gcr15轴承钢球的热处理工艺及质量控制剖析

gcr15轴承钢球的热处理工艺及质量控制剖析内容摘要：

山机械、电机轴承、通用机械用轴承钢球。 其中滚动体 8 材料必须具有的特性：接触疲劳强度高；硬度高；纯洁度高；耐磨性好；组织稳定性好；机械加工性能好。 因此滚动体的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。 常用的轴承材料，一般用强度高、耐磨性好的铬锰高碳钢制造。 根据这样的工作条件，对材料要求如下： ①有较高的弹性极限和疲劳强度。 能耐微塑性变形； ②材料致密，非金属夹杂少，显微组织均匀； ③通过热处理能得到很高的硬度，而且硬度均匀，无软点，在长时期保持硬度稳定不变，淬 透性要好，或能淬硬至必要深度，同时要求通过机械加工能够得到很高的表面光洁度，以保证有很好的耐磨性和较低的摩擦系数； ④有较好的耐腐蚀性和化学稳定性； ⑤在制成的成品应有很好的尺寸稳定性，能在较长的工作或库存以后，保持尺寸与几何精度在合格的范围内； 当然，还要求加工的工艺性要好。 以上为轴承钢球对材料的要求，而对于特殊工况下的轴承钢球，除满足上述一般要求外，根据其对耐高温、抗腐蚀、无磁性、超低温、高精度、特长寿命的特殊要求，应该选用相应的特殊轴承钢球材料。 轴承钢球的失效 在机、电、工业中，轴承是应用最为广 泛的基础件之一，尤其是滚动轴承。 无论是普通的机械设备、运输工具还是航空、航海、航天，凡是有转动的地方，就有轴承钢球在工作。 显然，确保轴承钢球在各种环境条件下都能正常工作，是十分重要的。 轴承钢球在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。 轴承钢球失效的原因往往是多因素的，但在一般情况下，大体上可以从外来因素和内在因素。 外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。 安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承 将在不正常的状态下运转并提早失效。 轴承在使用时发现异常应立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。 对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。 这些都是导致轴承钢球失效的主要外在因素。 9 内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素。 也可称之为制造质量因素。 结构设计不合理当然不可能有合理的轴承钢球的寿命。 只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。 轴承钢球的制造要经过钢材冶炼、锻造、冲压、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。 最直接影响成品轴承钢球质量的是热处理和磨削加工工 艺。 随着冶金技术的提高，原材料质量得到较大的改善，在轴承钢球失效分析中所占的比重已经明显下降，但至今它仍然是轴承钢球失效的主要影响因素之一。 另外，选材是否得当仍然是轴承钢球失效必须考虑的因素。 毕业设计论文代做平台 《 580 毕业设计网》 是专业代做团队 也有大量毕业设计成品提供参考 3139476774 3449649974 轴承失效的形式与负荷大小有关，转速高低等工作条件以及轴承的精度有关。 主要失效形式： a、接触疲劳（疲劳磨损）失效； b、沾附和磨粒磨损失效；c、断裂失效； d、塑形变形失 效； e、腐蚀和腐蚀磨损。 f、失效游隙变化失效 为了防止轴承零件和成品在加工、存放和使用过程中被腐蚀生锈，要求轴承钢应具有良好的防锈性能。 大多失效原因是由于装配有毛病，密封不良而造成损坏的。 为使轴承能够正常运转，避免零件表面直接接触，减少轴承内部的磨擦及磨损。 提高轴承性能，延长轴承的使用性能，必须对轴承进行润滑 轴承钢表面处理技术 : 轴承钢通常在 450～ 650℃温度中就会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因过大的形变而不能继续使用，一般不加保护的轴承钢的耐火极限为 15 分钟左右。 这一时间的 长短还与构件吸热的速度有关。 要使轴承钢材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将轴承钢的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。 