高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火.

高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火
洛阳轴承研究所(河南洛阳471039张增歧刘耀中樊志强
洛阳轴承(集团公司(河南洛阳471039李丽霞
【ABSTRACT】On the base of study results in home and abroad,the mechanical performance of lower bainite of high carbon chromium bearing steels have been analyzed com paratively,the research on cause of surface residual stress and dimension expansion has been made,the advantage and application of bainite hardening technology in production have been illustrated.
自上世纪80年代开始,国内对G Cr15钢的贝
氏体淬火进行了大量基础研究,并开始应用在铁路货车轴承及轧机轴承的热处理。

自90年代初开始,该贝氏体淬火工艺在轧机、机车、铁路客车等轴承上得到推广应用,尤其在轧机轴承和高速及准高速铁路轴承的生产上推广迅速,同时开发了适合于贝氏体淬火的新钢种G Cr18M o。

综合国内各研究成果可知,高碳铬轴承钢下贝氏体(以下简称B
L
组织能提高钢的比例极限、屈服强度、抗弯强度和断面收缩率,与相同温度回火的马氏体(以下简称M组织相比,具有更高的冲击韧度、断裂韧度、耐磨性及尺寸稳定性,表面应力状态为压应力,但高碳铬轴承钢贝氏体淬火对接触疲劳寿命的影响尚缺乏统一认识,对表面
压应力形成原因和B
L
淬火轴承零件尺寸涨大原因也缺乏深入研究。

本文根据以往的研究成果,
对高碳铬轴承钢B
L
淬火后的力学性能进行对比分析,并就表面压应力和尺寸涨大的原因进行探讨,总结并分析生产中贝氏体淬火工艺的优势及其应用情况。

1贝氏体等温淬火组织及亚结构
高碳铬轴承钢B
L等温淬火后金相组织由B L
和残余碳化物组成。

B
L
由过饱和铁素体和碳化物组成,其中铁素体基体含碳量约0.36%,是一种亚稳定组织,其空间形态为凸透镜状,在显微镜
下为针状或片状,片与片之间不规则相交。

B
L
中碳化物为细粒状或短杆状,与片的长轴方向呈55°~60°夹角单方向分布,铁素体的亚结构为位错缠
结,未发现有孪晶亚结构存在。

B
L
为双相结构,较淬火马氏体和残余奥氏体易于腐蚀。

贝氏体转变是一个与等温转变时间有关的过程,G Cr15钢经860℃奥氏体化、230℃等温30 min,可得到约31.4%B L,等温60min可得到约57%B L,等温90min可
得到约76%B L,要得到全B L组织需等温240min,G Cr18M o钢要得到全B L 组织需更长时间。

2贝氏体等温淬火后的力学性能
2.1冲击韧度
B L等温淬火比常规的M淬火低温回火(160℃×3h处理后的α
k值提高了1倍以上,与相近温度回火的M组织相比α
k值也有所提高,但提高的幅度究竟有多大,观点不统一,可能与所用淬
火温度及回火温度不同有关。

一般B
L组织比相
同温度回火的M组织的α
k值提高幅度应在25% ~45%。

2.2断裂韧度
研究指出,B
L
/M复合组织的断裂韧度与B L
量有关,当B
L量由零增加到31.4%时,KⅠC和KⅡC分别由18.45MPa・m1/2、24.14MPa・m1/2迅速增加到最高值22.54MPa・m1/2、35.14MPa・m1/2,随着B L量继续增加一直到全B L时,KⅠC和KⅡC反而逐
渐降低但变化较小。

全B
L组织比相同温度回火
的M组织断裂韧度KⅠ
C
提高约20%,另外,全B
L
组织具有高的门坎值△
kth和低的裂纹扩展速度dαΠd N,即全B L组织不易萌生裂纹,已有的裂纹或新萌生的裂纹也不易扩展。

