國外機械行業的軸承熱處理方法(中)

3 貝氏體等溫淬火

3.1 貝氏體淬火的組織與力學性能

高碳鉻軸承鋼經下貝氏體淬火后，其組織由下貝氏體、馬氏體和殘余碳化物組成。其中貝氏體為不規則相交的條片，條片為碳過飽和的α結構，其上分布著與片的長軸成55~60°的粒狀或短桿狀的碳化物，空間形態為凸透鏡狀，亞結構為位錯纏結，未發現有孿晶亞結構。貝氏體的數量及形態因工藝條件不同而各異。隨淬火溫度的升高，貝氏體條變長；等溫溫度升高，貝氏體條變寬，碳化物顆粒變大，且貝氏體條之間的相交的角度變小，逐趨向于平行排列，形成類似與上貝氏體的結構；貝氏體轉變是一個與等溫轉變時間有關的過程，等溫淬火后的貝氏體量隨等溫時間的延長而增加[5,19]。

高碳鉻軸承鋼下貝氏體組織能提高鋼的比例極限、屈服強度、抗彎強度和斷面收縮率，與淬回火馬氏體組織相比，具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性及尺寸穩定性，表面應力狀態為壓應力。

高的門坎值ΔKth和低的裂紋擴展速度da/dN則代表貝氏體組織不易萌生裂紋，已有的裂紋或新萌生的裂紋也不易擴展[2,19,20]。

一般認為,全貝氏體或馬/貝復合組織的耐磨性和接觸疲勞性能低于淬火低溫回火馬氏體，與相近溫度回火的馬氏體組織的耐磨性和接觸疲勞性能相近或略高。但潤滑不良條件下(如煤漿或水這類介質)，全BL組織呈現出明顯的優越性，具有比低溫回火的M組織還要高的接觸疲勞壽命，如水潤滑時全BL組織的L10=168h，回火M組織的L10=52h[21]。

3.2生產應用

3.2.5應用效果

BL組織的突出特點是沖擊韌性、斷裂韌性、耐磨性、尺寸穩定性好，表面殘余應力為壓應力。因此適用于裝配過盈量大、服役條件差的軸承，如承受大沖擊負荷的鐵路、軋機、起重機等軸承，潤滑條件不良的礦山運輸機械或礦山裝卸系統、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼BL等溫淬火工藝已在鐵路、軋機軸承上得到成功應用，取得了較好效果。

(1)擴大了GCr15鋼應用范圍，一般地GCr15鋼M淬火時套圈有效壁厚在12mm以下，但BL淬火時由于硝鹽冷卻能力強，若采用攪拌、串動、加水等措施，套圈有效壁厚可擴大至28mm左右。

(2)硬度穩定、均勻性好:由于BL轉變是一個緩慢過程，一般GCr15鋼需4h，GCr18Mo鋼需5h，套圈在硝鹽中長時間等溫，表面心部組織轉變幾乎同時進行，因此硬度穩定、均勻性好，一般GCr15鋼BL淬火后硬度在59～61HRC,均勻性≤1HRC，不象M 淬火時套圈壁厚稍大一些就出現硬度低、軟點、均勻性差等問題。

(3)減少淬火、磨削裂紋:在鐵路、軋機軸承生產中，由于套圈尺寸大、重量重，油淬火時M組織脆性大，為使淬火后獲得高硬度常采取強冷卻措施，結果導致淬火微裂紋；由于M淬火后表面為拉應力，在磨加工時磨削應力的疊加使整體應力水平提高，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。而BL淬火時，由于BL組織比M組織韌性好得多，同時表面形成高達-400～-500MPa的壓應力，極大地減小了淬火裂紋傾向[19]；在磨加工時表面壓應力抵消了部分磨削應力，使整體應力水平下降，大大減少了磨削裂紋。

（4）軸承使用壽命提高:對于承受大沖擊載荷的鐵路、軋機軸承等，經M淬火后使用時主要失效形式為：裝配時內套開裂，使用過程中受沖擊外圈擋邊掉塊、內圈碎裂，而等溫淬火軸承由于沖擊韌性好、表面壓應力，無論裝配時內套開裂，還是使用過程中外套擋邊掉塊、內套碎裂傾向性大大減小，且可降低滾子的邊緣應力集中。因此，經等溫淬火后比M淬火后平均壽命及可靠性提高。

SKF公司把高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝主要應用于鐵路軸承、軋機軸承以及在特殊工況下使用的軸承，同時開發了適合于貝氏體淬火的鋼種（SKF24、SKF25、100Mo7）[19]。其淬火時采用較長的等溫時間，淬后得到全下貝氏體組織。近來SKF又研制出一種新鋼種775V[22]，并通過特殊的等溫淬火得到更均勻的下貝氏體，淬后硬度增加的同時其韌性比常規等溫淬火提高60%，耐磨性提高了3倍，處理的套圈壁厚超過100mm。部分等溫后得到M/BL復合組織的性能尚有爭議，如BL的含量多少為最佳等。即使有一最佳含量，在生產實際中如何控制，且復合組織在等溫后還需進行一次附加回火，增加了生產成本。FAG公司主要采用貝氏體分級淬火工藝，其具體的工藝狀況不詳。

