国外机械行业的轴承热处理方法(2)

　　5表面改性技术 

　　5.2 离子注入 

　　离子注人与其他表面强化技术相比，具有以下的显著优点：(1)离子注人后的零件，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处理,很适合于航空轴承等精密零件生产的最后一道工序；(2)原则上不受冶金学或平衡相图的限制，可根据零件的工作条件和技术要求，选择需要的任何注人元素，注人剂量和能量，获得预期的高耐磨性或耐腐蚀性等特殊要求的轴承表面，灵活性大，实用性强，对基体材料的选择也可以适当放宽，从而可节省贵重的高合金钢材和其它贵重金属材料；(3)注入层与基体材料结合牢固可靠、无明显界面，在使用中不会产生脱落和剥皮现象，这对提高轴承寿命和工作可靠性来说非常重要；(4)离子注人是一个非高温过程，可以在较低的温度下完成，零件不会发生回火、变形和表面氧化；（5）具有很好的可控性和重复性。欧美等国对离子注入进行了大量的研究。 

　　美国海军实验室从1979年起进行了轴承零件离子注入的研究，英国、丹麦和葡萄牙等国从1989年开始进行与美国海军实验室类似的工作。结果表明：注入铬离子能显著提高M50钢的抗腐蚀性能，而且抗接触疲劳性能也有所提高；此外还用注人硼离子来提高仪表轴承的抗磨损能力；对轴承钢52100进行氮等离子源离子注入（PSⅡ）后在表面形成薄层氮化物，可提高轴承钢的耐蚀性，用于代替昂贵的不锈钢；对SUS440C不锈钢球轴承进行氮、硼离子注入可减小球轴承微小摆动的微振磨损及轴承的灰尘排放，另外，对不锈钢进行（Ti+N）或（Ta+N）等离子体浸没离子注入（PSⅢ）可显著提高其显微硬度、耐磨性和寿命。 

　　5.2 表面涂覆 

　　表面涂覆技术包括：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、射频溅射（RF）、离子喷涂（Plasma spraying coating, PSC）、化学镀等[38~42]。PVD与CVD相比，其工艺过程中被处理工件的温生低，镀后不需再进行热处理，再轴承零件的表面处理中得到较广泛的应用。100Cr6、440C等钢制轴承零件经PVD、CVD或RF镀TiC、TiN、TiAlN等后，可提高轴承零件的耐磨性、接触疲劳抗力，降低表面摩擦系数。 

　　SKF公司近年来开发了两种涂镀技术：一是采用PVD在轴承套圈及滚动体表面镀硬度极高的金刚石结构的碳（Diamond-Like Carbon, DLC），表面硬度比淬硬轴承钢高40~80%、摩擦系数类似于PTFE或MoS2，具有自润滑特性，且与基体结合良好、无剥落，轴承寿命、耐磨性大幅度提高，在断油的情况下仍可正常工作，被称为“NoWear bearing”; 二是采用PSC在轴承的外圈外圆面喷涂一层100μm后的氧化铝，使轴承的绝缘能力高达1000V以上，通过增加氧化铝的厚度使轴承具有更高绝缘能力。涂镀的氧化铝与基体结合牢固，还可提高轴承的耐蚀性，镀后的轴承（INSOCOATTM bearing）可像一般轴承一样进行安装。 

　　低温离子渗硫是20世纪80年代后期出现的表面改性技术。其基本原理与离子渗氮相似，在一定的真空度下，利用高压直流电使含硫气体电离，生成的硫离子轰击工件表面，在工件表面与铁反应生成以FeS为主的10μm左右厚的硫化物层。硫化物是良好的固体润滑剂，有效地降低钢件接触表面的摩擦系数，且随载荷增大，摩擦系数进一步降低，因此可以大大提高重载下轴承的耐磨性，轴承的寿命可提高3倍左右。 

　　低温磷化与渗硫的作用相似。通过把工件放置于40℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸渗4h可在工件表面获得0.05~0.25μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面层，降低摩擦系数、提高耐磨性。经磷化的M50钢轴承在短期断油的情况下不出现卡死，提高了轴承的可靠性。 