防止轴承钢在火灾中迅速升温发生形变塌落，其措施是多种多样的，关键是要根据不同情况采取不同方法，如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧轴承钢，降低热量传递的速度推迟轴承钢温升、强度变弱的时间等。 但无论采取何种方法，其原理是一致的。 下面介绍几种不同轴承钢的防火保护措施。 10 一、外包层。 就是在轴承钢外表添加外包层，可以现浇成型，也可以采用喷涂法。 现浇成型的实 体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。 喷涂法可以在施工现场对轴承钢表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。 同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在轴承钢上。 二、充水 (水套 )。 空心型轴承钢内充水是抵御火灾最有效的防护措施。 这种方法能使轴承钢在火灾中保持较低的温度，水在轴承钢内循环，吸收材料本身受热的热量。 受热的水经冷却后可以进行再循环，或由管道引入凉水来取代受热的水。 三、屏蔽。 轴承钢设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。 这是一种最为经济的防火方法。 四、膨胀材料。 采用轴承钢防火涂料保护构件，这种方法具有防火隔热性能好、施工不受轴承钢几何形体限制等优点，一般不需要添加辅助设施，且涂层质量轻，还有一定的美观装饰作用，属于现代的先进防火技术措施。 目前，高层轴承钢建筑日趋增多，尤其是一些超高层建筑，采用轴承钢材料更为广泛。 高层建筑一旦发生火灾事故，火不是在短时间内就能扑灭的，这就要求我 们在建筑设计时，加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限，并在建筑内部制订必要的应急方案，以减少人员伤亡和财产损失。 轴承钢是质量要求很严格的钢类。 目前对轴承钢提出的要求有：用户免加工和检查、提高质量、规格细化和提高尺寸精度等，而且，对这些要求的重要程度越来越高。 为满足这些要求， JFE 制钢使用了各种保证产品质量和进行精加工的设备生产轴承钢。 这些设备与新开发的提高质量的技术相结合，可以生产尺寸范围宽、质量高、附加值高的热处理和热轧轴承钢。 GCr15 轴承钢球一般加工路线 球坯成型（冷镦成型）→锉削（光球 ）→软磨→热处理（球化退火 +淬火 +低温回火）→硬磨→细研→精研→（或抛光）→超精研 冷镦工序的主要是为了冲压出合格的球坯，同时可使钢材在冷镦过程中成分 11 更加均匀，有效减少缺陷（夹杂、偏析等不良组织）含量，使工件组织缺陷的影响减小到最小，为后续工序做好形状上和组织上的准备。 锉削（光球）工序设计为了去除球坯的环带和两极，纠正镦压偏差，统一钢球直径公差。 软磨工序是为了去除锉削加工后遗留下的锉齿齿痕，锉削疲劳及材料的脱碳层，以提高热处理前的钢球精度，使工件外形更接近所需尺寸，为以后工序留好加工余量，以防后续加工出 现尺寸偏差无法补救。 热处理工序是为了使钢球形成合适的内部组织，具有一定硬度，以保证它具有一定的强度和耐磨性能等。 钢球一般热处理工艺顺序： 预备热处理（球化退火）→最终热处理（淬火 +低温回火） 硬磨工序是为了纠正软磨工序的球形误差以及清除热处理时的尺寸变形、脱碳层、氧化皮和表皮组织缺陷使工件的尺寸符合工件所需尺寸，达到技术要求，同时通过硬磨在表层形成加工硬化层，进一步提高工件的力学性能。 细研工序是为了使硬磨后的钢球满足所需求的精度要求，减小钢球表面粗糙度，为以后工序的研磨打下良好的基础。 抛光通常在表面 处理后进行，其目的是去除金属表面细微划痕，降低工件的表面粗糙度值，使工件获得装饰性外观，同时也使工件在使用过程中减小摩擦阻力，尤其是球体类零件，可以先主增强其使用寿命。 精研和超精研工序进一步改善钢球的球形误差和减小表面粗糙度，提高表面质量，达到标准。 GCr15 轴承钢球热处理工艺设计与分析 热处理分为淬火 . 回火 正火 退火 淬火与回火：轴承钢的淬火与回火是热处理工艺中很重要的、应用非常广泛的工序。 淬火能显著提高钢的强度和硬度。 如果再配以不同温度的回火，即可消除（或减轻）淬火内应力，又能得到强度、硬度 和韧性的配合，满足不同的要求。 所以，淬火和回火是密不可分的两道热处理工艺。 （ 1）淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度（ Vc）冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。 12 （ 2）回火是将淬火钢加热至 A1 点以下某一温度保温一定时间后，以适当方式冷到室温的热处理工艺。 它是紧接淬火的下道热处理工序，同时决定了钢在使用状态下的组织和性能，关系着工件的使用寿命，故是关键工序。 