熱處理工藝對(duì)鋼球壓碎載荷值的影響

趙高明，周勇，馬林

(江蘇力星通用鋼球股份有限公司，江蘇 南通 226500)

汽車軸承用長壽命鋼球必須具備高耐磨性、高接觸疲勞強(qiáng)度和優(yōu)良的沖擊韌性。壓碎載荷作為鋼球熱處理指標(biāo)之一，歷來受到各鋼球生產(chǎn)廠家的關(guān)注和重視。鋼球壓碎載荷值來自于壓碎試驗(yàn)，通過試驗(yàn)，既可以發(fā)現(xiàn)鋼球熱處理和原材料方面的缺陷，又可以分析不同回火溫度下各個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律。其中，斷口形貌是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和給出評(píng)價(jià)的依據(jù)。依據(jù)JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》規(guī)定，對(duì)直徑3.000～50.800 mm的鋼球必須進(jìn)行壓碎載荷試驗(yàn)。為此，針對(duì)熱處理工藝參數(shù)，從有利于提高壓碎載荷值和改善壓碎斷口出發(fā)，以直徑為9.525和12.700 mm鋼球?yàn)槔M(jìn)行了一系列工藝試驗(yàn)。為便于試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)，在所進(jìn)行的試驗(yàn)中每次只試驗(yàn)1粒鋼球(JB/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為每組試驗(yàn)3粒鋼球)。

1 試驗(yàn)條件

壓碎試驗(yàn)示意圖如圖1所示，上、下壓板材料均為模具鋼，厚度為40 mm，硬度為62～65 HRC，這樣可以保證自身變形不會(huì)顯著影響測量數(shù)據(jù)。

圖1 壓碎試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

壓碎試驗(yàn)在申克3000型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度根據(jù)JB/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，本試驗(yàn)為2～3 kN/s。試驗(yàn)主要考察以下指標(biāo)：

(1)壓碎載荷Fk——鋼球被壓碎瞬間的載荷，也是鋼球能夠承受的最大載荷。

(2)總變形量Lk——鋼球壓碎時(shí)的變形量與10 kN載荷時(shí)的變形量之差。由于鋼球壓碎試驗(yàn)時(shí)不可能測出鋼球的真實(shí)變形量，只能測出下動(dòng)板位移量，該位移包括了試驗(yàn)機(jī)的變形、壓頭的變形、鋼球與壓頭接觸處的局部變形等。另外，在載荷比例小的情況下，變形量與載荷可能不是線性關(guān)系(主要是各個(gè)接觸面的變形)。考慮到上述不穩(wěn)定因素，以10 kN載荷時(shí)的位移作為0點(diǎn)，有利于消除上述因素帶來的位移偏差。

(3)壓碎斷口形貌。鋼球壓碎時(shí)斷口形貌不一，有的呈碎裂態(tài)，有的呈對(duì)半開裂態(tài)。經(jīng)驗(yàn)表明，鋼球壓碎斷口越趨向于對(duì)半開裂，使用壽命越長。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 淬火溫度的影響

淬火設(shè)備為RG9-80型熱處理生產(chǎn)線，功率135 kW，生產(chǎn)效率每天6 t。將直徑9.525和12.700 mm鋼球(材料均為SUJ-2)置于同一生產(chǎn)線上進(jìn)行淬、回火工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)淬火溫度在840 ℃的基礎(chǔ)上，以5 ℃的間隔逐步增加至860 ℃，淬火加熱時(shí)間均為60 min，淬火介質(zhì)為快速光亮淬火油；2種鋼球的回火工藝也相同，即回火溫度為170 ℃，時(shí)間為240 min。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 鋼球淬火溫度與壓碎載荷及金相組織的關(guān)系

GCr15軸承鋼淬、回火狀態(tài)的馬氏體有位錯(cuò)馬氏體和孿晶馬氏體2種類型。在正常淬、回火狀態(tài)下，是以位錯(cuò)馬氏體為主的混合型馬氏體組織存在。比較而言，孿晶馬氏體具有較高的強(qiáng)度和硬度，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，但塑韌性比較差。從試驗(yàn)結(jié)果可知，淬火溫度過高，淬、回火組織中孿晶馬氏體增多，位錯(cuò)馬氏體相應(yīng)減少，不利于提高鋼球的壓碎載荷值。

2.2 回火溫度、時(shí)間的影響

在淬火試驗(yàn)(淬火溫度845 ℃)的基礎(chǔ)上，分別采用不同的回火溫度和回火時(shí)間對(duì)淬火狀態(tài)球進(jìn)行回火試驗(yàn)，觀察其對(duì)鋼球壓碎載荷的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 回火溫度和時(shí)間與鋼球壓碎載荷的關(guān)系