4 滲碳、滲氮及碳氮共滲

4.1 低碳鋼滲碳、滲氮及碳氮共滲

滲碳是傳統的表面化學熱處理工藝，滲碳鋼（低碳低合金鋼、低碳高合金高溫滲碳鋼）經滲碳淬火后表面高硬耐磨、心部強韌。滲碳工藝發展一方面是滲碳介質的改進，如加入增加滲速的添加劑，采用強滲--擴散的交替循環工藝提高滲速、改善滲層組織等。

隨著真空技術的發展，出現了真空低壓滲碳及等離子滲碳。易普森等公司[23]開發的乙炔低壓滲碳工藝是在10mbar以下的低壓下，以乙炔為滲碳介質在真空爐內進行。其特點是滲速快、滲層均勻、碳黑少、滲后工件光亮；另外，對滲層要求較薄的沖壓滾針軸承類零件碳氮共滲或滲碳而言，滲層深度、成分的控制及如何提高滲速更是一大難題，采用真空低壓滲碳技術將有利用解決這些問題。

對高合金滲碳鋼進行等離子滲碳可提高滲速、減少表面粗大碳化物的形成[24]。對低碳鋼制滾針軸承內外圈及保持架采用滲氮或碳氮共滲，可提高其耐磨性及耐蝕性、降低摩擦系數。

4.2高碳鉻軸承鋼的滲碳或碳氮共滲

高碳鉻軸承鋼一般是整體淬硬，淬后的殘余應力為表面拉應力狀態，易造成淬火裂紋、降低軸承的使用性能。通過對其進行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點，在淬火過程中表面后發生轉變而形成表面壓應力，提高耐磨性及滾動接觸疲勞性能[25，26]。最近的研究還表明：高碳鉻軸承鋼經滲碳或碳氮共滲后還可提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命[25~27]。一般，在淬火加熱時，通過控制氣氛的碳（氮）勢，可達到以上目的。但如果對高碳鉻軸承鋼進行超常滲碳（碳勢>2%），則必須加大加工余量，去除滲碳淬火后表層的粗大碳化物。

4.3 工藝控制

滲碳（滲氮或碳氮共滲）氣氛的檢測和控制是關鍵參數，最早是采用露點儀、CO2紅外分析儀，目前主要采用氧探頭來檢測碳勢（或氮勢），其反應速度快，可進行實時監控，配合CO2紅外分析儀或其他測量措施（如易普森開發的HydroNit探頭[28]）可對碳勢（或氮勢）實行精確控制。

工藝控制的另一方面是滲碳（滲氮或碳氮共滲）過程的計算機模擬控制。碳在鋼中傳遞和擴散的計算機模擬開始于20世紀80年代，之后進一步開發了人機對話軟件（Carb-o-Prof），使人們可以現場計算不同鋼種在滲碳過程中任一時間碳的傳遞與擴散速度。該軟件考慮了溫度、碳勢等工藝參數變化的影響，可以實現所需的表面碳含量及滲層深度的工藝參數的計算，并能根據工藝過程中的參數發生的變化或出現的干擾自動調整碳勢、滲碳時間等工藝參數，以達到工件預定的要求。最近，又推出了“Carb-o-Prof-Expert”專家系統。該軟件集成了大多數滲碳鋼及滲碳淬火的物理冶金知識、設備性能、工件的技術要求等數據，只要向計算機輸入工件的鋼種、重量、幾何尺寸、淬透性、滲層要求及爐型等數據，計算機便會輸出一個滲碳工藝，并自動實現該工藝[29]。

5表面改性技術

5.2 離子注入

離子注人與其他表面強化技術相比，具有以下的顯著優點：(1)離子注人后的零件，能很好地保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，不需要再做其它表面加工處理,很適合于航空軸承等精密零件生產的最后一道工序；(2)原則上不受冶金學或平衡相圖的限制，可根據零件的工作條件和技術要求，選擇需要的任何注人元素，注人劑量和能量，獲得預期的高耐磨性或耐腐蝕性等特殊要求的軸承表面，靈活性大，實用性強，對基體材料的選擇也可以適當放寬，從而可節省貴重的高合金鋼材和其它貴重金屬材料；(3)注入層與基體材料結合牢固可靠、無明顯界面，在使用中不會產生脫落和剝皮現象，這對提高軸承壽命和工作可靠性來說非常重要；(4)離子注人是一個非高溫過程，可以在較低的溫度下完成，零件不會發生回火、變形和表面氧化；（5）具有很好的可控性和重復性。歐美等國對離子注入進行了大量的研究[30~37]。

