超輕系列軸承熱處理工藝探討

李　欣，張瑞娟

（1.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱150036；2.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 小型圓錐軸承分廠，黑龍江 哈爾濱150036）

超輕系列軸承熱處理工藝探討

李欣1，張瑞娟2

（1.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱150036；2.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 小型圓錐軸承分廠，黑龍江 哈爾濱150036）

摘 要：采用正交試驗(yàn)法研究了加熱溫度、保溫時(shí)間、工件冷卻時(shí)間、攪拌速度等四種因素對(duì)61810軸承外圈橢圓變形、硬度和組織的影響。結(jié)果表明，套圈硬度和組織均能滿足技術(shù)要求，工件冷卻時(shí)間對(duì)橢圓變形影響較大，攪拌速度次之。通過試驗(yàn)，確定了61810軸承外圈的最優(yōu)熱處理工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：超輕系列軸承；正交試驗(yàn)法；熱處理工藝；橢圓變形

1 前言

軸承是當(dāng)代機(jī)械設(shè)備中一種重要的精密零部件，在各工序中有著嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于超輕系列軸承來說，淬火后橢圓變形很難控制，如果橢圓變形大就會(huì)影響磨削工序的產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率，因此，亟需采取一種行之有效的措施來減少橢圓變形。

在淬火工序，從產(chǎn)生橢圓變形的機(jī)制分析，引起軸承套圈淬火時(shí)尺寸變化的原因有熱應(yīng)力及組織應(yīng)力。工件在淬火介質(zhì)中迅速冷卻時(shí)，由于熱導(dǎo)率不變，在工件內(nèi)沿截面產(chǎn)生一定的溫度梯度，不同梯度的熱膨脹量將不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力，并且在不同的溫度梯度中還會(huì)出現(xiàn)溫度下降快的區(qū)域率先低于MS點(diǎn)，先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積脹大，產(chǎn)生組織應(yīng)力。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用軸承型號(hào)為61810外圈，見圖1。所有分析試樣均采用同一批次的GCr15棒材，其化學(xué)成分見表1。按照工藝規(guī)定進(jìn)行鍛造、退火和車削成型，加工質(zhì)量符合相關(guān)工藝要求。

2.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖1 61810外圈尺寸

表1 GCr15棒材元素含量

淬火油將工件冷卻到MS點(diǎn)所需要的時(shí)間對(duì)淬火過程熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的影響較大。從多種性能指標(biāo)的淬火油中選取冷卻工件到200℃的時(shí)間（通過測(cè)試其IVF冷速曲線確定）作為本次試驗(yàn)的淬火油。

選擇熱處理工藝規(guī)定的加熱溫度、保溫時(shí)間、淬火油冷卻工件到200℃的時(shí)間和攪拌速度作為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)因素，分別記作A、B、C、D，各因素均取三個(gè)水平，根據(jù)正交表選用原則，采用L9（34）正交表，因素水平見表2。

2.3 性能驗(yàn)證

使用輪廓儀測(cè)量橢圓變形。按照GB/T-1255《滾動(dòng)軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》使用HR-150A檢驗(yàn)淬回火后的硬度。套圈沿徑向切割并在MP-2A金相試樣雙盤磨拋機(jī)上制作金相試樣后在CARL ZEISS研究級(jí)倒置材料顯微鏡（Axio vert A1）下觀察金相組織。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

每個(gè)試驗(yàn)組選取20個(gè)外圈，取其平均值作為每一組的試驗(yàn)結(jié)果。各試驗(yàn)因素對(duì)熱處理變形和硬度、組織的影響見表3。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.2 各因素對(duì)熱處理變形的影響分析

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，軸承外圈硬度和組織均滿足技術(shù)要求，因此，只對(duì)橢圓變形情況進(jìn)行極差分析，極差分析可以有效地反映各試驗(yàn)因素對(duì)橢圓變形的影響規(guī)律，具體見表4和圖2。

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出的極差可以看出，淬火油冷卻到200℃的時(shí)間對(duì)61810外圈的橢圓變形影響較大，攪拌速度次之，淬火加熱溫度對(duì)橢圓變形也有一定影響，在保溫時(shí)間因素中選用的各水平參數(shù)對(duì)橢圓變形影響相對(duì)較小。

