深冷處理原理及其在軸承零件加工中的應(yīng)用

劉秀蓮， 羅 燕， 班 君

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 工程技術(shù)部,黑龍江 哈爾濱150025; 2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱150025）

深冷處理原理及其在軸承零件加工中的應(yīng)用

劉秀蓮1， 羅 燕2， 班 君2

（1.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 工程技術(shù)部,黑龍江 哈爾濱150025; 2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，黑龍江 哈爾濱150025）

作為一種新型的熱處理工藝，深冷處理備受關(guān)注。通過介紹深冷處理的原理、對材料組織的影響及具體的操作工藝，對提高軸承的性能和壽命將有重要意義。

軸承零件；深冷處理；奧氏體；馬氏體；碳化物

1 前言

隨著航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，對軸承的要求也越來越高，深冷技術(shù)應(yīng)用于軸承零件，以提高軸承的耐磨性和強(qiáng)韌性，穩(wěn)定尺寸、減小變形、進(jìn)而提高軸承的使用壽命。

一般把鋼熱處理后冷卻到0～-130℃的處理方法稱為普通冷處理，而把低于-130℃（通常為-130℃～-196℃）的冷處理叫做深冷處理。深冷處理是指以液氮為制冷劑在低于-130℃的溫度對材料進(jìn)行處理的方法，該方法能改變材料的力學(xué)性能，可在不降低材料強(qiáng)度及硬度的情況下，顯著提高材料的韌性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 深冷處理原理及對材料組織的影響

鋼的淬火過程就是使鋼獲得馬氏體的過程，而淬火不能使鋼中奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，各種鋼材熱處理后都有部分殘余奧氏體，其數(shù)量隨鋼種及加熱溫度不同而變化，同時還有一定的殘余應(yīng)力存在，對零件的使用性能會產(chǎn)生一定的影響。深冷處理能使鋼中奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并能改善和消除鋼中殘余應(yīng)力的分布，析出更多的細(xì)小碳化物，從而起到彌散強(qiáng)化的作用，對無相變材料能使晶界發(fā)生畸變，從而增強(qiáng)基體性能。

2.1 殘余奧氏體的改變

低溫下（即Mf點(diǎn)以下）殘余奧氏體發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，提高了零件的硬度和強(qiáng)度。深冷處理可以減少殘余奧氏體的數(shù)量，深冷處理還能改變殘余奧氏體的形狀、分布和亞結(jié)構(gòu)，有利于提高鋼的強(qiáng)韌性。

2.2 碳化物析出

從馬氏體中析出超細(xì)碳化物，從而產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。主要原因?yàn)轳R氏體經(jīng)-196℃深冷，由于體積收縮，F(xiàn)e的晶格常數(shù)有縮小的趨勢，從而加強(qiáng)了碳原子析出的驅(qū)動力，但由于低溫下的擴(kuò)散更為困難，擴(kuò)散距離更短，于是在馬氏體的基體上析出了大量的彌散的超微細(xì)碳化物。經(jīng)過深冷處理的零件和未經(jīng)深冷處理的零件相比，碳化物體積分?jǐn)?shù)增加了近一倍，大量碳化物的析出，提高了軸承零件的硬度和韌性。

2.3 組織細(xì)化

深冷處理能夠使馬氏體析出彌散碳化物，使組織晶粒細(xì)化，從而提高零件的強(qiáng)度和韌性，使原來粗大的馬氏體板條發(fā)生了碎化。晶粒細(xì)化是由于馬氏體點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生了變化，也有學(xué)者認(rèn)為馬氏體分解析出微細(xì)碳化物時造成了組織細(xì)化。

2.4 表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力

深冷過程中容易在零件缺陷（微孔）、內(nèi)應(yīng)力集中的部位和空位表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力可以減輕缺陷對材料局部強(qiáng)度的損害，最終表現(xiàn)為材料磨損抗力的提高。

2.5 深冷處理部分轉(zhuǎn)移了金屬原子的動能

原子間既存在使原子緊靠在一起的結(jié)合力，又存在使之分開的動能。深冷處理轉(zhuǎn)移了部分原子間的動能，從而使原子之間的結(jié)合更緊密，提高了材料的強(qiáng)度和韌性。

