這篇文章主要分析了軸承套圈淬火變形、開裂、脹縮的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施。
軸承鋼套圈淬、回火后的變形和尺寸脹縮一直影響著熱處理產(chǎn)品質(zhì)量。近年來，軸承行業(yè)熱處理應(yīng)用了貝氏體、馬氏體與貝氏體的復(fù)合淬火新工藝，因淬火后套圈變形、開裂及脹縮量難以控制，同一批產(chǎn)品脹縮量忽大忽小差別較大，產(chǎn)品合格率較低，只能采取增大下一工序磨削加工的留量來滿足產(chǎn)品的脹縮量，這樣既浪費了材料也消耗了人工工時，所以有些企業(yè)只能放棄先進的貝氏體淬火工藝改回原馬氏體淬火。軸承鋼套圈淬火變形、開裂、脹縮量產(chǎn)生的原因受很多因素影響，是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題。下面分別討論這些缺陷的產(chǎn)生原因及其應(yīng)采取的解決辦法。
1.淬火變形、開裂和尺寸脹縮
軸承鋼套圈在淬火時材料中的應(yīng)力未達到彈性極限，材料只發(fā)生彈性變形，應(yīng)力超過彈性極限而低于材料的強度極限時，則發(fā)生塑性變形；應(yīng)力達到強度極限，材料就發(fā)生斷裂。因此，材料的變形和開裂是在應(yīng)力大小和材料的性能指標(biāo)兩個因素作用下發(fā)生的。
淬火過程不可避免要出現(xiàn)淬火應(yīng)力，包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。在操作過程中還可能帶來零件機械的碰撞產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力分布不均勻，在應(yīng)力集中處可能比平均應(yīng)力大許多倍；同時，由于材質(zhì)的不均勻性和材料缺陷，使其各部位的強度指標(biāo)也能懸殊許多倍，而且在材質(zhì)薄弱處也往往正是應(yīng)力集中處，因此，應(yīng)力超過材料強度極限則發(fā)生局部斷裂，亦即裂紋。
由于淬火應(yīng)力和體積變化，引起零件各部分尺寸均勻變化而不改變零件形狀，稱尺寸脹縮。由于不均勻的淬火應(yīng)力，而使零件形狀改變者，即常說的淬火變形。套圈的徑向不均勻變形大小（長、短軸之差值），通常叫套圈的橢圓度；套圈的軸向不均勻變形，通常叫翹曲變形（見圖1），軸向均勻變形叫蝶形變形（見圖2）。所以，淬火應(yīng)力是產(chǎn)生變形和開裂的主要原因。
圖1 翹曲變形示意
圖2 蝶形變形示意
影響淬火應(yīng)力及淬火前后體積變化的因素歸納起來為：鋼的化學(xué)成分；鋼的純潔度和組織的均勻性；淬火前原始組織的粗細及分布均勻性；淬火加熱速度大小和加熱均勻性；奧氏體的狀態(tài)（加熱溫度高低，保溫時間長短及奧氏體晶粒度大小）；冷卻速度大小（冷卻溫度及冷卻均勻性及淬透深度）；工件表面狀態(tài)（光潔度、脫貧碳、車加工應(yīng)力等）；工件大小、形狀和厚薄差及淬火操作方法等。
2.套圈淬火變形
套圈變形與套圈的剛度S/D及h/D（見圖3、圖4）有關(guān)。一般套圈（非推力套圈）外徑大于70mm，S/D值在0.025～0.068的套圈淬火容易產(chǎn)生大的橢圓度，隨著S/D值減少而橢圓度隨著增加。當(dāng)S/D值大于0.08，淬火后橢圓度明顯減少。
圖 3
圖 4
套圈淬火后翹曲度大小與h/D值大小有關(guān)，h/D值小于或等于0.185的一般套圈和推力套圈，淬火后容易出現(xiàn)翹曲變形。淬火加熱與冷卻不當(dāng)均產(chǎn)生較大的翹曲變形。套圈淬火后蝶形變形一般出現(xiàn)在h/D值0.2的推力套圈或隔圈。
