高碳鉻軸承鋼馬貝復(fù)合組織淬火新技術(shù)

尤紹軍，毛玉紅，姜長(zhǎng)英

(1.瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，遼寧 瓦房店 116300；2.鐵道部駐大連車(chē)輛驗(yàn)收室，遼寧 大連 116028)

軸承零件淬火后，不僅要求具有良好的組織、硬度、強(qiáng)度、韌性和尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)要求其淬火時(shí)不開(kāi)裂、變形量小。軸承零件淬火工藝是保證軸承零件淬火后滿(mǎn)足這些要求的重要因素。軸承零件淬火新技術(shù)、新工藝長(zhǎng)期以來(lái)一直是軸承熱處理技術(shù)人員的研究重點(diǎn)。

1 軸承零件熱處理技術(shù)要求

軸承零件熱處理后一般要求淬火組織與硬度合格、淬火組織與尺寸穩(wěn)定性高、變形量小、不開(kāi)裂。

大型軸承零件的熱處理技術(shù)要求與中小型軸承零件基本相同，但大型軸承零件一般具有壁厚大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和壁厚差較大的特點(diǎn)，淬火加熱和冷卻時(shí)，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，零件變形和開(kāi)裂的傾向性大。為了達(dá)到淬火技術(shù)要求，大型軸承零件必須采用具有良好淬透性的高級(jí)高碳鉻軸承鋼，如ZWZ11，ZWZ12，ZWZ13 或ZWZ14鋼等，這些高碳鉻軸承鋼合金元素含量高、Ms點(diǎn)低，淬火開(kāi)裂敏感性低，但淬火后殘余奧氏體較多。

因此，研究在保證大型軸承零件淬火后達(dá)到淬火硬度和淬火組織等技術(shù)要求的前提下，既減少軸承零件淬火后殘余奧氏體量，提高軸承零件的尺寸穩(wěn)定性，又使軸承零件不易變形開(kāi)裂的熱處理新技術(shù)、新工藝對(duì)制造重大裝備用高端大型軸承具有重大意義。

2 高碳鉻軸承鋼主要淬火方式

Ms點(diǎn)為奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度(高碳鉻軸承鋼Ms約為220 ℃)，Mf點(diǎn)為奧氏體停止轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的溫度(高碳鉻軸承鋼Mf約為-70 ℃)。Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)溫度主要由鋼種和加熱條件確定。

按照淬火冷卻方式和淬火后得到的淬火組織劃分，目前常用的高碳鉻軸承鋼淬火方式主要有馬氏體淬火、下貝氏體淬火和貝馬復(fù)合淬火。

2.1 馬氏體淬火

淬火組織：馬氏體+少量殘余奧氏體+少量殘留碳化物。

淬火工藝：加熱溫度為830～880 ℃(具體溫度根據(jù)鋼種和零件尺寸確定)；保溫時(shí)間根據(jù)工件壁厚確定，每100 mm保溫0.6～0.8 h，最少保溫10min；采用冷卻能力足夠的淬火介質(zhì)(主要是淬火油或鹽浴)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?，確保工件以大于臨界冷卻速度的冷速冷到Ms點(diǎn)以下一定溫度。

馬氏體淬火工藝曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 馬氏體淬火工藝曲線(xiàn)

2.2 下貝氏體淬火

淬火組織：下貝氏體+少量殘余奧氏體+少量殘留碳化物。

淬火工藝：加熱溫度為830～880 ℃(具體溫度根據(jù)鋼種和零件尺寸確定)；保溫時(shí)間根據(jù)工件壁厚確定，每100 mm保溫0.6～0.8 h，最少保溫10 min；采用冷卻能力足夠的淬火介質(zhì)(主要是淬火油或鹽浴)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?，確保工件以大于臨界冷卻速度的冷速冷至下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，并等溫足夠的時(shí)間(約4 h)。

下貝氏體淬火工藝曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 下貝氏體淬火工藝曲線(xiàn)

