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高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)發(fā)展與展望 -熱處理展-工業(yè)爐展-2014第十五屆廣州國際熱處理、工業(yè)爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業(yè)爐展--巨浪展覽—The 15th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment,Industrial Furnace Exhibition
2014年4月23日 熱處理展-工業(yè)爐展 |
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在概述我國軸承工業(yè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從熱處理工藝技術(shù)研究、熱處理設(shè)備的優(yōu)化及熱處理基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)三個方面，回顧了我國軸承熱處理技術(shù)的發(fā)展歷程，并對軸承熱處理技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
軸承作為關(guān)鍵的基礎(chǔ)件，一直受到各個國家的重視，被列為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，二戰(zhàn)期間盟軍把德國的軸承制造企業(yè)作為轟炸的重點(diǎn)。我國近年發(fā)布的各種規(guī)劃中，將為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)配套的高速、精密、重載軸承排在關(guān)鍵基礎(chǔ)件及通用件的首位;在多個國家科技重大專項(xiàng)、“973”項(xiàng)目中，軸承被列為重要研究課題。由此可見，國家對軸承產(chǎn)業(yè)給予了高度重視。
中國軸承工業(yè)從最早的瓦房店軸承廠起步，經(jīng)歷60多年的發(fā)展，從無到有，從小到大，特別是改革開放以來，中國軸承工業(yè)持續(xù)、穩(wěn)定、高速發(fā)展，已形成獨(dú)立完整的工業(yè)體系，成為在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重地位的戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)。
2012年，全國軸承行業(yè)的主營業(yè)務(wù)收入1320億元，其中軸承為960億元，產(chǎn)量為170億套，位居世界第三位，根據(jù)軸承行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，2015年中國軸承行業(yè)主營業(yè)務(wù)收入將達(dá)到2220億元，產(chǎn)量將達(dá)到280億套。我國已成為軸承制造大國，并向軸承強(qiáng)國邁進(jìn)。與國外知名公司，如SKF、舍弗勒、NSK等相比，我國軸承的技術(shù)、質(zhì)量水平等方面還有相當(dāng)大的差距，高端軸承技不如人，中低端軸承質(zhì)不如人。主要表現(xiàn)在產(chǎn)品技術(shù)水平低(品種少，軸承質(zhì)量不穩(wěn)定、壽命及可靠性低)，產(chǎn)品制造水平低(工藝與裝備落后、生產(chǎn)效率低)。不少關(guān)鍵主機(jī)的關(guān)鍵部位用軸承，如高速鐵路軸箱軸承、精密數(shù)控機(jī)床主軸軸承、高速軋機(jī)軸承等，還主要依賴進(jìn)口。其中，軸承的壽命及可靠性與國外先進(jìn)水平相比差距最大，而影響軸承壽命及可靠性最主要的因素之一就是軸承材料及其熱處理，這也是我國軸承行業(yè)近幾個五年規(guī)劃中一直在開展共性技術(shù)攻關(guān)的主要內(nèi)容之一。
以GCr15為代表的高碳鉻軸承鋼已有100多年的使用歷史，占軸承用鋼的95%。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)對這類鋼的熱處理技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。我國的軸承熱處理技術(shù)在20世紀(jì)50、60年代一直照搬前蘇聯(lián)的技術(shù)，以引進(jìn)、吸收為主，極少開展較為系統(tǒng)或深入的研究。70年代中后期開始引進(jìn)歐、美、日的技術(shù)，同時，由洛陽軸承研究所牽頭，組織開展了引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，并根據(jù)國外技術(shù)的發(fā)展動向，由洛陽軸承研究所及相關(guān)單位進(jìn)行了大量系統(tǒng)、深入的研究工作。以下就高碳鉻軸承鋼熱處理工藝技術(shù)研究、熱處理設(shè)備的變化及熱處理基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)三個方面，回顧中國軸承熱處理技術(shù)的發(fā)展歷程，并對軸承熱處理技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為從事軸承熱處理技術(shù)研究和生產(chǎn)的有關(guān)人士提供借鑒。
1、軸承熱處理技術(shù)研究
1.1、常規(guī)馬氏體淬火、回火
高碳鉻軸承鋼制軸承零件的最終熱處理主要以常規(guī)馬氏體淬回火為主。20世紀(jì)70年代未至80年代初期，以洛陽軸承研究所為主，利用當(dāng)時先進(jìn)的分析手段(透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、TLP接觸疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)等)，先后開展了《GCr15鋼熱處理工藝的研究》、《GCr15軸承鋼不同淬回火組織對接觸疲勞性能的影響》、《GCr15軸承鋼的硬度對接觸疲勞壽命的影響》、《GCr15軸承鋼晶粒度和碳化物細(xì)化工藝的研究》、《GCr15SiMn鋼熱處理工藝的研究》等課題的研究，研究內(nèi)容涵蓋:不同淬火溫度和保溫時間及不同回火溫度和時間對顯微組織、馬氏體形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)、晶粒度、殘留奧氏體含量、馬氏體中含碳量、硬度、彎曲強(qiáng)度、壓碎載荷、沖擊韌度、耐磨性、接觸疲勞壽命的影響;殘留奧氏體對軸承零件尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響等。通過這一系列系統(tǒng)、深入的研究，摸清了馬氏體淬回火工藝參數(shù)對組織、性能的影響，為高碳鉻軸承鋼熱處理工藝的制定、性能的控制、熱處理標(biāo)準(zhǔn)的制修訂等提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并通過研究成果向行業(yè)的推廣，穩(wěn)定和提高了熱處理產(chǎn)品質(zhì)量，提升了行業(yè)的熱處理技術(shù)水平。
