热处理展-工业炉展-2024第二十四届广州国际热处理、工业炉展览会-巨浪展览—The 24th China(Guangzhou) Heat Treatment,Industrial Furnace Expo

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高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术发展与展望 -热处理展-工业炉展-2014第十五届广州国际热处理、工业炉展览会-中国效果最好的热处理工业炉展--巨浪展览—The 15th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment,Industrial Furnace Exhibition
2014年4月23日热处理展-工业炉展

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在概述我国轴承工业现状的基础上，从热处理工艺技术研究、热处理设备的优化及热处理基础标准三个方面，回顾了我国轴承热处理技术的发展历程，并对轴承热处理技术发展方向进行了展望。轴承作为关键的基础件，一直受到各个国家的重视，被列为战略产业，二战期间盟军把德国的轴承制造企业作为轰炸的重点。我国近年发布的各种规划中，将为战略新兴产业配套的高速、精密、重载轴承排在关键基础件及通用件的首位;在多个国家科技重大专项、“973”项目中，轴承被列为重要研究课题。由此可见，国家对轴承产业给予了高度重视。中国轴承工业从最早的瓦房店轴承厂起步，经历60多年的发展，从无到有，从小到大，特别是改革开放以来，中国轴承工业持续、稳定、高速发展，已形成独立完整的工业体系，成为在国民经济中具有举足轻重地位的战略支柱产业。 2012年，全国轴承行业的主营业务收入1320亿元，其中轴承为960亿元，产量为170亿套，位居世界第三位，根据轴承行业“十二五”发展规划，2015年中国轴承行业主营业务收入将达到2220亿元，产量将达到280亿套。我国已成为轴承制造大国，并向轴承强国迈进。与国外知名公司，如SKF、舍弗勒、NSK等相比，我国轴承的技术、质量水平等方面还有相当大的差距，高端轴承技不如人，中低端轴承质不如人。主要表现在产品技术水平低(品种少，轴承质量不稳定、寿命及可靠性低)，产品制造水平低(工艺与装备落后、生产效率低)。不少关键主机的关键部位用轴承，如高速铁路轴箱轴承、精密数控机床主轴轴承、高速轧机轴承等，还主要依赖进口。其中，轴承的寿命及可靠性与国外先进水平相比差距最大，而影响轴承寿命及可靠性最主要的因素之一就是轴承材料及其热处理，这也是我国轴承行业近几个五年规划中一直在开展共性技术攻关的主要内容之一。以GCr15为代表的高碳铬轴承钢已有100多年的使用历史，占轴承用钢的95%。发达国家已经对这类钢的热处理技术进行了大量的研究。我国的轴承热处理技术在20世纪50、60年代一直照搬前苏联的技术，以引进、吸收为主，极少开展较为系统或深入的研究。70年代中后期开始引进欧、美、日的技术，同时，由洛阳轴承研究所牵头，组织开展了引进技术的消化吸收，并根据国外技术的发展动向，由洛阳轴承研究所及相关单位进行了大量系统、深入的研究工作。以下就高碳铬轴承钢热处理工艺技术研究、热处理设备的变化及热处理基础标准三个方面，回顾中国轴承热处理技术的发展历程，并对轴承热处理技术发展方向进行了展望，以期为从事轴承热处理技术研究和生产的有关人士提供借鉴。 1、轴承热处理技术研究 1.1、常规马氏体淬火、回火高碳铬轴承钢制轴承零件的最终热处理主要以常规马氏体淬回火为主。