2.3 貝馬復(fù)合淬火

淬火組織：下貝氏體+馬氏體+少量殘余奧氏體+少量殘留碳化物。

淬火工藝：加熱溫度830～880 ℃(具體溫度根據(jù)鋼種和零件尺寸確定)；保溫時(shí)間根據(jù)工件壁厚確定，每100 mm保溫0.6～0.8 h，最少保溫10 min；采用冷卻能力足夠的淬火介質(zhì)(主要是淬火油或鹽浴)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢瑁_保工件以大于臨界冷卻速度的冷速冷至下貝氏體轉(zhuǎn)變溫區(qū)，并等溫一定的時(shí)間(約0.5 h)，使工件內(nèi)奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，然后繼續(xù)冷卻到Ms點(diǎn)以下一定溫度，使工件內(nèi)其余的奧氏體大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

貝馬復(fù)合淬火工藝曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 貝馬復(fù)合淬火工藝曲線(xiàn)

3 高碳鉻軸承鋼馬貝復(fù)合組織淬火

3.1 馬貝復(fù)合淬火工藝

為了更好地滿(mǎn)足大型軸承零件的熱處理技術(shù)要求，提高熱處理質(zhì)量，研究了一種新的熱處理方式——馬貝復(fù)合組織淬火。

淬火工藝為：加熱溫度830～880 ℃(具體溫度根據(jù)鋼種和零件尺寸確定)；保溫時(shí)間根據(jù)工件壁厚確定，每100 mm保溫0.6～0.8 h，最少保溫10 min；采用冷卻能力足夠的淬火介質(zhì)(主要是淬火油或鹽浴)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢瑁_保工件以大于臨界冷卻速度的冷速冷至Ms點(diǎn)與Mf點(diǎn)之間某一溫度Md，并等溫一定的時(shí)間，保證工件心部也冷到Md，使工件內(nèi)奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，Md溫度越低，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的量越多；在工件心部溫度冷到Md后，立即將工件轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)(如空氣、熱油或鹽浴)內(nèi)加熱到下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，并等溫一定的時(shí)間(約4 h)，使工件內(nèi)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，并使已形成的馬氏體回火。

馬貝復(fù)合組織淬火工藝曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 馬貝復(fù)合組織淬火工藝曲線(xiàn)

3.2 馬貝復(fù)合組織淬火的特點(diǎn)

(1)采用的淬火冷卻速度更快，不易導(dǎo)致軸承零件淬火時(shí)開(kāi)裂，從而可以使軸承鋼更充分的淬火，擴(kuò)大軸承鋼應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮材料的性能潛力。

(2)淬火組織內(nèi)的馬氏體含碳量比貝馬復(fù)合淬火組織的低，具有更好的沖擊韌性、斷裂韌性和耐磨性。

馬貝復(fù)合組織淬火先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體內(nèi)含碳量低的部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，奧氏體內(nèi)含碳量高的部分在隨后的Ms點(diǎn)以上的下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度等溫過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w；而貝馬復(fù)合淬火先發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變，奧氏體內(nèi)含碳量低的部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，奧氏體內(nèi)含碳量高的部分在隨后Ms點(diǎn)以下冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體為大片狀的高碳馬氏體，其亞結(jié)構(gòu)為孿晶，脆性極大，同時(shí)，高碳馬氏體片形成時(shí)，互相撞擊，極易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和微裂紋。

(3)更低的裂紋敏感性。由于淬火裂紋主要在馬氏體轉(zhuǎn)變組織中產(chǎn)生，馬氏體含碳量越高，脆性越大，裂紋越容易產(chǎn)生。馬貝復(fù)合組織淬火時(shí)，馬氏體含碳量低于貝馬復(fù)合淬火，同時(shí)，淬火過(guò)程轉(zhuǎn)變的馬氏體組織在隨后下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度等溫時(shí)進(jìn)行了及時(shí)回火，因而淬火過(guò)程不易產(chǎn)生裂紋。