由表2可知，在保證鋼球硬度合格的前提下，將回火溫度提高10 ℃，同時(shí)將回火時(shí)間延長一倍，可使鋼球壓碎載荷值明顯提高。

通過長時(shí)間的試驗(yàn)、積累和分析，統(tǒng)計(jì)得出回火溫度與鋼球壓碎載荷的關(guān)系如圖2所示，回火時(shí)間為240 min。

從圖2可以看出，隨回火溫度提高，壓碎載荷總體呈現(xiàn)增大趨勢。120～130 ℃回火的壓碎載荷是JB/T 1255—2001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.2～1.3倍，200 ℃回火的壓碎載荷是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.6～1.8倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，回火溫度在120～200 ℃時(shí)，回火溫度對(duì)壓碎載荷的影響比較明顯。

2.3 氣氛碳勢的影響

試驗(yàn)用生產(chǎn)線采用的是氮基吸熱式氣氛，氮?dú)庾鳛楦换瘹?，甲醇作為載氣，分別通過氮?dú)饬髁坑?jì)和甲醇流量計(jì)向爐內(nèi)通入，并在淬火溫度下進(jìn)行裂解。為了弄清鋼球脫碳、貧碳和增碳表面狀態(tài)對(duì)壓碎載荷的影響，分別在不同的碳勢狀態(tài)下進(jìn)行了試驗(yàn)(試驗(yàn)用鋼球直徑為12.700 mm)。淬火溫度845 ℃、加熱時(shí)間60 min；回火溫度170 ℃、時(shí)間240 min。通過試驗(yàn)得出的相關(guān)數(shù)值分布情況如圖3所示。

圖3 碳勢對(duì)鋼球壓碎載荷的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得表面碳勢對(duì)鋼球壓碎載荷的影響，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 碳勢對(duì)鋼球壓碎載荷值的影響

從表3可以看出，在淬火組織級(jí)別合格的情況下，鋼球表面如增碳，壓碎載荷值呈現(xiàn)下降趨勢，且增碳傾向越嚴(yán)重，壓碎載荷值下降的幅度越大；鋼球表面有輕微貧碳時(shí)，其壓碎載荷值反而變大，但由于表面存在拉應(yīng)力，對(duì)鋼球壽命不利；鋼球表面存在脫碳時(shí)，壓碎載荷值明顯下降。所以，應(yīng)在各項(xiàng)指標(biāo)合格的前提下，從優(yōu)化壽命指標(biāo)出發(fā)，控制好爐內(nèi)碳勢，盡可能實(shí)現(xiàn)既不脫碳也不增碳，保證熱處理壓碎載荷值穩(wěn)定受控。

2.4 回火溫度對(duì)總變形量的影響

為了考察回火溫度對(duì)壓碎載荷的影響規(guī)律，仍對(duì)上述2種規(guī)格的鋼球進(jìn)行試驗(yàn)。2種鋼球均在同一生產(chǎn)線上進(jìn)行淬火，淬火加熱時(shí)間均為60 min，溫度為845 ℃；采用不同的溫度回火，回火時(shí)間均為240 min?；鼗鸩⒗鋮s至常溫后直接進(jìn)行壓碎試驗(yàn)。由此得出回火溫度與總變形量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 回火溫度與鋼球總變形量的關(guān)系

從圖4可以看出，鋼球總變形量隨回火溫度的提高而增大，這與鋼球壓碎載荷隨回火溫度的變化規(guī)律相近。

2.5 回火溫度對(duì)壓碎斷口的影響

壓碎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)120 ℃以下回火的鋼球，壓碎斷口大部分不在中截面，斷口不平整，且呈平面狀態(tài)的不多(圖5)。經(jīng)160 ℃以上回火的鋼球，大多呈現(xiàn)對(duì)半開裂狀態(tài)，而且回火溫度越高，斷口對(duì)半開裂傾向越明顯(圖6)，表明鋼球使用壽命越長。

圖5 回火溫度100 ℃時(shí)的壓碎斷口

圖6 回火溫度170 ℃時(shí)的壓碎斷口

3 結(jié)論

(1) 鋼球壓碎載荷值與淬火溫度、回火溫度、回火時(shí)間及氣氛碳勢等參數(shù)均相關(guān)；

(2) 回火溫度對(duì)鋼球壓碎載荷、總變形量影響較大，隨回火溫度升高，鋼球壓碎載荷值及總變形量均呈增大趨勢；

(3) 在對(duì)單個(gè)鋼球進(jìn)行壓碎試驗(yàn)時(shí)，若回火溫度超過120 ℃，壓碎載荷以及總變形量隨回火溫度的變化趨勢明顯增大；

(4) 為確保鋼球有良好的綜合性能，淬火溫度、回火溫度一般應(yīng)分別控制在845 ℃，170 ℃左右，回火時(shí)間不低于240 min。