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提高GCr15钢轴承套圈淬火质量的工艺措施
2009-11-30作者：高斌，全腊珍
来源：《现代制造工程》
来源：《现代制造工程》
一、轴承套圈淬火冷却时常见缺陷扩工艺
轴承零件广泛采用油作为淬火介质，主要原因是油在冷却过程中的第三阶段（对流期）冷却速度特别缓慢。在以往的生产使用的10号、20号机械油在650~500℃之间时为20~50℃/s。对流期阶段大约从300℃开始，一直持续到室温，正好与轴承钢的马氏体转温度要求较小的冷却速度相吻合，从而使轴承零件在淬火过程中变形和开裂倾向大为减少。但在操作方式上是用手动葫芦将套圈吊入油中，套圈在油中上、下运动的频率及幅度由操作者手动控制，这很难满足工艺要求，即套圈在油中窜动时间不少于3s/mm。因此，在冷却过程中套圈常出现以下质量问题：1）硬度均匀性差：同一批套圈硬度散度HRC＞2，同一套圈硬度均匀HRC＞1或2。2）套圈表面出现区域软点或局部软点。3）对于有效壁厚＞7mm的套圈，显微组织中出现网状屈氏体。
经1998年热处理质量分析，因冷却不良需返修的炉数为淬火返修率的51.5%，套圈在冷却过程中产生的缺陷，导致轴承硬度、强度降低，耐磨性和抗疲劳性能下降。
对于套圈在冷却时出现的问题，曾采取过如下措施。
1. 在不改变冷却方式下，提高套圈的淬火加热温度（选用上限温度），来增加钢中过冷奥氏体的稳定性，从而降低GCr15钢临界冷却速度。但随着加热温度的提高，钢中二次碳化物过多地溶解，导致奥氏体晶粒长得较大，而阻碍马氏体长大的作用减弱，一少同一套圈硬度差较大，Z大相差HRC2，淬、回火组织中仍不时出现局部有少量小块状屈氏体存在；同时也开始有细小针状马氏体出现，在500倍金相显微镜下可看到明显的针状马氏体（过热组织）。淬火变形量急剧上升，直径变动量超差率由平均不到10%上升到20%以上，零件力学性能相对劣化。
2.使用具有较快冷却速度的快速淬火油。由于客观条件的限制，在生产中，油槽内不可避免进入少量水，会使得油在使用过程中逐渐乳化，性能发生改变，失去好的冷却效果，而使淬火质量达不到理想的效果。
二、轴承套圈热处理新工艺的研究和应用
淬火介质的冷却能力和硬化能力是影响轴承套圈热处理质量的重要因素。显然这与工件的冶金因素、冷却时C曲线的形状及冷却条件等有关。而冷却能力强的淬火介质，能使工件淬火后硬度较高或硬化层较深。在实际上，保证淬硬的关键是在C曲线的鼻尖处的冷速要足够地大，但在马氏体转变时要求冷却速度相对较小。新工艺的应用正是适应了这一特性。通过改变工件与淬火油的相对运动速度，改变淬火介质的冷却和硬化能力，满足工件在不同温度下组织形成对不同冷却速度的要求，从而获得理想的淬火质量。
1.冷却强度试验分析
通过多次试验分析表明，采用新工艺改变冷却方式，可提高油的冷却强度，从而提高热处理质量。冷却强度H是反映介质冷却能力的参数，H=αλ/2 (α为界面换热系数；λ为钢的热导率)。静止水的H值为0.1。H值越大，介质的冷却能力越强。在试验中根据淬火介质在不同搅动条件下冷却强度的变化见表1，采用强烈搅动油的方式淬火，H值可达0.7，一般情况下油淬火H值为0.3。
