大直徑不銹鋼軸承套圈熱處理工藝分析

李孟喜，龔建勛，李生新

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.蘭州鐵路局 物資處，蘭州 730000）

1 套圈及材料

圖1所示為某型號大直徑軸承內(nèi)、外圈示意圖。該軸承工作環(huán)境較為惡劣，根據(jù)工作條件選用9Cr18鋼制造。該鋼種屬馬氏體不銹鋼，其中的Cr是不銹鋼的基本元素，是一種鐵素體形成元素。當(dāng)Cr的含量大于12%時，在鋼的表面生成致密的保護膜，使材料的電極電位大大提高。Cr的作用是遵循N／8規(guī)律突變的，12.5%是第一個突變值；Mo可增加鋼的鈍化作用和抗蝕性，阻止點腐蝕；V是強烈的碳化物形成元素，可以阻止晶粒長大，提高強度及耐磨性；C是奧氏體形成元素，與Cr，Mo，V等元素形成一系列復(fù)雜碳化物，提高強度、硬度及耐磨性，而且還有高的耐腐蝕、耐高溫和耐低溫的能力［1-3］。主要用于制造在海水、河水、酸性、海洋性等介質(zhì)和在低溫、高溫下工作的軸承［4-5］。

圖1 某型號軸承內(nèi)、外圈結(jié)構(gòu)示意圖

該軸承套圈熱處理后技術(shù)要求：（1）表面硬度≥58 HRC，同一零件硬度均勻性≤2 HRC；（2）直徑變動量≤2.0 mm，端面翹曲≤1.1 mm（機械加工工藝對熱處理的要求）；（3）淬、回火組織按JB／T 1460標(biāo)準(zhǔn)第二級別圖評定，2～5級為合格組織，當(dāng)淬、回火組織介于1～2級之間時，以硬度為準(zhǔn)。

2 工藝對性能的影響分析

利用設(shè)計的不同熱處理規(guī)范對試樣進行熱處理后，分別測定硬度、殘余奧氏體量和沖擊韌性，并對試樣進行了金相組織觀察。這里著重分析淬火溫度對材料性能的影響規(guī)律。

2.1 淬火溫度對硬度的影響

淬火溫度對硬度的影響見圖2。隨著淬火溫度的提高，材料的硬度先增加后減小，當(dāng)淬火溫度為1 060℃時硬度最大，達到62 HRC。

圖2 淬火溫度對硬度的影響

2.2 冷處理溫度和回火溫度對硬度的影響

冷處理溫度及回火溫度對硬度的影響分別見圖3和圖4。由圖可以看出，隨著冷處理和回火溫度的提高，零件硬度均呈下降趨勢。

圖3 冷處理溫度對硬度的影響

圖4 回火溫度對硬度的影響

2.3 淬火溫度對殘余奧氏體含量和沖擊功的影響

淬火溫度對殘余奧氏體含量和沖擊功的影響分別見圖5和圖6。由圖可知，隨著淬火溫度的升高，殘余奧氏體含量逐步升高，而沖擊功則逐步下降。

圖5 淬火溫度對殘余奧氏體含量的影響

圖6 淬火溫度對沖擊功的影響

9Cr18鋼淬火硬度主要取決于馬氏體、二次殘留碳化物和殘余奧氏體的合理匹配。隨著淬火溫度的升高，二次碳化物逐漸溶解，奧氏體中含碳量和合金化程度也逐漸增加，引起Ms下降，超過1 150℃淬火，Ms下降到室溫以下。因此，淬火溫度越高，殘余奧氏體量越多。

隨著馬氏體中含碳量和合金元素量的增加，馬氏體被強化，同時殘余奧氏體量也在增加，這兩個因素的相互作用，表現(xiàn)在淬火后的硬度出現(xiàn)一個最高點，即在1 050～1 060℃淬火硬度最高，達到60～62 HRC；繼續(xù)提高淬火溫度，超過1 100℃時，由于殘余奧氏體大量增加，淬火后硬度急劇下降（1 150℃淬火硬度僅為44 HRC）。因此，合理選擇淬火溫度對于保證9Cr18鋼的淬火硬度是非常重要的［6］。

殘余奧氏體量直接影響著零件的淬火硬度和尺寸穩(wěn)定性，淬火溫度和冷處理對殘余奧氏體量有直接影響。冷處理使9Cr18鋼殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體有著明顯效果，淬火溫度越高，冷處理效果越顯著，因此，冷處理是減少9Cr18鋼殘余奧氏體量，提高強度、硬度、穩(wěn)定尺寸的重要措施。

9Cr18鋼沖擊韌性主要決定于淬火后的強度相馬氏體和塑性相奧氏體的合理匹配，即未回火時沖擊值僅決定于淬火狀態(tài)馬氏體濃度和殘余奧氏體量。因而馬氏體濃度低和殘余奧氏體量多時沖擊功較高。

3 工藝與設(shè)備的改進及效果

3.1 熱處理工藝

該套圈直徑較大，壁厚相對較薄，選擇工藝規(guī)范時除了考慮性能要求外，還應(yīng)盡可能減少加工過程可能出現(xiàn)的畸變。因此，在加熱過程中增加了850℃保溫1 h的預(yù)熱工序，以盡可能減少加熱過程的應(yīng)力；預(yù)熱的同時將另一爐升溫，到溫后立即將預(yù)熱后的零件放入，這樣可以減少升溫過程的應(yīng)力；淬火時應(yīng)提高淬火油溫，出油溫度也相應(yīng)提高，并趁熱采取內(nèi)撐法頂形校正；冷處理和回火過程均延長了保溫時間，使得殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變及回火更充分均勻。具體熱處理工藝曲線見圖7。

圖7 熱處理工藝曲線

3.2 熱處理設(shè)備

淬火加熱溫度選擇在1 060℃，為防止套圈表面氧化脫碳和腐蝕，一般采取鹽爐或真空爐進行加熱。由于該零件尺寸過大（1 300 mm），無合適尺寸的鹽爐和真空爐。本試驗中對現(xiàn)有的井式加熱爐ц-251進行了改造：更換了加熱元件，使?fàn)t溫可升到1 000℃以上；改進了溫控系統(tǒng)，提高了控溫精度。改造后的設(shè)備可以滿足工藝要求。

3.3 實際效果

對該零件所要求的的各項性能指標(biāo)進行了檢驗，結(jié)果如表1所示，各性能均滿足產(chǎn)品的熱處理技術(shù)要求。圖8為零件淬、回火金相組織，經(jīng)評定為2級，達到技術(shù)要求。

表1 零件檢驗結(jié)果

圖8 零件金相組織（500×）

4 結(jié)論

（1）通過試驗確定了適用于9Cr18鋼制大直徑軸承套圈淬火、冷處理和低溫回火的工藝規(guī)范，加工后各項性能指標(biāo)及金相組織均滿足技術(shù)要求。

（2）9Cr18鋼最佳熱處理工藝規(guī)范為：1 060℃淬火＋-70℃冷處理＋160℃低溫回火。