由于淬火變形除套圈本身剛性有關(guān)，其他影響因素也很多。例如：由于材料成分、組織和缺陷的不均勻，退火組織不均勻，淬火溫度過高，加熱不均，冷卻過激和冷卻不均；由于操作不小心，在加熱、冷卻過程中零件產(chǎn)生機械碰撞等原因，加上淬火前套圈可能就有內(nèi)應(yīng)力，橢圓等，會使淬火應(yīng)力的大小和方向在套圈各處分布不一致造成了套圈變形，這些因素分述如下：
（1）加熱和冷卻
同一零件在爐中加熱（特價是箱式電阻爐中），靠近電熱體一側(cè)與另一側(cè)，靠爐前與靠爐后一側(cè)，零件接觸面與非接觸面等都對加熱有所影響。盡量保溫一段時間，表面溫度趨于均勻，但是各處實際溫度與保溫時間并不一樣，淬火冷卻的組織轉(zhuǎn)變也不一樣。因此產(chǎn)生不一致的淬火應(yīng)力，導(dǎo)致套圈的變形。
冷卻不均勻同樣會造成不一致的應(yīng)力而變形，如人工不均勻的竄動，大套圈中心無冷卻液吹動溫度散發(fā)較慢，先入油與后入油等引起各向冷卻速度不均，從而導(dǎo)致不均勻變形。
（2）加熱溫度，保溫時間及原始組織
過分提高淬火溫度，延長保溫時間以及原始組織中存在片狀珠光體或點狀珠光體與正常的球狀珠光體，相比都增大了淬火熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，從而增加淬火后套圈的變形。因此，為了減少套圈變形，盡量采用較低的淬火溫度適當(dāng)?shù)谋貢r間，同時要求具有大小均勻的球狀珠光體的原始組織。
（3）殘留應(yīng)力
經(jīng)淬火的套圈進行返修時，往往產(chǎn)生更大的變形，甚至把已淬火的套圈加熱到淬火溫度，保溫一段時間取出空冷，也會產(chǎn)生更大的變形，這說明了殘留應(yīng)力在加熱中起了作用。
淬火后的套圈是處在應(yīng)力不穩(wěn)定狀態(tài)，在常溫下殘留應(yīng)力不會產(chǎn)生較大的變形。因為常溫下鋼的彈性極限很高，隨著溫度升高，彈性極限迅速下降。如果加熱速度快使殘留應(yīng)力來不及在加熱過程中消除，就會保留較高的溫度。在較高的溫度下，彈性極限若低于殘留應(yīng)力則要引起塑性變形，在加熱溫度不均勻時則表現(xiàn)更明顯。
車加工殘留應(yīng)力也起類似的作用，套圈粗車直接車到成品尺寸，吃刀量大就產(chǎn)生較大的車削應(yīng)力。如果分粗，細兩次加工應(yīng)力就會大大降低。
（4）淬火冷卻介質(zhì)
淬火冷卻介質(zhì)不同套圈淬火后的變形量也不同。如：水、鹽水、20號機油、快速冷卻油、硝鹽等介質(zhì)中淬火，它們的冷卻速度是不相同的。冷卻速度較快的套圈變形量會大，冷卻速度較慢的變形量會小些。
（5）淬火冷卻方式
淬火套圈變形除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力有關(guān)之外，還與機械作用有關(guān)；尤其是剛性較差的薄壁套圈，在高溫下受沖擊最容易產(chǎn)生橢圓。如在：淬火套圈裝架竄動冷卻，用鉤子竄動冷卻或用搖筐，旋轉(zhuǎn)淬火機旋轉(zhuǎn)速度越快冷卻變形越大，重系列套圈還易產(chǎn)生蝶形變形。
（6）車加工的變形
試驗表明，淬火后套圈尺寸的長軸與短軸位置和淬火前（車加工）的長，短軸位置基本上一致這就是說:車加工橢圓度越大，淬火后橢圓度也隨之增大。套圈淬火后的變形大部分是車加工變形和淬火變形的累積。
（7）其他
為了減少套圈淬火變形，可以采取以下措施：
①嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，對于鋼中偏析疏松，帶狀，網(wǎng)狀和碳化物液析以及夾雜物等缺陷要嚴(yán)格控制。
