热处理工艺研究
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三、项目的关键技术、主要研究内容、拟采取的技术工艺路线及实施方案
3．滚针轴承零件材料应用、热处理工艺及表面处理工艺研究
3.1 轴承零件材料应用、优化
材料是保证轴承质量的基础，为了使轴承获得长寿命、持久的高精度和低磨擦，制造轴承零件的材料必须具有接触疲劳强度高、耐磨性好、组织稳定性好、纯净度高等特点。
我国生产的GCr15要求的技术标准为GB/T18254-2002,其夹杂物、氧、钛含量要求较为宽松，钢材均匀性较差，如用美国轴承钢牌号SAE52100，其夹杂物、氧、钛含量等均低于我国的GCr15，钢材均匀性好，轴承钢原材料应使用SAE52100或更严格要求，零件使用寿命会明显提升。目前针对一些承受重载的滚针轴承，我们与上海宝钢已经就特殊要求及重载下工作的轴承使用的材料，签订合作协议，共同对长寿命、重载轴承使用材料进行协作开发。
1）轴承的疲劳性能主要取决于轴承钢材的纯洁度
实体滚针轴承或滚动体（滚针），一般采用高碳铬轴承钢制造，而在轴承服役条件下，套圈和滚动体材料要承受高的交变接触应力，氧化物等非金属夹杂物对交变接触应力非常敏感。如在采购选用时对轴承钢的原材料的某些化学成份和纯净度加以控制，就十分有利于提高轴承的寿命，具体表现在：
a)轴承钢中铬含量的控制
一般轴承用钢主要是高碳铬轴承钢，即含碳量1%左右，加入1.5%左右的铬,并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。铬可以改善热处理性能、提高淬透性、组织均匀性、回火稳定性，又可以提高钢的防 锈性能和磨削性能。但当铬含量超过1.65%时，淬火后增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。为此，高碳铬轴承钢中的含铬量一般控制在1.65%以下，只有严格控制轴承钢中的化学成份，才能通过热处理工序获得满足轴承性能的组织和硬度。
b)轴承钢中含氧量的控制
钢中氧含量对轴承疲劳寿命的影响主要是通过高倍夹杂物（如Al2O3）而起作用的，而氧化物夹杂对轴承的接触疲劳寿命的影响最为严重，所以降低轴承钢中的氧含量可以明显提高轴承的疲劳寿命，图11的试验结果可以清楚说明这一点。
图11 相对寿命与氧含量的关系
氧化物对寿命的影响具体表现在钢中含氧量的多少与分布上，主要是由于塑性变形小或根本不变形的氧化物以及点、球状夹杂物，他们容易与钢的基体组织之间产生间隔，破坏了钢基体的连续性，并且在交变应力的作用下，容易在这些有间隔的地方产生应力集中，从而成为轴承疲劳剥落的发源地。当应力集中在夹杂物与金属基体之间，且剪切应力达到足够大的时候，就会在夹杂物处产生裂纹，随后在交变应力的作用下，裂纹进一步扩展直到轴承失效。
所以，在降低非金属夹杂方面，以降低钢中含氧量最为有效。因此，对于在高应力下工作的轴承零件，降低钢中含氧量是必要的。
2）材料基体强度对轴承寿命的影响
低速重载冲压外圈滚针轴承失效除了考虑常规的疲劳失效以外，还需关注因塑性变形导致的失效。塑性变形一般都与轴承的零件强度有关，因此零件采用渗碳材料制造的轴承或表面感应淬火方式制造的轴承尤其需要校核零件强度。零件的表面疲劳抗力在很大程度上取决于渗层以下是否有一个高强度的芯部去支撑它，因而提出采用含碳较高的渗碳钢，以提高渗碳件的芯部强度。芯部强度（硬度）太低，在渗层与芯部组织的过渡区容易产生裂纹而降低零件寿命。之前，苏轴公司曾经发生由于未根据用户使用工况-重载，选用基体材料热处理后硬度较高的材料，如C15mad或SCM415等，造成轴承轴承试验到三分之一寿命要求时轴承即告失效。失效现象为保持架和滚针完好无损
坏，轴承高度（外圈）被碾长，外圈外径表面存在断裂层,但芯部是连续的。将轴承剖开，外圈壁厚明显变薄，滚道表面毛糙，有断裂层，但不是特别明显，见图12～13。经分析认为，此轴承失效主要原因是外圈芯部硬度偏低（实测160～170HV0.3）,抗塑性强度差而被碾压导致高度变长，壁厚变薄。工况应该是低速、重载两者占其一或同时存在。经询问用户轴承使用部位为汽车启动电机装置的行星轮上，承受的载荷与轴承额定负荷相比属于重载状态。我们将材料有原来的SPCC低碳结构钢改用SCM415低碳合金钢，热处理后的芯部硬度提高到430～450HV0.3，试验顺利通过。
图12 外径硬化层裂纹
图13 滚道，保持架、滚针状态
目前冲压外圈滚针轴承的外圈材料采用优质碳素结构钢或低碳合金钢，经模具精密拉深成形而成，采用碳氮共渗热处理方式，使零
件表面获得高硬度硬化层，芯部硬度为基体材料热处理硬度，表面与芯部之间存在有规律分布的硬度梯度，使轴承既有很高的接触疲劳强度，又能使轴承在重载及冲击载荷下不会发生由于芯部强度不够而导致表层硬化层压碎。各种不同优质碳素结构钢或低碳合金钢经热处理后的芯部硬度见下表1，可以根据轴承使用的工况和载荷等情况，选用合适的材料。
表1 优质碳素结构钢或低碳合金钢热处理后芯部硬度
材料牌号 芯部硬度
SCM415 390～420HV
SAE1010 200～220HV
C15mod 290～310HV
SPCC 170～190HV
DC04 140～160HV