2.3接触疲劳寿命和耐磨性
全B
L组织的接触疲劳寿命L10和L50及耐磨性低于淬火后低温回火的M组织,而与相同温度回火的M组织相近。

但在润滑不良条件下(如煤
・
5
1
・
浆或水这类介质,全B
L组织呈现出明显的优越性,具有比低温回火的M组织还要高的接触疲劳
寿命,如水润滑时全B
L组织的L10=168h,回火M
组织的L
10
=52h。

3生产应用
3.1贝氏体等温淬火前后零件尺寸变化
在870℃加热、230℃等温4h后,不同尺寸段的轧机轴承套圈尺寸变化测量结果见表1。

表1不同尺寸段的轧机轴承等温淬火后尺寸变化
套圈型号套圈尺寸
Πmm
直径胀量
Πμm
平均变化率
Π%
672724Π02内径120+0.346+0.29外径136+0.406+0.30
672832Π02内径136+0.473+0.30外径160+0.522+0.29
672832Π01内径223+0.525+0.24外径240+0.623+0.26
从表1中可以看出,G Cr15钢制轧机轴承套
圈经B
L等温淬火后,尺寸沿直径方向涨大,平均涨大率小于0.3%,大于M淬火的体积膨胀量,这是因为淬火过程中二者的组织变化规律不同所致。

贝氏体转变是在等温过程中发生,零件的表面与心部几乎同时发生转变,在转变过程中,由于
大量奥氏体的存在,奥氏体向B
L转变时的体积膨
胀得以较顺利地进行,使得轴承零件B
L
淬火后整体尺寸涨大。

而M转变是瞬间完成的,转变过程中表层先发生转变,形成高强度的壳体,限制了心部转变时的体积膨胀。

因此G Cr15钢制轧机轴承
套圈采用B
L等温淬火工艺时,套圈直径留磨量应小于M淬火工艺。

3.2残余应力
G Cr15钢制轴承零件经B L等温淬火后表面残余应力为压应力,其值约为-400~-500MPa,该应力主要是在淬火冷却过程中热应力产生的。

当热工件进入硝盐槽冷却时,由于硝盐溶液比油的冷却能力大得多,工件表面与心部温差相应大得多,工件表面温降收缩因心部温度高、强度低而产生变形。

当心部温降收缩时,因表面温度更低、表层组织强化,使工件心部收缩受到表层牵制,从而使工件表面产生压应力、心部产生拉应力,随着时间的延长,工件表面与心部温度趋向一致。

由
于B
L组织转变是一个缓慢的过程,表面与心部组织转变几乎同时进行,因此在整个转变过程中组织应力非常小。

工件出炉后从230~240℃降至
室温的过程中,由于温差小,且此时基体组织为全B L,强度高,无塑性变形,产生的热应力比由高温冷至等温温度过程中产生的热应力要小得多,因此整个冷却过程中应力叠加的结果是表面应力状态为压应力。

3.3尺寸稳定性
B L等温淬火后组织由B L和残余碳化物组成,在正常使用温度下(≤120℃,甚至更高温度下,组织是稳定的,不发生明显转变,因此工件尺寸比较稳定;而常规M淬回火组织中,α固溶体内过饱和碳含量较高,且含有一定量的残余奥氏体,在成品放置或使用过程中,M中碳化物进一步析出,残余奥氏体分解引起工件尺寸变化。

3.4变形
通常认为,B
L
等温淬火热浴温度高,对控制变形有利,与M淬火相比变形小,事实上从应用情况看不完全是这样。

由于硝盐的冷却速度比油大得多,如果套圈沿径向入盐,则大大增加整个套圈冷却不均匀度和热应力,由于后入盐的半个套圈强度较低,在热应力作用下易变形,变形量可能大于M淬火;如果套圈沿轴向入盐,则会减小整个套圈冷却不均匀性,变形大大减小。

如用622728Π02各20件进行试验,直径变动量要求≤0.35mm,沿径向淬火变形合格率仅为40%,而沿轴向淬火变形合格率
为95%,因此轴承套圈B
L淬火应采用水平方式。