②改善退火組織中碳化物大小和分布。
③淬火前預(yù)整形和進行消除應(yīng)力退火。車加工的殘留變形和車加工殘留應(yīng)力對淬火變形影響較大。對精密品和薄壁、形狀復(fù)雜的零件應(yīng)事先整形和經(jīng)一次450～670℃的消除應(yīng)力退火。
④避免過高的加熱溫度。在能獲得合適的組織和硬度的情況下，不應(yīng)過分強調(diào)提高合金化濃度而提高淬火溫度。對于較細的原始組織（如經(jīng)正火的或經(jīng)二次淬火的），應(yīng)酌情降低淬火溫度。
⑤淬火加熱要緩慢均勻，為此，零件在爐中應(yīng)均勻放置在等溫區(qū)內(nèi)，不要距加熱體太近。要避免翹曲和擠壓；必要時還可采取加熱前經(jīng)400～500℃預(yù)熱，以避免過快加熱和加熱不均勻。
⑥避免過于激烈的冷卻。為此要合理選擇冷卻介質(zhì)和控制介質(zhì)溫度。在不低于臨界冷卻速度的情況下，力求減慢冷卻，特別是在低于450℃以后應(yīng)緩慢冷卻。對易變形的零件，如大直徑的薄壁套圈。可選用分級油淬或硝鹽等溫淬火。
⑦力求冷卻均勻。淬火冷卻時要考慮使零件各部位均勻冷卻。采用壓縮空氣或機械攪拌等冷卻措施。選用旋轉(zhuǎn)淬火機應(yīng)隨套圈直徑的大小采用不同的旋轉(zhuǎn)速度。
⑧避免套圈機械碰撞。在運輸、裝爐、加熱、冷卻過程的操作應(yīng)盡量避免碰撞，特別是在紅熱狀態(tài)下。如：在箱式電爐中加熱，出爐鉤套圈要更加小心鐵鉤往往使套圈鉤出變形。
3.淬火裂紋
裂紋種類很多不一定都是淬火裂紋，如：原材料裂紋、鍛造裂紋、沖壓折迭和磨削裂紋等，也往往在熱處理，磨加工或裝配時才發(fā)現(xiàn)。正確區(qū)分其他類型的裂紋和淬火裂紋，是尋找開裂原因，以采取有效避免措施的重要條件。
原材料裂紋的形狀一般比較直，沿材料纖維方向貫穿整個工件。工件經(jīng)淬火前的軋制，鍛造，退火等高溫加熱，原材料裂紋周圍有較嚴(yán)重的脫碳。
鍛造后觸水或其他原因致鍛造后冷卻速度過大形成的裂紋多數(shù)在套圈端面或壁厚差大處。經(jīng)退火后這種裂紋周圍有脫碳層；有時這種裂紋細小未被發(fā)現(xiàn)，在淬火時被擴大，所以周圍也可能無明顯脫碳。
鍛造折迭裂紋兩端比較齊，無細微尾巴，裂紋周圍有嚴(yán)重脫碳。
磨削裂紋常伴工件表面有嚴(yán)重?zé)齻鸭y較細，呈網(wǎng)狀是典型的磨裂紋。
淬火裂紋的形態(tài)和大小比較復(fù)雜，一般說除表面脫碳和刀花裂紋外，其他淬火裂紋都比較深，裂紋周圍無脫碳層，紋端有尖尾巴，在顯微鏡下尖尾稍附近常有細小裂紋分布。
引起淬火裂紋的原因有：
（1）原材料成分偏析及帶狀組織不均使熱應(yīng)力局部強度增大。
（2）鋼中夾雜物或其他材料缺陷引起鋼中局部強度輕度下降和應(yīng)力集中。
（3）淬火溫度過高或保溫時間過長引起組織過熱，使淬火應(yīng)力大而鋼的強度極限降低。
（4）冷卻介質(zhì)不純，使冷卻不均勻；或介質(zhì)溫度太低以及出油溫度過高而立即冷清洗等，造成過大的淬火應(yīng)力。
（5）在零件倒角、槽溝、油溝、油孔及鉆滾子頂針孔等處易形成的應(yīng)力集中。
（6）表面脫貧碳引起強度極限大大下降。
（7）零件壁厚差大處因冷卻緩慢冷不均引起大的淬火應(yīng)力。
（8）為了防止淬火裂紋的產(chǎn)生，針對其產(chǎn)生原因采取如下措施：
①加強原材料驗收檢查，嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量。
②根據(jù)前述原則合理選擇淬火溫度和保溫時間，嚴(yán)防工件過熱；對過細的退火組織和經(jīng)二次淬火的零件，更要注意這一點。