1.2、馬氏體應(yīng)力淬火
馬氏體應(yīng)力淬火也稱高碳鉻軸承鋼碳氮共滲淬火。1981年，洛陽軸承研究所完成了《GCr15鋼碳氮共滲工藝的研究》，其工藝是在含碳、氮的氣氛中，以較低的溫度(810～840℃)進(jìn)行較長時間加熱保溫(2～8h)后淬火，在零件表面獲得化合物層+固溶層(含氮馬氏體)+過渡層的滲層組織。利用共滲后在表層獲得較高的碳氮含量，使表層的馬氏體轉(zhuǎn)變時間遲于心部，從而在表面下0.2～0.4mm處獲得較大的殘余壓應(yīng)力(約-300MPa)。研究表明:該鋼碳氮共滲淬回火后與常規(guī)馬氏體淬回火相比，抗回火性提高(160℃回火后硬度高2～2.6HRC，250℃回火后硬度高4.5HRC)，接觸疲勞壽命L10提高了1.4倍，微變形抗力分別提高1.2～1.6倍(共滲后不進(jìn)行冷處理)、2.2～2.6倍(進(jìn)行冷處理)。雖然該工藝在長壽命、高精度軸承上有著廣泛的應(yīng)用前景，但鑒于當(dāng)時對軸承的壽命和可靠性的要求沒有受到足夠的重視，以及受限于設(shè)備條件和成本考慮，在研究后的20多年間沒有得到推廣應(yīng)用。
進(jìn)入21世紀(jì)后，對軸承壽命和可靠性提出了較高的要求，該工藝又重新受到關(guān)注。國外軸承公司對高碳鉻軸承鋼碳氮共滲工藝進(jìn)行改良，推出所謂的“特殊熱處理”。其核心理念是利用碳氮共滲淬火后在表層保留大量的殘留奧氏體(約30%)，并形成較多的細(xì)小、彌散的碳氮化物，大幅提高軸承在污染潤滑環(huán)境下的接觸疲勞壽命。國內(nèi)也開展了類似的研究，并在軸承行業(yè)推廣，取得了良好的效果。
1.3、貝氏體等溫淬火
國外在20世紀(jì)50年代就開始了GCr15等軸承鋼的貝氏體等溫淬火，并在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，如FAG、SKF等世界著名軸承公司成功地將等溫淬火工藝應(yīng)用于鐵路、汽車、軋機(jī)、起重機(jī)、鉆具等耐沖擊和潤滑不良的軸承上。國內(nèi)軸承行業(yè)在20世紀(jì)70年代末開始對高碳鉻軸承鋼的貝氏體淬火進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究，先后完成《鐵路客車軸承材料及熱處理技術(shù)研究》、《軸承鋼等溫?zé)崽幚砉に嚰捌湓谲垯C(jī)軸承上的應(yīng)用》等課題。自20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)開始應(yīng)用在鐵路貨車軸承及軋機(jī)軸承的熱處理上。自90年代初，該貝氏體淬火工藝在軋機(jī)、機(jī)車、鐵客等軸承上得到推廣應(yīng)用，尤其在軋機(jī)軸承和提速及準(zhǔn)高速鐵路軸承的生產(chǎn)上推廣應(yīng)用迅速，同時開發(fā)了適合于貝氏體淬火的鋼種GCr18Mo。
綜合國內(nèi)外研究成果可知，高碳鉻軸承鋼下貝氏體組織能提高鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率，與相同溫度回火的馬氏體組織相比，具有更高的沖擊性能、斷裂韌性、耐磨性及尺寸穩(wěn)定性，表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力;在潤滑不良條件下(如煤漿或水這類介質(zhì))，全下貝氏體組織的接觸疲勞壽命呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，具有比低溫回火的馬氏體組織高得多的接觸疲勞壽命，如水潤滑時全下貝氏體組織的L10=168h，回火馬氏體組織的L10=52h，還可降低滾子軸承的邊緣應(yīng)力集中。但在應(yīng)用貝氏體等溫淬火時，應(yīng)注意其局限性。在以耐磨性和接觸疲勞壽命要求為主的、在潔凈潤滑條件下工作的軸承，還應(yīng)采用馬氏體淬火+低溫回火或采用碳氮共滲淬回火。
1.4、表面改性技術(shù)
軸承的失效主要發(fā)生在零件的滾動工作面上，改變軸承的滾動工作面的性能可顯著改善軸承的工作性能。20世紀(jì)80年代后期開始，國內(nèi)軸承行業(yè)開展了表面改性技術(shù)在軸承上的應(yīng)用研究。主要包括:軸承零件的氮離子注入、碳(氮)化鈦表面涂層、DLC(GLC)耐磨減摩涂層、離子濺射二硫化鉬減摩涂層、低溫離子滲硫等。這些研究成果在軸承上均取得了良好的應(yīng)用效果，但由于成本問題，目前這些技術(shù)還主要應(yīng)用于有特殊要求的軸承。
結(jié)束語
高碳鉻軸承鋼一直是作為軸承套圈和滾動體的主要材料，雖然隨著需要其成分進(jìn)行了一定的調(diào)整，開發(fā)出相應(yīng)的新鋼種，但基本成分沒有太大的變化。開發(fā)新的熱處理工藝提高其性能，或提高熱處理設(shè)備的技術(shù)水平保證熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性，對于提高軸承的壽命和可靠性乃至節(jié)能環(huán)保，均具有非常重要的意義和作用。欲實(shí)現(xiàn)我國由軸承制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的夢想，在熱處理理論和工藝裝備技術(shù)方面尚有大量工作需進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究和開發(fā)。
熱處理展-工業(yè)爐展-2014第十五屆廣州國際熱處理、工業(yè)爐展覽會-中國效果最好的熱處理工業(yè)爐展--巨浪展覽—The
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