另外,铁路轴承和轧机轴承内圈多为直筒形,
形状简单,B
L
淬火时变形小,但由于套圈壁厚大、高度高,一旦变形超差,整形困难;而外圈形状复杂,淬火时变形大,但套圈壁薄、高度低,整形容易一些。

3.5应用效果
B L组织的突出特点是冲击韧度、断裂韧度、耐磨性及尺寸稳定性好,表面为压应力。

因此适用于装配过盈量大、服役条件差的情况,如承受大冲击载荷的铁路、轧机和起重机等轴承,润滑条件不良的矿山运输机械或矿山装卸系统、煤矿用轴
承等。

高碳铬轴承钢B
L
等温淬火工艺已在铁路、轧机轴承上得到成功应用,取得了较好成果。

(1扩大了G Cr15钢应用范围一般的G Cr15
钢M淬火时套圈有效壁厚在12mm以下,但B
L 淬火时由于硝盐冷却能力强,若采用搅拌、串动及
・
6
1
・
加水等措施,套圈有效壁厚可扩大至28mm左右。

(2硬度稳定、均匀性好由于B L转变是一个缓慢过程,一般G Cr15钢需4h,G Cr18M o钢需5h。

套圈在硝盐中长时间等温,表面与心部组织转变几乎同时进行,因此硬度稳定、均匀性好,一般G Cr15钢B
L
淬火后硬度在59~61HRC,均匀性≤1HRC,不象M淬火时套圈壁厚稍大一些就出现硬度低、软点及均匀性差等问题。

(3减少淬火裂纹和磨削裂纹在铁路、轧机轴承生产中,由于套圈尺寸大、重量重且油淬火时M组织脆性大,为使淬火后获得高硬度常采取强冷却措施,结果导致淬火微裂纹。

由于M淬火后表面为拉应力,在磨加工时磨削应力的叠加使整体应力水平提高,易形成磨削裂纹,造成批量废
品;而B
L淬火时,由于B L组织比M组织韧度好得多,同时表面形成高达-400~-500MPa 的压应力,极大地减小了淬火裂纹倾向。

在磨加工时表面压应力抵消了部分磨削应力,使整体应力水平下降,大大减少了磨削裂纹。

某轧机轴承制造
厂采用B
L
淬火工艺7年多,从未产生此类问题,经济效益显著。

(4轴承使用寿命提高对于承受大冲击载荷的铁路、轧机轴承等,经M淬火后使用时主要失效形式为:装配时内圈开裂,使用过程中受冲
击,外圈挡边掉块、内圈碎裂。

而B
L淬火轴承由于冲击韧度好,表面为压应力,无论装配时内圈开裂,还是使用过程中外圈挡边掉块、内圈碎裂倾向性均大大减小。

如172826E铁路轴承,按照铁路轴
承的规定要进行扩张试验,要求扩张量比过盈量大3.5倍,不论慢速加载扩张还是快速加载扩张,B
L
淬火轴承都安然无恙通过,经过5年多行
车考核,轴承没有损坏;另如轧机轴承经B
L
淬火后比M淬火后平均寿命提高66%。

参考文献
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8K roon A.Bearing S teel Development.Ball Bearing Journal S pecial(89:40~47 (收稿日期:2000-10-01
(编辑:吕成银
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1
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本期内容摘要
赵滨海,宋春磊.固体润滑轴承在宇宙空间器中的应用.轴承,2001(8:1~3
为满足某气象卫星用扫描辐射计轴承的要求,研制开发出一种固体润滑轴承。

采用沟道工作表面溅射M oS2,钢球离子镀T iN及自润滑保持架技术,进行轴承优化设计。

该轴承成功地通过了主机高真空全态模拟试验,并已随卫星在轨道运转。

附图2幅,表1个。

叙词:固体润滑轴承宇宙飞行器
施敏芳.滚动轴承在线监测与故障诊断系统设计.轴承,2001(8:4~7
介绍一种适用于滚动轴承在线工况监测与故障诊断专家系统的设计及实现方法。

