了減少空氣進(jìn)入爐膛，除了控制爐門高度以外，還必須將落料口處的油簾上下方的油煙氣用抽氣泵抽出，抽出量通過球閥來調(diào)整，抽出的油煙氣通過汽水分離器經(jīng)流量計(jì)控制再送到爐口同甲醇?xì)鈪R合對爐口進(jìn)行火封。
在調(diào)整爐內(nèi)氣氛的過程中，網(wǎng)帶表面不能有碳黑出現(xiàn)，爐口火焰顏色呈現(xiàn)桔黃色時(shí)爐內(nèi)氣氛應(yīng)該調(diào)整好了，此時(shí)可以正式進(jìn)工件了。無馬弗罐網(wǎng)帶爐的爐膛壽命是有一定年限的，進(jìn)口設(shè)備它的使用壽命在十年左右，此時(shí)設(shè)備出現(xiàn)工藝材料、儀器儀表、爐內(nèi)氣氛及運(yùn)行都很正常的情況下，但是做出的滲碳（碳氮共滲）件的層深及硬度都達(dá)不到技術(shù)要求，檢查爐子的泄漏點(diǎn)又非常困難，無奈只好提高溫度、延長時(shí)間來對付，實(shí)際上爐襯已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，爐內(nèi)氣氛消耗量增多，需要重新砌筑爐膛。對于有馬弗罐的網(wǎng)帶爐來說，它的馬弗罐的使用壽命在5年左右，一旦馬弗罐出現(xiàn)裂紋很快可以查出，及時(shí)對馬弗罐進(jìn)行修復(fù)或更新，爐膛的使用壽命可以長達(dá)30年左右。
爐內(nèi)碳勢的標(biāo)定可以用含碳量在0.06％厚度0.05mm的低碳鋼鋼箔（定碳片）來校正，校正氧探頭碳勢的方法一般有兩種：
一種是稱重法，用精度是萬分之一的分析天平作為稱重計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，將除銹、除油、清洗干凈并烘干的鋼箔進(jìn)行稱重，然后進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行工藝滲碳，鋼箔在進(jìn)出爐時(shí)都不能碰到臟物，鋼箔出爐前需要預(yù)冷后才能出爐，鋼箔在進(jìn)出爐時(shí)的顏色都是銀白色的，出爐后清洗烘干再次稱重，然后根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算即是爐內(nèi)該氧探頭位置的碳勢。
另外一種是用燃燒法來測量鋼箔的碳勢，這種方法簡單、準(zhǔn)確、快速，它的制樣方法同前，將鋼箔從試樣孔中取出后，放在C230碳硫分析儀中，其碳硫分析儀同天平連接在一起的，在該儀器中通入氮?dú)夂脱鯕猓油ㄩ_關(guān)鋼箔瞬時(shí)燃燒，此時(shí)產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，在一分鐘內(nèi)鋼箔的碳勢就顯示出來了。
采用滴注式網(wǎng)帶爐的進(jìn)氣管，往往因?yàn)樵跔t頂部的保溫層溫度偏低而經(jīng)常發(fā)生堵死現(xiàn)象，造成可控氣氛達(dá)不到技術(shù)要求，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。如果對于滴注式甲醇和丙烷等管子進(jìn)行特殊的改造，它不會(huì)使進(jìn)入管子的氣氛經(jīng)常堵塞，可以做到管子一年以上不清理,使?fàn)t內(nèi)氣氛保持長期的穩(wěn)定。另外在油槽的上方，即落料口處的二側(cè)邊必須有∮150mm的窺視孔，便于觀察及調(diào)整油幕（簾）的大小，以減少油煙氣進(jìn)入爐膛內(nèi)，造成碳勢虛高現(xiàn)象。在需要時(shí)定爐后可以打開二側(cè)的窺視孔對油幕（簾）槽口進(jìn)行清理，使油幕暢通。油槽內(nèi)部的油循環(huán)泵、油簾泵、油冷卻泵等必須保證材料優(yōu)質(zhì)，否則會(huì)影響淬火件的光亮色。
二、滾針
沖壓滾針軸承的滾動(dòng)體它需要承受較大的載荷，為此只能做成長徑比相差懸殊的針形形式，因?yàn)橐话愕臎_壓滾針軸承的結(jié)構(gòu)不能太大，所以滾針的直徑一般≤5mm，其長度則是直徑的3～10倍。
滾針的材料是GCr15或100Cr6，原始組織需要達(dá)到JB/T 1255—2014高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的2級球化，硬度在179～207HBW，高碳鉻軸承鋼鋼絲在高速切斷機(jī)切成所需要的規(guī)格，然后裝入傾斜一定角度的八角形滾桶內(nèi)，桶內(nèi)放入一定數(shù)量的滾針毛料和磨料及溶劑等，以一定的轉(zhuǎn)速循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，在進(jìn)行幾十個(gè)小時(shí)拋光后的滾針兩頭則呈現(xiàn)出光滑的圓弧，達(dá)到了技術(shù)要求。
