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軸承熱處理方法  2007/8/10 
 
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 1.離子注入

   

      離子注人與其他表麵強化技術相比,具有以下的顯著優點:(1)離子注人後的零件,能很好地保持原有的尺寸精度和表麵粗糙度,不需要再做其它表麵加工處理,很適合於航空軸承等精密零件生產的最後一道工序;(2)原則上不受冶金學或平衡相圖的限製,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麵,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、無明顯界麵,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、變形和表麵氧化;(5)具有很好的可控性和重複性。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)後在表麵形成薄層氮化物,可提高軸承鋼的耐蝕性,用於代替昂貴的不鏽鋼;對SUS440C不鏽鋼球軸承進行氮、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,對不鏽鋼進行(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。

   

      2 表麵塗覆

   

      表麵塗覆技術包括:物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、射頻濺射(RF)、離子噴塗(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,鍍後不需再進行熱處理,再軸承零件的表麵處理中得到較廣泛的應用。100Cr6、440C等鋼製軸承零件經PVD、CVD或RF鍍TiC、TiN、TiAlN等後,可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力,降低表麵摩擦係數。

   

      SKF公司近年來開發了兩種塗鍍技術:一是采用PVD在軸承套圈及滾動體表麵鍍硬度極高的金剛石結構的碳(Diamond-Like Carbon, DLC),表麵硬度比淬硬軸承鋼高40~80%、摩擦係數類似於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在軸承的外圈外圓麵噴塗一層100μm後的氧化鋁,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。塗鍍的氧化鋁與基體結合牢固,還可提高軸承的耐蝕性,鍍後的軸承(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年代後期出現的表麵改性技術。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麵,在工件表麵與鐵反應生成以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麵的摩擦係數,且隨載荷增大,摩擦係數進一步降低,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。通過把工件放置於40℃的TAP溶液(磷酸十三烷酸脂)中浸滲4h可在工件表麵獲得0.05~0.25μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表麵層,降低摩擦係數、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,在軸承生產及修複中均可使用。滲後擴散層由Cr2(NC)3、(Cr,Fe)23C6及(Cr,Fe)7C3組成,層深16~27μm,硬度1650~1900HV。滲鉻並進行常規熱處理後,耐熱性、耐蝕性、耐磨性及接觸疲勞強度均明顯提高[42]。

   

      3 表麵加熱淬火

   

      感應加熱表麵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:一是鐵路軸承的表麵感應加熱淬火,采用新材料ШХ4鋼製的套圈經感應加熱淬火後,表麵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,表麵為高達500Mpa的壓應力,其使用壽命比ШХ15СГ製軸承高1倍,並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,但成本遠低於後者。同時,也開發出相應的專用感應器和淬火設備,並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;感應加熱表麵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]把表麵感應加熱淬火成功地應用於汽車等速完向節的熱處理,包括階梯軸、殼體內表麵及滾道的淬火均由特製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。

   

      激光等高能束表麵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,與其他表麵硬化方法相比,其具有硬化層深度及位置控製精確、無變形等優點。高碳鉻軸承鋼零件經表麵激光硬化後淬硬層的馬氏體極細小、碳化物分布更均勻、殘餘奧氏體極少,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麵塗覆工藝的熱源,一次可完成表麵淬火和塗覆過程,尤其是近年來納米技術的發展,這一複合工藝過程在精密軸承零件的表麵處理中將有廣闊的應用前景。

   

      4 軸承熱處理裝備

   

      4.1 退火設備

   

      工業發達國家早在20世紀六七十年代全麵推廣推杆式和輥底式等溫球化退火爐,縮短退火周期,節約能源,提高退火質量。隨著軸承零件加工技術的發展,精密鍛造及精密輾擴(冷輾)工藝的采用,零件毛坯的加工精度越來越高,逐步推廣少無車削工藝,由此帶來了對保護氣氛退火的需求。工業發達國家已普遍采用保護氣氛退火,以減少退火後的機加工量,提高加工效率,節材節能,降低成本。

   

      4.2 常規馬氏體淬火的工裝設備

   

      傳統的加熱設備是不帶保護氣氛的箱式爐、鹽浴爐或井式爐,近幾十年來,馬氏體淬火的工裝設備發展主要集中在以下幾個方麵:

   

      (1) 自動化生產線

   

      目前,國外采用的自動生產線按其結構(或工件在爐中的運動方式)可分為:有馬弗網帶爐和**弗網帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐係列生產線,從上料、前清洗、保護氣氛(或可控氣氛)下加熱、淬火、後清洗(有時還進行二次深冷)及回火均自動完成。自動化程度及控製精度高,處理後工件的質量均勻,有些生產線還配有在線檢測設備對處理後的工件進行變形或質量檢測與控製,整條熱處理生產線可作為軸承自動生產線的一部分使用。不同的熱處理生產線根據其結構特點適用於不同類型和尺寸軸承零件的熱處理,如網帶爐適用於中小型軸承套圈;輥底爐配有自動升降淬火裝置,適用於尺寸較大的軸承零件;滾筒爐適用於滾動體及小型套圈。