轴承零件广泛采用油作为淬火介质，主要原因是油在冷却过程中的第三阶段（对流期）冷却速度特别缓慢。在以往的生产使用的10号、20号机械油在650~500℃之间时为20~50℃/s。对流期阶段大约从300℃开始，一直持续到室温，正好与轴承钢的马氏体转温度要求较小的冷却速度相吻合，从而使轴承零件在淬火过程中变形和开裂倾向大为减少。但在操作方式上是用手动葫芦将套圈吊入油中，套圈在油中上、下运动的频率及幅度由操作者手动控制，这很难满足工艺要求，即套圈在油中窜动时间不少于3s/mm。因此，在冷却过程中套圈常出现以下质量问题：1）硬度均匀性差：同一批套圈硬度散度HRC＞2，同一套圈硬度均匀HRC＞1或2。2）套圈表面出现区域软点或局部软点。3）对于有效壁厚＞7mm的套圈，显微组织中出现网状屈氏体。
经1998年热处理质量分析，因冷却不良需返修的炉数为淬火返修率的51.5%，套圈在冷却过程中产生的缺陷，导致轴承硬度、强度降低，耐磨性和抗疲劳性能下降。
对于套圈在冷却时出现的问题，曾采取过如下措施。
1. 在不改变冷却方式下，提高套圈的淬火加热温度（选用上限温度），来增加钢中过冷奥氏体的稳定性，从而降低GCr15钢临界冷却速度。但随着加热温度的提高，钢中二次碳化物过多地溶解，导致奥氏体晶粒长得较大，而阻碍马氏体长大的作用减弱，一少同一套圈硬度差较大，Z大相差HRC2，淬、回火组织中仍不时出现局部有少量小块状屈氏体存在；同时也开始有细小针状马氏体出现，在500倍金相显微镜下可看到明显的针状马氏体（过热组织）。淬火变形量急剧上升，直径变动量超差率由平均不到10%上升到20%以上，零件力学性能相对劣化。
2.使用具有较快冷却速度的快速淬火油。由于客观条件的限制，在生产中，油槽内不可避免进入少量水，会使得油在使用过程中逐渐乳化，性能发生改变，失去好的冷却效果，而使淬火质量达不到理想的效果。
二、轴承套圈热处理新工艺的研究和应用
淬火介质的冷却能力和硬化能力是影响轴承套圈热处理质量的重要因素。显然这与工件的冶金因素、冷却时C曲线的形状及冷却条件等有关。而冷却能力强的淬火介质，能使工件淬火后硬度较高或硬化层较深。在实际上，保证淬硬的关键是在C曲线的鼻尖处的冷速要足够地大，但在马氏体转变时要求冷却速度相对较小。新工艺的应用正是适应了这一特性。通过改变工件与淬火油的相对运动速度，改变淬火介质的冷却和硬化能力，满足工件在不同温度下组织形成对不同冷却速度的要求，从而获得理想的淬火质量。
1.冷却强度试验分析
通过多次试验分析表明，采用新工艺改变冷却方式，可提高油的冷却强度，从而提高热处理质量。冷却强度H是反映介质冷却能力的参数，H=αλ/2 (α为界面换热系数；λ为钢的热导率)。静止水的H值为0.1。H值越大，介质的冷却能力越强。在试验中根据淬火介质在不同搅动条件下冷却强度的变化见表1，采用强烈搅动油的方式淬火，H值可达0.7，一般情况下油淬火H值为0.3。
表1 不同淬火介质在不同搅动条件下的H值
2．组织、硬度试验分析
在试验过程中套圈的产品型号为314/01，淬火温度为840.40℃，冷却剂为10号机械油，套圈在静止与运动冷却条件下进行淬火，通过多次试验，得出套圈显微组织中屈氏体级别的变化（见表2），套圈在静止与窜动冷却条件下，组织中屈氏体量相差约5~10倍，在窜动冷却条件下，同一套圈的硬度差降为0.5。
在试验过程中套圈的产品型号为314/01，淬火温度为840.40℃，冷却剂为10号机械油，套圈在静止与运动冷却条件下进行淬火，通过多次试验，得出套圈显微组织中屈氏体级别的变化（见表2），套圈在静止与窜动冷却条件下，组织中屈氏体量相差约5~10倍，在窜动冷却条件下，同一套圈的硬度差降为0.5。