　　扩散渗铬是用气体方法（粉末法）在850~1100℃进行，时间为1~9h，根据零件所用钢种（ШХ15、95Х18、55СМ5ФА）及性能需要选用相应的温度和时间，在轴承生产及修复中均可使用。渗后扩散层由Cr2(NC)3、(Cr,Fe)23C6及(Cr,Fe)7C3组成，层深16~27μm，硬度1650~1900HV。渗铬并进行常规热处理后，耐热性、耐蚀性、耐磨性及接触疲劳强度均明显提高。 

　　6 表面加热淬火 

　　感应加热表面淬火是使用较为广泛的方法之一，原苏联对对这一工艺的理论和生产应用开展了较多的研究，其主要应用场合分两类：一是铁路轴承的表面感应加热淬火，采用新材料ШХ4钢制的套圈经感应加热淬火后，表面为硬而耐磨的马氏体组织，心部为韧性较好的索氏体、屈氏体，表面为高达500Mpa的压应力，其使用寿命比ШХ15СГ制轴承高1倍，并且完全消除了套圈使用时突然脆断的现象，提高了轴承的可靠性，性能与低碳钢渗碳淬火相似，但成本远低于后者。同时，也开发出相应的专用感应器和淬火设备，并把这一材料及感应淬火的成果推广到要求耐磨和高韧性的轧机轴承等重载轴承；感应加热表面淬火的另一应用是特大型轴承的热处理，减少大型轴承套圈的淬火变形和硬度不均匀性，同时节省设备的投资费用。日本把表面感应加热淬火成功地应用于汽车等速完向节的热处理，包括阶梯轴、壳体内表面及滚道的淬火均由特制的感应圈一次加热完成。高频热处理和冷锻技术的应用使生产成本大大降低，产品的可靠性也大幅度提高。 

　　激光等高能束表面热处理是近年来开发的新的热处理方法，使用较多的CO2激光束。通过激光加热可获得0.25~2.0mm的硬化层，与其他表面硬化方法相比，其具有硬化层深度及位置控制精确、无变形等优点。高碳铬轴承钢零件经表面激光硬化后淬硬层的马氏体极细小、碳化物分布更均匀、残余奥氏体极少，比一般淬回火具有更高硬度和滑动耐磨性。另外，激光等高能束还可作为表面涂覆工艺的热源，一次可完成表面淬火和涂覆过程，尤其是近年来纳米技术的发展，这一复合工艺过程在精密轴承零件的表面处理中将有广阔的应用前景。 

　　7 轴承热处理装备 

　　7.1 退火设备 

　　工业发达国家早在20世纪六七十年代全面推广推杆式和辊底式等温球化退火炉，缩短退火周期，节约能源，提高退火质量。随着轴承零件加工技术的发展，精密锻造及精密辗扩（冷辗）工艺的采用，零件毛坯的加工精度越来越高，逐步推广少无车削工艺，由此带来了对保护气氛退火的需求。工业发达国家已普遍采用保护气氛退火，以减少退火后的机加工量，提高加工效率，节材节能，降低成本。 

　　7.2 常规马氏体淬火的工装设备 

　　传统的加热设备是不带保护气氛的箱式炉、盐浴炉或井式炉，近几十年来，马氏体淬火的工装设备发展主要集中在以下几个方面： 

　　（1） 自动化生产线 

　　目前，国外采用的自动生产线按其结构（或工件在炉中的运动方式）可分为：有马弗网带炉和无马弗网带炉、铸链炉、辊底炉、滚筒炉系列生产线，从上料、前清洗、保护气氛（或可控气氛）下加热、淬火、后清洗（有时还进行二次深冷）及回火均自动完成。自动化程度及控制精度高，处理后工件的质量均匀，有些生产线还配有在线检测设备对处理后的工件进行变形或质量检测与控制，整条热处理生产线可作为轴承自动生产线的一部分使用。不同的热处理生产线根据其结构特点适用于不同类型和尺寸轴承零件的热处理，如网带炉适用于中小型轴承套圈；辊底炉配有自动升降淬火装置，适用于尺寸较大的轴承零件；滚筒炉适用于滚动体及小型套圈。 