   

      (2) 多用爐

   

      多用爐把可控氣氛加熱和保護氣氛下淬火結合為一體,完成工件的無氧化淬火工藝過程,主要適用於小批量多品種的軸承零件熱處理。

   

      (3) 感應加熱淬回火設備

   

      感應加熱具有加熱速度快、節能等優點,處理後的工件具有一些常規加熱所沒有的性能。設備體積小,易於集成到軸承生產線中,實現自動化生產。

   

      (4) 真空爐

   

      真空狀態下加熱可減少或避免工件的氧化,配合高壓氣淬可控製工件的冷卻及變形,避免了油淬帶來的環境汙染問題,實現清潔熱處理,另外,真空熱處理後,工件的顯微組織更加細小均勻,表麵與心部組織一致,硬度均勻,有利於軸承疲勞壽命的提高。

   

      (5) 淬火冷卻介質及裝備

   

      淬火介質可分為三大類:油基、水基和氣體淬火介質。油基淬火介質是最常用的淬火介質。普通的淬火油是N32或N15機械油,為提高其冷卻性能、抗老化性能、光亮性能、高溫性能等分別加入催冷劑、清洗劑、光亮劑、抗氧化劑,形成了快速油、快速光亮油、高溫分級等溫油等係列淬火油以應用於不同尺寸和要求的軸承零件的淬火,另外還有低揮發性的真空淬火油。油基淬火介質的缺點是淬火過程中產生油煙造成空氣汙染、在隨後的清洗過程中造成水汙染。

   

      水基淬火介質是由有機聚合物、抗腐蝕劑和其他添加劑組成的水溶液。通過改變有機聚合物的類型和濃度可得到不同的冷卻特性以適合於不同軸承零件的淬火冷卻要求,在淬火冷卻過程中,有機物附著在零件表麵可減少零件淬火開裂的危險性,且不產生油煙,清洗方便,無汙染,是淬火介質的發展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介質,需對溶液經常進行測試,定期添加有機物溶液以保證其冷卻性能。

   

      氣體淬火是采用惰性氣體為介質(常用的氮氣),把壓縮氣體通過特殊設計的噴嘴噴射到工件表麵實現工件的淬火冷卻。通過調節氣體的壓力和噴嘴的結構可以控製冷卻特性和變形,如Tinscher等人的研究[11]表明:當氮氣的流速達到100m/s時,其冷卻特性與油相近,當對工件的表麵的光亮度沒有特殊的要求時,可采用壓縮空氣作為淬火介質,淬火時表麵形成的3~5μm的氧化層可通過以後的磨加工去除掉。氣體淬火比水基淬火更潔淨,且成本更低,其關鍵技術是噴嘴的結構設計。

   

      淬火冷卻裝備是除淬火介質外影響工件淬火效果的另一大因素。國外對常用的淬火油槽實行多參數控製,如油溫、油的冷卻特性、油的循環與攪拌的方向及速度、工件入油的方式等,以求得到最佳的淬火組織與性能,同時把變形減小到最小程度。日本NSK等著名軸承公司對淬火油進行定期或在線檢測,根據檢測結果添加所需的添加劑或更新淬火油;另一方麵,對淬火後工件的變形進行在線檢測,把變形超差的工件自動分檢出去,進行矯正後再進入下道工序,可大大減小工件的磨加工留量。另外,油槽中淬火介質的冷卻逐步由水循環冷卻改為全風冷,利用空氣作為冷卻介質節省大量的水資源。

   

      多工位自動淬火壓床也是國外普遍采用的淬火工裝,可自動完成升降、上下料、噴油冷卻、油溫調節及張緊(或壓力)的調節等動作,微機控製,生產節拍可調,可作為軸承自動生產線的一部分適用。

   

      (6) 清洗設備

   

      清洗通常是油淬後的必備工序。連續生產線所用的清洗設備一般完成熱皂水浸泡、清水噴淋、熱風烘幹等過程,並帶有油水分離裝置。先進的清洗設備中,在烘幹前還加有二次冷卻裝置(配有製冷設備,溫度在5~10℃之間可調),以減少殘餘奧氏體的含量,提高尺寸穩定性。

   