退火：退火是生产中常用的预备热处理工艺，是把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近 平衡组织的热处理工艺。 其目的是消除或减少铸、锻及焊件的内应力与化学成分的组织不均匀性；能改善和调整钢的机械性能及工艺性能，为我们的旋削加工工序作好组织准备（简单的说：降低硬度，便于加工，为淬火做准备）。 而我们所使用的钢材实际上在钢厂就进行“球化退火”处理（加热到 750－ 770 度，保温一定时间，在缓慢冷却到 600 度以下空冷）。 钢的退火工艺种类颇多，有完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和扩散退火等；也有再结晶退火、去应力和去氢退火等； 同样，对于不锈钢的轴承产品，也必须经过这样的热处理工艺，当然 淬火的曲线（温度和时间）有所不同，温度更高（ 1040177。 10℃），时间相对也长。 而且在分级淬火后半个小时内还要进行深冷处理（前面对此已经作过论述），其主要作用是减少组织中的残余奥氏体，稳定组织，提高套圈精度的稳定性。 但是，在深冷处理时也要控制奥氏体的含量不能过少，因为一定量残余奥氏体有利于轴承寿命的提高。 预先热处理工艺设计 预先热处理是球化退火，因此只要讨论球化退火工艺设计。 球化目的：使钢球中碳化物球化，并均匀化学成分，达到改善机械加工性能，消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。 球化退火后获得细球状珠光体，硬度低，易于切削加工，表面光洁度较高。 球化退火后的细球状珠光体可改善钢热处理后的最终力学性能。 球化退火方法：将钢加热到稍低于或稍高于 Ac1 的温度或者使温度在 A1 上下周期变化，然后缓慢冷下来，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。 球化退火设计方案一 （ 1） 球化退火方案一工艺及设备 将钢球加热到 780810℃，保温 26h 后，随炉冷至 600℃取出空冷，退火方 13 案一曲线图见图 2。 图 2 球化退火方案一曲线图 设备选择： RX3159 箱式炉。 其设备如图 3 所示。 图 3 RX3159 箱式炉 （ 2） 球化退火方案一分析： ①退火温度 GCr15 轴承钢的热处理加热范围为 780810℃，而 790℃被认为是最合适的温度，在此温度加热，部分碳化物溶解，细链状碳化物也可以消除。 细小未融的碳化物较多，所形成的奥氏体成分不均匀，于是在冷却时，为融碳化物变成核心，渗碳体在晶界区和晶粒内碳浓度较高的区域以球状析 出，形成球化组织。 如果加热温度过高，奥氏体成分均匀，片状珠光体溶解量过少，冷却时的结晶核心减少，形成的珠光体将呈片状。 如果温度过低，片状珠光体溶解不充分，奥氏体成分不均匀，则冷却过程中，碳化物沿原片状层析出或呈细小的链状。 在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。 因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火时间 空冷 温度 780810℃ 炉冷 26h 14 前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。 普通球化退火是将钢加热到 Ac1 以上 20～ 30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却， 冷到 600℃左右出炉空冷。 等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于 Ar1 的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的 倍。 等温后随炉冷却至 600℃左右出炉空冷。 和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 退火温度为 780810℃时，退火硬度最低，温度过高或过低均使硬度升高 ②保温时间 从完成组织转变的过程来看，具有正常锻造组织的 GCr15 轴承钢球在 780℃时，珠光体向奥氏体转变在 510min 内可完成。 适当延长保温时间，可降低 网状渗碳体的级别如果保温 3040min，可使＜ 级的网状碳化物基本球化。 因此退火保温时间实际上一个小时就够了。 但对于大批量生产来说，由于炉内温度不易均匀，通常需要保温 26h，这视工件大小、装炉量、装炉方式及原始组织不均匀而定。 ③退火冷却 球化退火冷却速度决定了碳化物的分散度。 冷却速度大时，珠光体转变的形核率增加，会形。