③根據(jù)前述原則正確選擇冷卻介質(zhì)和冷卻方式，嚴(yán)防淬火油內(nèi)進水，應(yīng)控制淬火介質(zhì)溫度；若出油溫度高出油后不能立即用冷水沖洗，對易開裂的復(fù)雜零件，也可選擇分級淬火。
④淬火加熱前檢查零件表面有無深的車刀痕，碰傷，有無尖的倒角，油溝，油槽，有無過于懸殊的壁厚差等。如有應(yīng)除去應(yīng)力，如果不能除去的話，則應(yīng)從淬火工藝或操作上著手避免淬火裂紋。如淬火前增加消除應(yīng)力退火，淬火前先預(yù)熱工件，適當(dāng)降低淬火溫度，適當(dāng)提高油溫或工件出油溫度；對薄邊，邊緣孔則應(yīng)考慮塞石棉或其他絕熱填料等防止開裂。
⑤采取措施避免脫碳。
⑥套圈淬火后不應(yīng)久停，特別是二次淬火的套圈，淬火后要立即回火，回火時要充分。
4.套圈尺寸脹縮
淬火過程套圈尺寸脹縮來源于：
（1）淬火前后比容不同的各相發(fā)生轉(zhuǎn)變，零件體積變化，使尺寸發(fā)生脹大或縮小。
（2）淬火熱應(yīng)力和組織應(yīng)力使工件各方向發(fā)生彈性伸張或壓縮及塑性變形。
零件各部分尺寸隨鋼的體積增大而變化情況十分復(fù)雜，例如：套圈有的向外徑脹大，有的則向高度方向脹大。套圈尺寸脹縮的具體情況只能從生產(chǎn)實際中摸索出規(guī)律來。生產(chǎn)中大多數(shù)情況下，套圈內(nèi)，外徑脹縮的方向是一致的，則內(nèi)外徑都向外脹或向中心收縮。
正常工藝淬火GCr15鋼套圈外徑比GCr15SiMn鋼脹量要大，不少情況下是套圈內(nèi)，外徑同時收縮，而GCr15SiMn鋼比GCr15鋼收縮更厲害。
冷卻方式的影響，例如：旋轉(zhuǎn)淬火機冷卻時，套圈外徑脹的就比竄動，搖筐冷卻的少。而收縮傾向大。旋轉(zhuǎn)速度越大。外徑脹的少縮的多。
二次淬火時套圈內(nèi)外徑總是收縮。淬火次數(shù)越多收縮也越多。帶錐形的套圈尺寸變化;厚端比薄端脹的多，有時還常出現(xiàn)厚端脹大而薄端收縮的情況，如果兩端都收縮，則薄端比厚端縮的多。
在回火過程中也存在著影響尺寸脹縮的因素，其一是由于殘余奧氏體的分解，淬火鋼的體積將會增大。與之作用相反的是由于馬氏體在回火時過飽和度要降低使其比容減少，將使淬火鋼體積減少。在220～250℃殘留奧氏體分解最快的時候，淬火鋼的體積增大，其余則隨回火溫度升高。第二因素起主要作用使鋼的體積減小。
生產(chǎn)中有時可以根據(jù)回火尺寸脹縮的規(guī)律，用調(diào)整回火工藝的辦法來挽救因尺寸脹縮造成的廢品。
5.結(jié)語
淬火變形開裂和尺寸脹縮量在不同的條件下有不同的主要矛盾，抓住了主要矛盾，在生產(chǎn)實踐中結(jié)累數(shù)據(jù)，驟步調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)來滿足軸承鋼套圈淬、回火工藝要求。
企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)的品種和數(shù)量可選擇國產(chǎn)環(huán)保，節(jié)能帶保護氣氛的先進熱處理淬、回火設(shè)備，套圈采用壓模淬火可減少變形量，減少加工余量，提高生效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
作者：范仲和，在洛陽軸承廠技術(shù)中心從事金屬材料和熱工工藝研究及軸承失效分析工作，有著40多年的工作經(jīng)驗。《金屬加工》資深專家、作者。
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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