(4)更高的尺寸穩(wěn)定性。馬貝復(fù)合組織淬火過(guò)程中，不發(fā)生奧氏體的穩(wěn)定化，剩余奧氏體可以更為充分地轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，淬火后殘余奧氏體量少，尺寸穩(wěn)定性高。

(5)可以按性能要求任意調(diào)整馬貝復(fù)合組織比例。馬貝復(fù)合組織淬火通過(guò)在Ms和Mf之間調(diào)整淬火冷卻溫度，可以靈活有效地調(diào)整馬貝復(fù)合淬火組織內(nèi)的馬氏體和下貝氏體含量，得到需要的組織和性能，并在一定范圍內(nèi)調(diào)整零件的尺寸脹縮量。

(6)不需要回火，節(jié)約能源，生產(chǎn)周期縮短。馬貝復(fù)合組織淬火后升溫至Ms以上時(shí)，使剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的同時(shí)，對(duì)先生成的馬氏體組織進(jìn)行了充分回火，因而同下貝氏體淬火一樣，不需要回火。

3.3 應(yīng)用示例

294/850軸承外圈外徑1 440 mm, 高度172 mm，有效壁厚120 mm，原使用材料為20Cr2Ni4鋼。采用馬氏體淬火，工藝設(shè)備為大型井式淬火爐，淬火工藝為：加熱溫度870 ℃，保溫時(shí)間80 min；淬火油冷卻，出油溫度110 ℃；空冷至60 ℃，回火(200 ℃，10 h)。淬火后工件需要多次回火，工件有環(huán)狀淬火裂紋出現(xiàn)。

改進(jìn)后使用ZWZ14高碳鉻軸承鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用馬貝復(fù)合組織淬火，工藝設(shè)備仍為大型井式淬火爐，淬火工藝為：加熱溫度870 ℃，保溫時(shí)間80 min；淬火油冷卻，出油溫度110 ℃；出油后，立即在下貝氏體溫度(235 ℃)等溫10 h。淬火完成后無(wú)需回火，工件無(wú)淬火裂紋。

表1 ZWZ14鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

因尚無(wú)馬貝復(fù)合組織淬火的金相標(biāo)準(zhǔn)，馬貝復(fù)合組織淬火的金相組織參考JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》的馬氏體淬火金相標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)。用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)硬度， X-350A型X射線(xiàn)應(yīng)力分析儀檢測(cè)殘余奧氏體含量。ZWZ14鋼淬火對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同淬火方式下ZWZ14鋼組織與性能對(duì)比

由上述分析結(jié)果可知，馬貝復(fù)合組織淬火可以顯著降低裂紋敏感性，淬火后殘余奧氏體量少，尺寸穩(wěn)定性高，淬火后可立即進(jìn)行下貝氏體溫度等溫，不需要進(jìn)一步的空冷或風(fēng)冷，工藝簡(jiǎn)化。

某公司多個(gè)型號(hào)的大型軸承零件原采用20Cr2Ni4鋼制造，改用ZWZ14高碳鉻軸承鋼，并采用了馬貝復(fù)合組織淬火新技術(shù)。改進(jìn)后，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，縮短了生產(chǎn)周期，杜絕了大型軸承零件淬火開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生，減少了零件熱處理殘余奧氏體量，提高了熱處理質(zhì)量，同時(shí)每噸零件節(jié)約材料費(fèi)用約8 000元、熱處理費(fèi)用12 000元。

4 結(jié)束語(yǔ)

馬貝復(fù)合組織淬火新技術(shù)具有淬火組織與性能可調(diào)控、淬火組織與尺寸穩(wěn)定性高、淬火變形量小、淬火裂紋敏感性低等特點(diǎn)和優(yōu)越性，是一種具有顯著優(yōu)點(diǎn)和廣闊應(yīng)用前景的淬火新技術(shù)，但是在這種熱處理新技術(shù)中，材料、熱處理工藝參數(shù)、組織與性能之間的關(guān)系，尚有待深入研究。