美國海軍實驗室從1979年起進行了軸承零件離子注入的研究，英國、丹麥和葡萄牙等國從1989年開始進行與美國海軍實驗室類似的工作。結果表明：注入鉻離子能顯著提高M50鋼的抗腐蝕性能，而且抗接觸疲勞性能也有所提高；此外還用注人硼離子來提高儀表軸承的抗磨損能力；對軸承鋼52100進行氮等離子源離子注入（PSⅡ）后在表面形成薄層氮化物，可提高軸承鋼的耐蝕性，用于代替昂貴的不銹鋼；對SUS440C不銹鋼球軸承進行氮、硼離子注入可減小球軸承微小擺動的微振磨損及軸承的灰塵排放，另外，對不銹鋼進行（Ti+N）或（Ta+N）等離子體浸沒離子注入（PSⅢ）可顯著提高其顯微硬度、耐磨性和壽命。

5.2 表面涂覆

表面涂覆技術包括：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（Plasma spraying coating, PSC）、化學鍍等[38~42]。PVD與CVD相比，其工藝過程中被處理工件的溫生低，鍍后不需再進行熱處理，再軸承零件的表面處理中得到較廣泛的應用。100Cr6、440C等鋼制軸承零件經PVD、CVD或RF鍍TiC、TiN、TiAlN等后，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，降低表面摩擦系數。

SKF公司近年來開發了兩種涂鍍技術：一是采用PVD在軸承套圈及滾動體表面鍍硬度極高的金剛石結構的碳（Diamond-Like Carbon, DLC），表面硬度比淬硬軸承鋼高40~80%、摩擦系數類似于PTFE或MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結合良好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正常工作，被稱為“NoWear bearing”[38]; 二是采用PSC在軸承的外圈外圓面噴涂一層100μm后的氧化鋁，使軸承的絕緣能力高達1000V以上，通過增加氧化鋁的厚度使軸承具有更高絕緣能力。涂鍍的氧化鋁與基體結合牢固，還可提高軸承的耐蝕性，鍍后的軸承（INSOCOATTM bearing）可像一般軸承一樣進行安裝[39]。

低溫離子滲硫是20世紀80年代后期出現的表面改性技術。其基本原理與離子滲氮相似，在一定的真空度下，利用高壓直流電使含硫氣體電離，生成的硫離子轟擊工件表面，在工件表面與鐵反應生成以FeS為主的10μm左右厚的硫化物層。硫化物是良好的固體潤滑劑，有效地降低鋼件接觸表面的摩擦系數，且隨載荷增大，摩擦系數進一步降低，因此可以大大提高重載下軸承的耐磨性，軸承的壽命可提高3倍左右。

低溫磷化與滲硫的作用相似。通過把工件放置于40℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸滲4h可在工件表面獲得0.05~0.25μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面層，降低摩擦系數、提高耐磨性。經磷化的M50鋼軸承在短期斷油的情況下不出現卡死，提高了軸承的可靠性[36]。

擴散滲鉻是用氣體方法（粉末法）在850~1100℃進行，時間為1~9h，根據零件所用鋼種（ШХ15、95Х18、55СМ5ФА）及性能需要選用相應的溫度和時間，在軸承生產及修復中均可使用。滲后擴散層由Cr2(NC)3、(Cr,Fe)23C6及(Cr,Fe)7C3組成，層深16~27μm，硬度1650~1900HV。滲鉻并進行常規熱處理后，耐熱性、耐蝕性、耐磨性及接觸疲勞強度均明顯提高[42]。

6 表面加熱淬火

感應加熱表面淬火是使用較為廣泛的方法之一，原蘇聯對對這一工藝的理論和生產應用開展了較多的研究[43~48]，其主要應用場合分兩類：一是鐵路軸承的表面感應加熱淬火，采用新材料ШХ4鋼制的套圈經感應加熱淬火后，表面為硬而耐磨的馬氏體組織，心部為韌性較好的索氏體、屈氏體，表面為高達500Mpa的壓應力，其使用壽命比ШХ15СГ制軸承高1倍，并且完全消除了套圈使用時突然脆斷的現象，提高了軸承的可靠性，性能與低碳鋼滲碳淬火相似，但成本遠低于后者。同時，也開發出相應的專用感應器和淬火設備，并把這一材料及感應淬火的成果推廣到要求耐磨和高韌性的軋機軸承等重載軸承；感應加熱表面淬火的另一應用是特大型軸承的熱處理，減少大型軸承套圈的淬火變形和硬度不均勻性，同時節省設備的投資費用。日本[47]把表面感應加熱淬火成功地應用于汽車等速完向節的熱處理，包括階梯軸、殼體內表面及滾道的淬火均由特制的感應圈一次加熱完成。高頻熱處理和冷鍛技術的應用使生產成本大大降低，產品的可靠性也大幅度提高。

激光等高能束表面熱處理是近年來開發的新的熱處理方法[49~50]，使用較多的CO2激光束。通過激光加熱可獲得0.25~2.0mm的硬化層，與其他表面硬化方法相比，其具有硬化層深度及位置控制精確、無變形等優點。高碳鉻軸承鋼零件經表面激光硬化后淬硬層的馬氏體極細小、碳化物分布更均勻、殘余奧氏體極少，比一般淬回火具有更高硬度和滑動耐磨性。另外，激光等高能束還可作為表面涂覆工藝的熱源，一次可完成表面淬火和涂覆過程，尤其是近年來納米技術的發展，這一復合工藝過程在精密軸承零件的表面處理中將有廣闊的應用前景。