3 深冷處理的優(yōu)點(diǎn)

精密軸承對尺寸穩(wěn)定性要求較高，軸承零件淬火后，內(nèi)部組織仍保留較多的殘余奧氏體，這種殘余奧氏體是不穩(wěn)定的組織，在軸承儲存和使用過程中，會不斷地發(fā)生變化，從而改變軸承的精度。

通過對軸承零件進(jìn)行深冷處理或普通冷處理，可以增強(qiáng)抗磨性、強(qiáng)度和韌性，提高抗腐蝕性、抗沖擊性，消除內(nèi)應(yīng)力，提高抗疲勞強(qiáng)度，同時，防止時效變形，延長了軸承的使用壽命。

4 軸承零件冷處理工藝

4.1 回火工藝和冷處理工藝順序

按回火工藝的順序，軸承零件冷處理可分為回火前冷處理和回火后冷處理?；鼗鹎袄涮幚砟茌^大地提高零件的切削性，回火后冷處理能大幅提高零件的力學(xué)性能，使硬度較低的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檩^硬的、更穩(wěn)定的、耐磨性和抗熱性更高的馬氏體。

GCr15、9Cr18鋼制軸承零件熱處理工藝路線為：淬火→冷處理→回火。

8Cr4Mo4V、W9Cr4V2Mo鋼制軸承零件熱處理工藝路線為：淬火→回火→冷處理→回火→回火。

M50、M50NiL鋼制軸承零件熱處理工藝路線為：淬火→回火→冷處理→回火→冷處理→回火。

4.2 冷處理溫度

冷處理的溫度主要根據(jù)鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變終止溫度Mf，另外還要考慮冷處理對機(jī)械性能的影響及工藝性等因素。常用軸承零件的冷處理溫度見表 1。

表1 常用軸承零件的冷處理溫度

4.3 冷處理保溫時間和次數(shù)

冷處理時間的長短，主要應(yīng)考慮被處理零件的導(dǎo)熱性、體積、冷透所需的時間及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變穩(wěn)定情況等因素，冷處理時間長的要比短的效果好，因?yàn)殚L時間冷處理可以使鋼中的殘余奧氏體充分地轉(zhuǎn)變及更有利于碳化物粒子的形成，轉(zhuǎn)變完成后，零件的硬度不會再有明顯地變化，零件尺寸越小，完成轉(zhuǎn)變所需的時間越短。常用軸承零件的冷處理保溫時間與次數(shù)見表2。

表2 常用軸承零件的冷處理保溫時間與次數(shù)

4.4 軸承零件冷處理注意事項(xiàng)

（1）淬/回火后，軸承零件要均勻冷至室溫后進(jìn)行冷處理，否則容易開裂，冷至室溫后應(yīng)盡快冷處理，一般在0.5～1h內(nèi)，以免使奧氏體穩(wěn)定化，終止奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。

（2）軸承零件冷處理后應(yīng)緩慢升至室溫，并及時進(jìn)行回火，一般在1～2h內(nèi)。

5 結(jié)束語

深冷處理是提高材料強(qiáng)度和韌性的一種處理工藝，已得到廣泛應(yīng)用。隨著金屬深冷處理技術(shù)研究的不斷深入，制定穩(wěn)定的鋼制軸承零件深冷處理工藝，對進(jìn)一步提高軸承的使用壽命具有重要意義。

（編輯：鐘 媛）

Cryogenic treatment principle and its application in bearing parts processing

Liu Xiulian1,Luo Yan2,Ban Jun2
（1.Engineering Technology Department,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150025,China; 2.Bearing R＆D Center,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150025,China）

As a new type of heat treatment process, cryogenic treatment has been closely watched.By introducing the principle of cryogenic treatment , the impact on the organization of the material and the specific operation process ,to improve the performance and life of the bearing will have important significance .

bearing parts;cryogenic treatment; austenite; martensite;carbide

TG156.91

B

1672-4852（2014）04-0036-02

2014-09-02.

劉秀蓮（1964-），女，高級工程師.