表4 正交試驗(yàn)極差分析

4 最優(yōu)熱處理工藝參數(shù)的確定

4.1 結(jié)果討論

根據(jù)上述分析，本次考察的保溫時(shí)間的因素水平對(duì)超、特輕系列軸承的橢圓變形指標(biāo)影響較小。因?yàn)楦髟囼?yàn)因素選取的水平參數(shù)均控制在合理范圍內(nèi)，故在不同熱處理工藝條件下，軸承套圈的硬度和組織均滿足工藝要求，所以在確定最優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)時(shí)主要考慮橢圓變形是否滿足要求。

從圖2a 中可以看出，隨著加熱溫度從825℃增大到835℃時(shí)，橢圓變形極大地增加了。在加熱過程中隨著淬火加熱溫度的升高，碳化物在奧氏體中的溶解加劇，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，淬火后片狀馬氏體的趨勢(shì)增大，不僅會(huì)增大熱處理變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致微裂紋增加，脆性增大，甚至造成淬火裂紋。

從圖2b 中可以看出，保溫時(shí)間為40min時(shí)，橢圓變形最小。淬火加熱時(shí)間應(yīng)滿足使整個(gè)截面加熱到預(yù)定淬火溫度，并在該溫度下完成組織轉(zhuǎn)變、碳化物溶解和奧氏體成分均勻化所需要的時(shí)間。

從圖2c可以看出，隨著淬火油冷卻到200℃的時(shí)間的延長(zhǎng)，淬火橢圓變形逐漸減小，因?yàn)槌?、特輕系列軸承套圈的壁厚較小，在淬火冷卻過程中截面溫差，特別是高溫區(qū)工件表面與中心部溫差相對(duì)較小，熱應(yīng)力作用較小，應(yīng)力特征主要為組織應(yīng)力型，在保證淬透性的情況下選擇冷卻到200℃的時(shí)間較長(zhǎng)的淬火油，降低了工件截面溫差，因率先進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的表面壓應(yīng)力區(qū)深度將增大，并且伴隨這個(gè)過程同時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力起到了緩和心部拉應(yīng)力的作用，故在工件的整個(gè)冷卻過程中極大地降低了因內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生的熱處理變形。

從圖2d可以看出，隨著攪拌速度的提高，橢圓變形逐漸增大。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，在61810外圈的熱處理工藝中，淬火油冷卻到200℃所需時(shí)間對(duì)橢圓變形的變化是一個(gè)最重要的因素（見圖2c），其次是攪拌速度和加熱溫度（見圖2d、圖2a），而保溫時(shí)間對(duì)橢圓變形的影響較?。ㄒ妶D2b）。同時(shí)，加熱溫度、保溫時(shí)間的選擇還必須與生產(chǎn)實(shí)際情況相結(jié)合，綜合考慮生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)品質(zhì)量及能耗。通過以上試驗(yàn)，確定61810外圈的最優(yōu)熱處理工藝參數(shù)水平組合為A2B2C3D1，即加熱溫度825℃，保溫時(shí)間40min，淬火油冷卻到200℃的時(shí)間45s，攪拌速度0。

4.2 重復(fù)性驗(yàn)證

在確定了熱處理工藝參數(shù)后，選取200 件61810外圈進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，橢圓變形平均97μm，硬度61HRC，組織2級(jí)，均能滿足工藝要求，說明在此工藝下可獲得良好的性能。

5 結(jié)論

（1）淬火油冷卻到200℃的時(shí)間對(duì)61810外圈的橢圓變形影響較大，攪拌速度次之。

（2）確定61810外圈的最優(yōu)熱處理工藝參數(shù)為加熱溫度825℃，保溫時(shí)間40min，淬火油冷卻到200℃的時(shí)間45s，攪拌速度0。

（編輯：王立新）

中圖分類號(hào)：TH133.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-4852（2016）02-0010-04

收稿日期：2016-05-31.

作者簡(jiǎn)介：李 欣（1981-），男，工程師.

Discussion on ultra light series bearing heat treatment craft

Li Xin1，Zhang Ruijuan2
（1.Manufacturing Technology Department，Harbin Bearing Group Corporation，Harbin 150036，China；2.Small Tapered Bearing Sub-factory，Harbin Bearing Group Corporation，Harbin 150036，China）

Abstract:The effects of the heating temperature， holding time， workpiece cooling time， stirring speed and so on four kind of factors on the bearing outer ring 61810 elliptical deformation， hardness and organization were studied by the orthogonal experiment method， the results showed that the ring stiffness and organization could meet the technical requirements， the influence of workpiece cooling time on elliptical deformation was greater， followed by the stirring speed. Through the experiment， most superior heat treatment craft parameter of 61810 bearing outer ring had been identifed.

Key words:ultra light series bearing； orthogonal experiment method； heat treatment process； elliptical deformation