芯部硬度与基体材料的化学成分有关。对于低速重载部位使用冲压外圈滚针轴承，其材料选用是否合理将直接影响轴承最终的使用寿命。因此所选的材料的横截面厚和其淬透性应能保证芯部硬度达到30~45HRC。渗碳的钢种应该是细晶粒钢，以使高温渗碳时，对晶粒长大的敏感性降至最低限度，图14～15为C15mod.材料经渗碳处理后的表面组织及芯部组织图。
图14 C15mod.材料表面组织 (细针状马氏体)500X
图15 C15mod. 材料芯部组织 (铁素体+珠光体) 500X
3.2长寿命、低速重载滚针轴承热处理工艺研究
1）轴承钢中残余奥氏体的控制
高碳铬钢经正常淬火后，可含有8%～20%的残余奥氏体（Ar）。轴承零件中的残余Ar有利也有弊，因此固定Ar化条件，利用Ar热稳定化处理工艺，可获得不同的Ar量。通常采取的措施是进行冷处理和附加回火。GCr15钢的Mf点约-45℃，因此冷处理是淬火的继续，使残余奥氏体向马氏体转变。淬火后在室温停留会引起奥氏体的稳定化，所以淬火后应立即进行冷处理，一般是冷却到-60~70℃。待零件温度回升到室温后应及时回火以防开裂。对于硬度允许较低的精密轴承，可用较高温度回火（180~250℃）代替冷处理。
淬火低温回火后Ar含量对GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响如图16所示。随着残余Ar含量的增多，硬度和接触疲劳寿命均随之增加，达到峰值后又随之降低，硬度峰值出现在17%左右，而接触疲劳寿命峰值出现在9%左右。当试验载荷小时，残余Ar增多对接触疲劳寿命的影响减小，残余奥氏体量不多时，对强度降低的影响不大，而韧性的作用则比较明显，这是因为载荷较小时，残余Ar发生少量
变形，既消减了应力峰值，又使已变形的残余Ar加工强化和发生应力应变诱发马氏体相变而强化。但如试验载荷大时，残余Ar较大的塑性变形与基体会局部产生应力集中而破裂，从而使寿命降低。如残余Ar状态不稳定，如果自发转变为马氏体，将使钢的韧性急剧降低而脆化。适当的残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力,一定的条件下，工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中，提高轴承的接触疲劳寿命
图16 GCr15钢淬火Ar量对硬度和接触疲劳寿命的影响（150°C）
2）零件淬、回火后的残留应力
GCr15钢淬火回火可获得隐晶马氏体基体上分布着均匀细小的颗粒状碳化物（7~9%）和少量残余奥氏体（＜10%），淬火硬度为64~66HRC。GCr15钢的淬火加热温度为840℃，该温度下淬火可以得到最高的硬度、冲击韧性和弯曲疲劳强度，同时奥氏体中溶解约0.5~0.6%C、0.8%Cr从而保证钢淬火具有足够的淬透性和淬硬性。未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大，以获得细小的马氏体组织。轴承淬火应避免出现非马氏体组织，在650~250℃（Ms点）温度范围内应快冷，以抑制珠光体和贝氏体转变。在Ms点以下应慢冷，以减少变形。薄壁套圈可采用分级淬火（120~180℃停留2~5min）。轴承零件在120℃以上淬火，零件的变形等会有明显改善，但在高温下淬火油将加速老化，淬火油的更换频次必须相应提高以保证具有足够的冷却能力。
轴承钢淬火后应及时回火（170±5℃， 3-3.5h），以提高组织和尺寸稳定性及提高力学性能。为了尽可能多的消除轴承零件淬火后的内应力，轴承钢零件最好进行2-3次相同工艺的回火。
轴承零件经淬火低温回火后，仍具有较大的内应力。零件中的残留应力有利和弊两种。钢件热处理后的表面残余应力对疲劳强度的影响如图17所示。可以看出，随着表面残留压应力的增大，钢的疲劳强度随之增高，反之表面残留的内应力为拉应力，则使钢的疲劳强度
降低。因此，使轴承零件淬回火后表面留有较大的压应力，也时提高使用寿命的措施之一。
图17 表面残余应力对淬火回火刚疲劳强度的影响
3）改善GCr15钢中碳化物形态及分布提高轴承的使用寿命
改善GCr15钢中碳化物形态及分布有益于延长GCr15钢制轴承的使用寿命2~3倍，此细化工艺我公司正积极创造条件进行试验。
碳化物对使用寿命的影响原因有以下两方面：a）碳分布的均匀程度：虽然马氏体基体平均固溶碳浓度约为0.55%，但这是平均值，在碳化物附近和远处的碳浓度是不一样的。碳化物颗粒粗大时，其浓度差就大，反之，其浓度差就小。如果浓度差很大，碳浓度高处和低处的寿命就低，所以平均寿命当然也就低。b）碳化物的外形：较细小的碳化物的外形较为圆滑，而粗大的碳化物的外形的圆度就差，容易形成较尖锐或凸凹的边缘，在这些位置容易与基体产生应力集中（特别是受到外力作用时）而成为疲劳源，产生裂纹，从而会降低韧性和抗疲劳性，缩短使用寿命。
综上所述，为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物小（尺寸细小）、匀（大小彼此相差很少，而且分布均匀）、圆（每粒碳化物皆呈球形）。
这可通过对原材料加以控制或在淬火前后采用合适的工艺细化碳化物，从而得到理想的碳化物形态与分布。GCr15钢球化退火的目的即为获得铁素体基体上均匀分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织，为以后的冷加工及最终的淬回火作组织准备。GCr15钢常用的球化退火工艺有连续冷却和等温球化退火两种，如图18：