滾針的淬火有兩種方法：對于品種規(guī)格較多而產(chǎn)量較低的淬火采用小型的滾筒爐，進(jìn)出料方式都是從前面爐口進(jìn)出，后面爐口通入可控氣氛，該爐的結(jié)構(gòu)簡單操作方便，它的爐膽（馬弗罐）為二端有錐度的八角筒形結(jié)構(gòu)，在循環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)滾針可以自然翻滾，達(dá)到每個(gè)滾針都受熱均勻，加熱爐內(nèi)有三支熱電偶，即爐膛內(nèi)一支，用于控制溫度；爐膽（馬弗罐）內(nèi)一支指示實(shí)際溫度、另外一支用于超溫報(bào)警。爐內(nèi)通入氮?dú)狻⒓状肌⒈閷L針進(jìn)行保護(hù)加熱，淬火槽內(nèi)有循環(huán)攪拌泵和導(dǎo)流板，可以使淬入油中的滾針硬度均勻，獲得淬火硬度（65～66HRC）散差小的優(yōu)點(diǎn)。建議不用網(wǎng)帶爐加熱。對于很大批量的滾針加熱淬火則要用大型滾筒爐，進(jìn)料方式是后邊進(jìn)料和通入可控氣氛，前面出料，爐子結(jié)構(gòu)是用耐熱鋼板卷成園型筒體，筒內(nèi)焊接著連續(xù)光滑的內(nèi)縲旋形耐熱鋼板，滾針在滾筒內(nèi)既可前進(jìn)又可以自然翻動(dòng)，做到粒粒滾針加熱均勻。淬火槽內(nèi)有循環(huán)導(dǎo)流行裝置和可以定時(shí)轉(zhuǎn)移的4個(gè)圓形帶有許多小孔的不銹鋼接料筐。其他接料方式也可以用輸送帶提升結(jié)構(gòu)等。
三、淬火冷卻介質(zhì)的選擇
滾針第一次淬火是在大（小）滾筒爐中加熱，它的淬火方式都是滾筒在邊旋轉(zhuǎn)邊連續(xù)出料，同時(shí)陸陸續(xù)續(xù)落入淬火油槽中，從而獲得硬而均勻的硬度。其淬火油采用快速光亮淬火油，因?yàn)樗恼魵饽るA段短，高低溫冷速快，熱氧化安定性能好，油的帶耗少易清冼，表面光潔度好，使用壽命長，可以使?jié)L針淬火后硬度分散度小而均勻等特點(diǎn)。
對于組裝好的整體沖壓滾針軸承來說，它的淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)該選擇飽和蒸氣壓、光亮性、冷卻性、抗氧化性能較好、易清冼及使用壽命較長的淬火油，在氣體滲碳（碳氮共滲）后的淬火過程中具有很好的淬硬性能和極少的淬火畸變，因?yàn)楫a(chǎn)品的有效壁厚較薄，所以用分級淬火油即可；分級淬火油在高溫時(shí)的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高，高溫時(shí)的冷卻速度快，低溫時(shí)的冷卻速度慢，這樣可以將沖壓外圈和保持架滲碳（碳氮共滲）淬硬，又能夠?qū)⒏咛笺t軸承鋼做的滾針獲得硬而均勻的硬度，還能顯殊地減少畸變，達(dá)到技術(shù)要求。新油在投入使用前需要進(jìn)行脫氣處理，工作過程中的油平時(shí)要求配備一臺(tái)高速離心機(jī)，它不損傷油品的理化性能，還可以將污物脫離出來，使淬火油能夠保持長期的清潔和淬火性能的穩(wěn)定，還延長淬火油的使用壽命達(dá)到十年以上。
四、整體沖壓滾針軸承的熱處理
整體沖壓滾針軸承熱處理的第一步必須先對滾針進(jìn)行加工，即將滾針在滾筒爐內(nèi)進(jìn)行加熱淬火及回火，加熱時(shí)爐內(nèi)的碳勢CP=1.0～1.1％，加熱溫度（845～870）℃±5℃，用快速光亮淬火油，油溫80℃，心部淬火硬度在760+80HV，表面硬度在780+160HV，回火溫度160～180℃，回火后的硬度≥810HV，金相組織是回火隱晶、細(xì)小結(jié)晶或小針狀馬氏體、均勻分布的細(xì)小殘留碳化物和少量殘留奧氏體。
將熱處理完工后的滾針進(jìn)行磨、拋等機(jī)加工后用全自動(dòng)高速分選機(jī)進(jìn)行外形尺寸分選，然后根據(jù)技術(shù)要求，在一臺(tái)可以將已經(jīng)熱處理過的滾針和沒有經(jīng)過熱處理的保持架和沖壓外圈，進(jìn)行全自動(dòng)裝配并封口的機(jī)器上完成組裝，成為整體沖壓滾針軸承。
最后將它們在放網(wǎng)帶爐內(nèi)進(jìn)行滲碳（碳氮共滲）淬火，淬火冷卻介質(zhì)為分級淬火油，油溫80℃，滲碳溫度820～870℃，爐內(nèi)氣氛是甲醇丙烷氮?dú)猓紕軨P =0.9%～1.2％，滲碳時(shí)間根據(jù)技術(shù)要求一般在30～100min，沖壓外圈的滲碳層深度0.08～0.33mm，滲碳淬火硬度840～900HV；保持架的滲碳層深度0.02～0.12mm，滲碳淬火硬度410～550HV。
對于滾針來說滲碳淬火前的金相組織是回火隱針、細(xì)小結(jié)晶或小針狀馬氏體、均勻分布的細(xì)小殘留碳化物和少量殘留奧氏體，它們在第二次滲碳淬火時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間較短，對于高碳鉻軸承鋼來說組織不會(huì)粗大，反而能使組織更細(xì)更均勻化，并提高接觸疲勞強(qiáng)度，此時(shí)的淬火硬度≥910HV，回火后的硬度≥810HV。
整體沖壓滾針軸承熱處理及清洗和烘干完成后，其尺寸會(huì)縮小0.01～0.05mm，為此要求對整體沖壓軸承進(jìn)行100%的包絡(luò)圓檢測，對于極少數(shù)尺寸超差的還需要擠壓矯正后才能入庫。這一技術(shù)在國外已經(jīng)應(yīng)用幾十年了，國內(nèi)也開始在研制，希望能夠取得很好的成果。
來源：熱處理生態(tài)圈
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