　　（2） 多用炉 

　　多用炉把可控气氛加热和保护气氛下淬火结合为一体，完成工件的无氧化淬火工艺过程，主要适用于小批量多品种的轴承零件热处理。 

　　（3） 感应加热淬回火设备 

　　感应加热具有加热速度快、节能等优点，处理后的工件具有一些常规加热所没有的性能。设备体积小，易于集成到轴承生产线中，实现自动化生产。 

　　（4） 真空炉 

　　真空状态下加热可减少或避免工件的氧化，配合高压气淬可控制工件的冷却及变形，避免了油淬带来的环境污染问题，实现清洁热处理，另外，真空热处理后，工件的显微组织更加细小均匀，表面与心部组织一致，硬度均匀，有利于轴承疲劳寿命的提高。 

　　（5） 淬火冷却介质及装备 

　　淬火介质可分为三大类：油基、水基和气体淬火介质。油基淬火介质是最常用的淬火介质。普通的淬火油是N32或N15机械油，为提高其冷却性能、抗老化性能、光亮性能、高温性能等分别加入催冷剂、清洗剂、光亮剂、抗氧化剂，形成了快速油、快速光亮油、高温分级等温油等系列淬火油以应用于不同尺寸和要求的轴承零件的淬火，另外还有低挥发性的真空淬火油。油基淬火介质的缺点是淬火过程中产生油烟造成空气污染、在随后的清洗过程中造成水污染。 

　　水基淬火介质是由有机聚合物、抗腐蚀剂和其他添加剂组成的水溶液。通过改变有机聚合物的类型和浓度可得到不同的冷却特性以适合于不同轴承零件的淬火冷却要求，在淬火冷却过程中，有机物附着在零件表面可减少零件淬火开裂的危险性，且不产生油烟，清洗方便，无污染，是淬火介质的发展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介质，需对溶液经常进行测试，定期添加有机物溶液以保证其冷却性能。 

　　气体淬火是采用惰性气体为介质（常用的氮气），把压缩气体通过特殊设计的喷嘴喷射到工件表面实现工件的淬火冷却。通过调节气体的压力和喷嘴的结构可以控制冷却特性和变形，如Tinscher等人的研究[11]表明：当氮气的流速达到100m/s时，其冷却特性与油相近，当对工件的表面的光亮度没有特殊的要求时，可采用压缩空气作为淬火介质，淬火时表面形成的3~5μm的氧化层可通过以后的磨加工去除掉。气体淬火比水基淬火更洁净，且成本更低，其关键技术是喷嘴的结构设计。 

　　淬火冷却装备是除淬火介质外影响工件淬火效果的另一大因素。国外对常用的淬火油槽实行多参数控制，如油温、油的冷却特性、油的循环与搅拌的方向及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火组织与性能，同时把变形减小到最小程度。日本NSK等著名轴承公司对淬火油进行定期或在线检测，根据检测结果添加所需的添加剂或更新淬火油；另一方面，对淬火后工件的变形进行在线检测，把变形超差的工件自动分检出去，进行矫正后再进入下道工序，可大大减小工件的磨加工留量。另外，油槽中淬火介质的冷却逐步由水循环冷却改为全风冷，利用空气作为冷却介质节省大量的水资源。 

　　多工位自动淬火压床也是国外普遍采用的淬火工装，可自动完成升降、上下料、喷油冷却、油温调节及张紧（或压力）的调节等动作，微机控制，生产节拍可调，可作为轴承自动生产线的一部分适用。 

　　（6） 清洗设备 

　　清洗通常是油淬后的必备工序。连续生产线所用的清洗设备一般完成热皂水浸泡、清水喷淋、热风烘干等过程，并带有油水分离装置。先进的清洗设备中，在烘干前还加有二次冷却装置（配有制冷设备，温度在5~10℃之间可调），以减少残余奥氏体的含量，提高尺寸稳定性。 

　　真空清洗是近年来发展起来的清洗设备。其利用淬火油等挥发性液体减压后沸点下降和油、水、水蒸气等有机液一起加热其沸点亦下降的原理进行清洗；另外，使用特殊的气、液混合泵产生微小的空气泡混入清洗液中，利用微气泡在工件表面破裂时产生的爆破力破坏污渍和工件的结合力，从而进一步提高真空清洗的效果。在前室清洗后，进入后真空室，通过抽真空将残存的油和水蒸发出来并进行真空快速干燥。该类清洗设备的优点是：清洗效果好，尤其是对结构复杂的零件，清洗效果更为显著，清洗后工件表面光亮；安全、清洁，清洗液为清水，不加对环境有害的氯化物和石油类溶剂；自动化程度高，且可利用清洗加热替代低温回火，节省回火费用。 

