轴承制造技术——热处理

发布时间：2022-02-21

来源：轴承杂志社

要满足轴承性能要求，以淬火硬化为目的的热处理是不可少的工序。热处理工序中所消耗的能源占轴承制造工序总能耗的25%左右。因此，从节能、环保角度，对轴承制造过程中的热处理进行分析，主要的对策包括：热处理工序的高效化；小变形热处理技术等。

1　轴承的热处理方法

以淬火硬化为目的的轴承热处理方法有多种，多数情形下可大致分为整体淬火、渗碳淬火、高频淬火、碳氮共渗等。

整体淬火是Z普通的轴承热处理工艺，材料多数使用高碳铬轴承钢(GCr15)。在热处理炉中加热到840 ℃左右，并使球化退火所形成的碳化物在基体中适度、均匀地固溶，进而淬火冷却后，实施低温回火。通过未溶碳化物与回火析出的碳化物，获得均匀的析出组织，可用于要求耐磨的轴承。

渗碳淬火是在热处理炉中将低碳合金钢于930 ℃左右保温，管理炉内的渗碳性气体，从表面到内部使碳渗入扩散，进行淬火的热处理，由于碳浓度的梯度，淬火后的表面硬化，因内部比表面硬度低，用于要求耐冲击性的轴承。

高频淬火是利用感应加热的热处理，主要用于中碳钢，应用于形状复杂的汽车车轮用轴承等，只硬化必要部位。

碳氮共渗是在渗碳性气体中添加5%左右的氨，在表面层附近析出氮化物。考虑到，奥氏体中的碳与氮的溶解度差异，通常是在低于渗碳温度的750~850 ℃下进行处理，尤其是对于在混入异物的环境下使用的轴承的长寿命化Z有效。

2　热处理高效化（压缩渗碳时间）

在渗碳淬火热处理中，尤其要求通过高效化以实现节能，与整体淬火的处理时间相比，渗碳淬火的处理时间长达前者的几倍到数十倍(处理时间随着轴承尺寸不同而有差异，但大尺寸轴承有时候要在炉中经过将近100 h的处理)，因此消耗较多的能源，为降低能耗，缩短渗碳时间是有待解决的一大课题。

气体渗碳广泛应用于批量生产。通常，按照渗碳的机理，一般认为有2个阶段。在第1阶段是由于渗碳气体与钢材的渗碳反应，碳向钢材表面移动的阶段；第2阶段，渗碳气体与钢材表面的碳势大致相等之后，钢材表面的碳向内部扩散，表面碳势降低，由渗碳气体补充，要缩短渗碳时间有必要提高第1，2阶段的速度。

使用普通的RX气体进行气体渗碳时，为加速其第1阶段的渗碳，一般要加大渗碳气体中的CO, H2的分压力。近年来，正在着眼于改变渗碳气体中所含CO, H2的分压力，开发旨在提高渗碳速度、压缩渗碳时间的技术此外，作为替代气体渗碳的渗碳工艺，通过在称为真空渗碳的低压气氛中，使少量的碳化氢系气体直接与工件接触，以进行渗碳，提高碳在钢表面的渗入速度。

在碳扩散的第2阶段，由于碳的扩散依赖于温度，通过提高渗碳温度，可以大幅度缩短渗碳时间。不过，由于渗碳温度高，晶粒粗大化等重要原因，会导致机械性能降低，所以，渗碳温度存在不能超过晶粒粗化极限温度的问题。开发可解决上述问题的材料也是解决问题的途径。

从材料方面考虑，需开发新的材料，即容易使碳渗入钢材表面的材料。此外，通过使用高淬透性的材料，使有效硬化层深度加深，能缩短渗碳时间，但目前来看，这样的新材料价格较高。

3　小变形热处理技术

热处理过程中会发生变形，热处理后的变形量决定了后续磨削工序(图1)的磨削余量。轴承的制造工序中，仅次于热处理能耗的是磨削、组装工序,通过减小磨削余量可压缩磨削的循环时间，降低热处理变形关系到削减大量能耗。

图1  轴承的普通制造工序

以轴承钢热处理时的尺寸变化(图2)为例，随着加热时的温升，发生热膨胀与奥氏体化，并在冷却时产生热收缩，马氏体相变时产生热处理变形。这样一来，热处理时有很多引起尺寸变化的要素，由于该尺寸变化时产生偏差，而发生热处理变形。该尺寸变化的偏差，是加热、冷却时的温度偏差引起，均匀地加热、冷却可降低热处理变形。

为此，防止热处理变形的对策有以下几种：以降低加热时的温度不均为目的的多级升温；以降低冷却时的温度不均为目的的多级冷却；还有淬火油种类、油槽搅拌速度的Z优化之类的措施。近年来，也在采取其他对策：如，通过模拟热处理时油槽内的油液流动，进行分析，开发形成均匀油液流动的油槽；通过改善热处理夹具，能实现均匀加热、冷却。

此外，尤其在容易?生热处理变形的薄壁轴承方面，根据热处理时温度与尺寸变化的关系(图2)进行淬火(压模淬火)。如果是轴承钢，经整体淬火引起的相变导致尺寸膨胀，在Ms点之后，约束外径侧，并用压力机一边控制工件上下方向，一边完成淬火。由于渗?淬火完成后尺寸几乎没有改变，淬火过程中发生热收缩，一边用压力机控制并约束内径侧，一边实施淬火，进而大幅度地降低热处理变形(图3)。

在热处理的尺寸变化时，利用该变化进行约束淬火是降低热处理变形的有效对策之一。轴承并不像齿轮那样形状复杂，由于形状简单，一直在实施约束淬火，不过，约束淬火的热处理成本比普通热处理费用高是有待解决的问题。

图2  热处理时温度与尺寸变化

图3  约束淬火方法

因此，开发出不产生热处理变形的热处理技术，是一项有意义的研究工作。针对影响钢材变形的因素，也可采取适当的对策，例如，减少材料偏析，在不进行锻造工序时，降低材料的残余应力等。

小结

上面阐述了轴承的几种典型热处理方法，与以节能为目的的高效化与低变形热处理技术，但为了适应减轻环境负担的要求，热处理工序方面发挥更大的作用，进一步提高技术水平是不可缺少的，有必要以节能为核心，进一步实现低成本化。