表2 淬火冷却方式对组织、硬度的影响
3．新工艺的应用与设备改进
新工艺是通过改变生产设施，把淬火油水套冷却改成循环冷却，用大流量油泵将冷却后的油从淬火槽底部注入，先在漏斗下面形成环流，均匀上升，再经过两层孔板形成均匀的暗涌油柱向上喷射，在油槽油面呈沸腾状。并可通过改变油泵的输出流量，改变套圈与油的相对运动速度，满足工件在组织形成过程中对不同冷却速度的要求，同时上层变热的油及时抽走，使得油槽内上、下层油温基本均衡。油的冷却过滤系统不仅使油能得到充分的冷却，而且使油能得到很好的净化。新工艺即满足GCr15钢高温状态对冷却速度要求高的要求，保证了淬火硬度和淬硬的均匀性，又满足了工件在较低温度下奥氏体化产生的晶粒较细及碳、铬含量较低的奥氏体所需的临界淬火速度，细化马氏体基体组织，避免淬火裂纹、使轴承套圈淬火硬度稳定控制在HRC64~65.5，淬火金相组织2~3级。以2级为多，外径￠100mm以上的套圈淬火后直径变动量超差率降至约7%，工件淬火后表面光亮度增加，质量全部合格，减少了废品及返修损失。
生产设施的改进是将淬火槽中上层变热的油溢流到过滤装置，再进到一组架空的黄铜管冷却器内（放置在清洁循环水池中），然后用油泵把经过冷却的油再泵入淬火油槽底部，中间架两层孔径为￠5mm，孔距为20mm×20mm的多孔板，二层孔板位错开，保证冷却油的均匀上升。
三、结论
1．实践证明，采用改变油的冷却方式来提高油的冷却强度对提高轴承零件硬度、硬度均匀性、消除软点具有明显效果。
2．用机械的冷却方式代替手工窜动冷却，减轻了工人的劳动强度，适应大批量连续生产。冷却系统结构简单、成本低，易于制造。
新工艺是通过改变生产设施，把淬火油水套冷却改成循环冷却，用大流量油泵将冷却后的油从淬火槽底部注入，先在漏斗下面形成环流，均匀上升，再经过两层孔板形成均匀的暗涌油柱向上喷射，在油槽油面呈沸腾状。并可通过改变油泵的输出流量，改变套圈与油的相对运动速度，满足工件在组织形成过程中对不同冷却速度的要求，同时上层变热的油及时抽走，使得油槽内上、下层油温基本均衡。油的冷却过滤系统不仅使油能得到充分的冷却，而且使油能得到很好的净化。新工艺即满足GCr15钢高温状态对冷却速度要求高的要求，保证了淬火硬度和淬硬的均匀性，又满足了工件在较低温度下奥氏体化产生的晶粒较细及碳、铬含量较低的奥氏体所需的临界淬火速度，细化马氏体基体组织，避免淬火裂纹、使轴承套圈淬火硬度稳定控制在HRC64~65.5，淬火金相组织2~3级。以2级为多，外径￠100mm以上的套圈淬火后直径变动量超差率降至约7%，工件淬火后表面光亮度增加，质量全部合格，减少了废品及返修损失。
生产设施的改进是将淬火槽中上层变热的油溢流到过滤装置，再进到一组架空的黄铜管冷却器内（放置在清洁循环水池中），然后用油泵把经过冷却的油再泵入淬火油槽底部，中间架两层孔径为￠5mm，孔距为20mm×20mm的多孔板，二层孔板位错开，保证冷却油的均匀上升。
三、结论
1．实践证明，采用改变油的冷却方式来提高油的冷却强度对提高轴承零件硬度、硬度均匀性、消除软点具有明显效果。
2．用机械的冷却方式代替手工窜动冷却，减轻了工人的劳动强度，适应大批量连续生产。冷却系统结构简单、成本低，易于制造。