着重讨论知识库的建造和动态数据库的建立。

附图3幅,参考文献4篇。

叙词:故障监测诊断系统设计
袁伟民,王海宏,陈磊.圆柱滚子轧机轴承的改进.轴承,2001(8:8~9
三列圆柱滚子轧机轴承在生产上存在端面易烧伤、轴承易碎裂的问题。

为此提出用双列圆锥滚子轴承或带平挡圈的双列圆柱滚子轴承,替代原三列圆柱滚子轴承,但都不能满足实际应用,最后采用改进型带平挡圈的双列圆柱滚子轴承取得了满意效果。

附图1幅。

叙词:双列轴承圆柱滚子轴承烧伤磨削圆锥滚子轴承
张寿椿.用P LC改装CZ953机床.轴承,2001(8:9~ 12
分析CZ953机床原有电气控制装置的缺点,采用EX20plus型P LC改装CZ953,使控制部分更为完善可靠,机械气动部件的修配也保证了控制部分的正常工作,使机床的电气故障大大降低,同时也减少了日常维修费用。

附图7幅。

叙词:机床电气控制改装
李向明,马宏民.套圈车削沟位置误差对磨削余量的影响.轴承,2001(8:13~14
套圈沟边黑皮是一种常见的表面缺陷,且以单边黑皮居多。

通过几何分析,论证了车削时存在的沟位置误差对磨削余量的影响,沟道两边磨削余量不均匀是造成沟道产生单边黑皮的主要原因。

附图2幅。

叙词:深沟球轴承套圈沟道车削沟位置误差磨削余量黑皮
表面缺陷
张增歧,刘耀中,樊志强等.高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火.轴承,2001(8:15~17
综合国内各研究成果,对高碳铬轴承钢下贝氏体的力学性能进行了对比分析,并对表面残余应力和尺寸涨大的成因进行了探讨,阐述了生产中贝氏体淬火工艺的优势和应用。

附表1个,参考文献8篇。

叙词:轴承钢贝氏体钢等温淬火力学性能
杨黑娃.套圈内径磨削技术分析.轴承,2001(8:18~ 19
内径磨削加工中,影响加工件形位误差的因素与磨加工工艺参数有关,影响表面波纹度主要是磨削加工中的相对振动。

通过分析可知,在最短的悬臂状态下退刀,使弯曲变形恢复所需的光磨时间大大缩短,从而提高加工效率。

减小振动对表面波纹度影响最合理的方法是改变工件与砂轮的转速比,从而使表面波纹度相互抵消。

附图2幅,参考文献3篇。

叙词:套圈内径磨削工艺振动
沈萍.过盈配合的铜套内径加工尺寸的计算.轴承,2001(8:20~21
通过计算过盈配合铜套的内径加工尺寸,将按计算尺寸加工好的铜套镶入座孔,其内径正好符合与轴配合的要求。

省去了原来所需的镗或刮削加工。

省工、省时,降低制造成本。

附图1幅。

叙词:过盈配合铜套座孔
韩文.滚动体光饰工艺在实际生产中的应用.轴承,2001(8:21~22
对两种滚动体光饰机的光饰技术参数进行确定。

光饰后的滚动体不仅可以改善外观质量,还可以降低滚动体的表面粗糙度值,改善形位公差,提高滚动体疲劳寿命。

附表3个。

叙词:滚动体光饰机光饰
宋杰.液态模锻黄铜保持架毛坯.轴承,2001(8:23
叙词:黄铜保持架毛坯模锻
梁华,仇亚军,卢淑君.滚动轴承零件的裂纹分析.轴承,2001(8:24~27
介绍滚动轴承零件在生产过程中产生裂纹的一般废品分析方法,并从原材料、锻造、冲压、车加工、热处理和磨削加工等六个主要生产工序举例分析废品裂纹。

附图13幅,表1个,参考文献3篇。

叙词:裂纹零件分析
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