　　7.3贝氏体等温淬火装备 

　　根据轴承加工的特点，所使用的设备主要有两大类：自动生产线和周期炉。 

　　（1）自动生产线：品种少、批量大的轴承适合自动化生产，如铁路轴承的生产多使用自动生产线。自动生产线主要由保护气氛加热炉和等温淬火槽组成，其中等温淬火部分所用设备按运送工件的动作又可分为三类：转底、推盘及输送带式。由爱协林公司开发的转底、推盘式等温淬火设备是把转底或推盘机构置于等温盐浴中，工件按一定的节拍进出，记忆控制顺序出料，动作由PLC程序控制，该类设备自动化程度高，投资大；由沙菲公司开发的输送带式等温淬火自动线与目前普遍使用的网带式保护气氛淬火自动线结构原理相似，只是所用淬火介质为盐浴，这类设备一般只适用于小尺寸的零件。 

　　（2）周期式等温淬火设备：轧机轴承由于品种多、批量小，中小型轧机轴承生产厂家多采用箱式炉+淬火冷却槽+等温槽+清洗槽，也有采用箱式炉+多个等温槽。该配置投资少，适用性强，但劳动强度大，安全性差。易普森公司把多用炉和贝氏体淬火等温结合为一体,避免了由加热设备到等温淬火之间的氧化,且等温采用空气炉,配一套残盐回收系统,避免了残盐的环境污染。除此之外，可利用多用炉的特点进行小批量多品种轴承零件的处理，克服了一般自动等温设备的尺寸限制。目前，在贝氏体等温淬火大力推广之际，该设备具有很大的推广价值。 

　　7.4 保护气氛及控制 

　　随着对工件淬火后表面质量要求的提高，保护（可控）气氛加热越来越普及，包括退火在内的热处理均采用保护（或可控）气氛加热。20世纪70年代，主要采用吸热式气氛。吸热式气氛是原料气和空气的混合气体在催化剂的作用下部分反应形成一种含18～23%CO、37～42%H2、余量N2的保护气氛。80年代，国际能源危机给世界经济以巨大冲击，氮基气氛应运而生，氮-甲醇气氛的组份与吸热式气氛相近，以氮-甲醇为代表的氮基气氛得到广泛推广。90年代，出现了把空气和碳氢化合物直接通入高于800°C炉膛内的产气方法，即直生式气氛。通过研究发现，这种含有高CH4成分的气氛，虽然其气体反应达不到类似于吸热式气氛的平衡程度，但其碳的传输能力还是由气氛中CO与H2的含量来控制，用氧探头结合CO2分析仪进行碳势控制是可以实现的。直生式气氛的主要优点是大量节省了原料气消耗量，据统计这种气氛无论用在周期式气氛炉还是连续性气氛炉，其原料气消耗节省费用70%左右。今天，全球约有300多台套气氛炉使用这种气氛进行渗碳、碳氮共渗、保护气氛淬火等多种热处理。 

　　近几年的实际应用表明，氧探头的使用寿命是不定的，氧探头信号的逐步漂移是固定电解质的典型缺陷所致。由于这种漂移主要受炉子运行工况的影响，而且漂移的开始及大幅度的漂移是不可预见的，所以由氧探头测量的碳势与实际值之间差异也是不可预见的。因此，人们定期校验其测量精度，例如，一个星期一次，用钢箔定碳片来检测氧探头信号是否失真，这真是一个麻烦的工作，不利于炉子实现全自动化，有时甚至会影响正常生产。鉴于上述原因，Ipsen开发了一个双重测量系统。 

　　其中一个带标准氧探头用于正常的控制碳势，另一个独立测量系统用于检测这个氧探头的工作状况，即这两个系统分别测量气氛的碳势，当结果出现很大偏差时，就会报警。这第二个测量系统工作元件可以是CO2红外分析仪，也可以是一个微型氧探头（λ-探头），迄今为止，已有许多气氛炉安装了这种双重测量系统。  

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