      真空清洗是近年來發展起來的清洗設備。其利用淬火油等揮發性液體減壓後沸點下降和油、水、水蒸氣等有機液一起加熱其沸點亦下降的原理進行清洗;另外,使用特殊的氣、液混合泵產生微小的空氣泡混入清洗液中,利用微氣泡在工件表麵破裂時產生的爆破力破壞汙漬和工件的結合力,從而進一步提高真空清洗的效果。在前室清洗後,進入後真空室,通過抽真空將殘存的油和水蒸發出來並進行真空快速幹燥。該類清洗設備的優點是:清洗效果好,尤其是對結構複雜的零件,清洗效果更為顯著,清洗後工件表麵光亮;安全、清潔,清洗液為清水,不加對環境有害的氯化物和石油類溶劑;自動化程度高,且可利用清洗加熱替代低溫回火,節省回火費用。

   

      4.3貝氏體等溫淬火裝備

   

      根據軸承加工的特點,所使用的設備主要有兩大類:自動生產線和周期爐。

   

      (1)自動生產線:品種少、批量大的軸承適合自動化生產,如鐵路軸承的生產多使用自動生產線。自動生產線主要由保護氣氛加熱爐和等溫淬火槽組成,其中等溫淬火部分所用設備按運送工件的動作又可分為三類:轉底、推盤及輸送帶式。由愛協林公司開發的轉底、推盤式等溫淬火設備是把轉底或推盤機構置於等溫鹽浴中,工件按一定的節拍進出,記憶控製順序出料,動作由PLC程序控製,該類設備自動化程度高,投資大;由沙菲公司開發的輸送帶式等溫淬火自動線與目前普遍使用的網帶式保護氣氛淬火自動線結構原理相似,隻是所用淬火介質為鹽浴,這類設備一般隻適用於小尺寸的零件。

   

      (2)周期式等溫淬火設備:軋機軸承由於品種多、批量小,中小型軋機軸承生產廠家多采用箱式爐+淬火冷卻槽+等溫槽+清洗槽,也有采用箱式爐+多個等溫槽。該配置投資少,適用性強,但勞動強度大,安全性差。易普森公司把多用爐和貝氏體淬火等溫結合為一體,避免了由加熱設備到等溫淬火之間的氧化,且等溫采用空氣爐,配一套殘鹽回收係統,避免了殘鹽的環境汙染。除此之外,可利用多用爐的特點進行小批量多品種軸承零件的處理,克服了一般自動等溫設備的尺寸限製。目前,在貝氏體等溫淬火大力推廣之際,該設備具有很大的推廣價值。

   

      4.4 保護氣氛及控製

   

      隨著對工件淬火後表麵質量要求的提高,保護(可控)氣氛加熱越來越普及,包括退火在內的熱處理均采用保護(或可控)氣氛加熱。20世紀70年代,主要采用吸熱式氣氛。吸熱式氣氛是原料氣和空氣的混合氣體在催化劑的作用下部分反應形成一種含18~23%CO、37~42%H2、餘量N2的保護氣氛。80年代,國際能源危機給世界經濟以巨大衝擊,氮基氣氛應運而生,氮-甲醇氣氛的組份與吸熱式氣氛相近,以氮-甲醇為代表的氮基氣氛得到廣泛推廣。90年代,出現了把空氣和碳氫化合物直接通入高於800°C爐膛內的產氣方法,即直生式氣氛。通過研究發現,這種含有高CH4成分的氣氛,雖然其氣體反應達不到類似於吸熱式氣氛的平衡程度,但其碳的傳輸能力還是由氣氛中CO與H2的含量來控製,用氧探頭結合CO2分析儀進行碳勢控製是可以實現的。直生式氣氛的主要優點是大量節省了原料氣消耗量,據統計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續性氣氛爐,其原料氣消耗節省費用70%左右。今天,全球約有300多台套氣氛爐使用這種氣氛進行滲碳、碳氮共滲、保護氣氛淬火等多種熱處理。

   

      近幾年的實際應用表明,氧探頭的使用壽命是不定的,氧探頭信號的逐步漂移是固定電解質的典型缺陷所致。由於這種漂移主要受爐子運行工況的影響,而且漂移的開始及大幅度的漂移是不可預見的,所以由氧探頭測量的碳勢與實際值之間差異也是不可預見的。因此,人們定期校驗其測量精度,例如,一個星期一次,用鋼箔定碳片來檢測氧探頭信號是否失真,這真是一個麻煩的工作,不利於爐子實現全自動化,有時甚至會影響正常生產。鑒於上述原因,Ipsen開發了一個雙重測量係統。

   

      其中一個帶標準氧探頭用於正常的控製碳勢,另一個獨立測量係統用於檢測這個氧探頭的工作狀況,即這兩個係統分別測量氣氛的碳勢,當結果出現很大偏差時,就會報警。這第二個測量係統工作元件可以是CO2紅外分析儀,也可以是一個微型氧探頭(λ-探頭),迄今為止,已有許多氣氛爐安裝了這種雙重測量係統。

 
 
      
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