20世纪70年代未至80年代初期，以洛阳轴承研究所为主，利用当时先进的分析手段(透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪、TLP接触疲劳寿命试验机等)，先后开展了《GCr15钢热处理工艺的研究》、《GCr15轴承钢不同淬回火组织对接触疲劳性能的影响》、《GCr15轴承钢的硬度对接触疲劳寿命的影响》、《GCr15轴承钢晶粒度和碳化物细化工艺的研究》、《GCr15SiMn钢热处理工艺的研究》等课题的研究，研究内容涵盖:不同淬火温度和保温时间及不同回火温度和时间对显微组织、马氏体形态和亚结构、晶粒度、残留奥氏体含量、马氏体中含碳量、硬度、弯曲强度、压碎载荷、冲击韧度、耐磨性、接触疲劳寿命的影响;残留奥氏体对轴承零件尺寸稳定性和力学性能的影响等。通过这一系列系统、深入的研究，摸清了马氏体淬回火工艺参数对组织、性能的影响，为高碳铬轴承钢热处理工艺的制定、性能的控制、热处理标准的制修订等提供了坚实的理论基础，并通过研究成果向行业的推广，稳定和提高了热处理产品质量，提升了行业的热处理技术水平。 1.2、马氏体应力淬火马氏体应力淬火也称高碳铬轴承钢碳氮共渗淬火。1981年，洛阳轴承研究所完成了《GCr15钢碳氮共渗工艺的研究》，其工艺是在含碳、氮的气氛中，以较低的温度(810～840℃)进行较长时间加热保温(2～8h)后淬火，在零件表面获得化合物层+固溶层(含氮马氏体)+过渡层的渗层组织。利用共渗后在表层获得较高的碳氮含量，使表层的马氏体转变时间迟于心部，从而在表面下0.2～0.4mm处获得较大的残余压应力(约-300MPa)。研究表明:该钢碳氮共渗淬回火后与常规马氏体淬回火相比，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)，接触疲劳寿命L10提高了1.4倍，微变形抗力分别提高1.2～1.6倍(共渗后不进行冷处理)、2.2～2.6倍(进行冷处理)。虽然该工艺在长寿命、高精度轴承上有着广泛的应用前景，但鉴于当时对轴承的寿命和可靠性的要求没有受到足够的重视，以及受限于设备条件和成本考虑，在研究后的20多年间没有得到推广应用。进入21世纪后，对轴承寿命和可靠性提出了较高的要求，该工艺又重新受到关注。国外轴承公司对高碳铬轴承钢碳氮共渗工艺进行改良，推出所谓的“特殊热处理”。其核心理念是利用碳氮共渗淬火后在表层保留大量的残留奥氏体(约30%)，并形成较多的细小、弥散的碳氮化物，大幅提高轴承在污染润滑环境下的接触疲劳寿命。国内也开展了类似的研究，并在轴承行业推广，取得了良好的效果。 1.3、贝氏体等温淬火国外在20世纪50年代就开始了GCr15等轴承钢的贝氏体等温淬火，并在生产上推广应用，如FAG、SKF等世界著名轴承公司成功地将等温淬火工艺应用于铁路、汽车、轧机、起重机、钻具等耐冲击和润滑不良的轴承上。国内轴承行业在20世纪70年代末开始对高碳铬轴承钢的贝氏体淬火进行了大量基础研究，先后完成《铁路客车轴承材料及热处理技术研究》、《轴承钢等温热处理工艺及其在轧机轴承上的应用》等课题。自20世纪80年代开始，国内开始应用在铁路货车轴承及轧机轴承的热处理上。自90年代初，该贝氏体淬火工艺在轧机、机车、铁客等轴承上得到推广应用，尤其在轧机轴承和提速及准高速铁路轴承的生产上推广应用迅速，同时开发了适合于贝氏体淬火的钢种GCr18Mo。综合国内外研究成果可知，高碳铬轴承钢下贝氏体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组织相比，具有更高的冲击性能、断裂韧性、耐磨性及尺寸稳定性，表面应力状态为压应力;在润滑不良条件下(如煤浆或水这类介质)，全下贝氏体组织的接触疲劳寿命呈现出明显的优越性，具有比低温回火的马氏体组织高得多的接触疲劳寿命，如水润滑时全下贝氏体组织的L10=168h，回火马氏体组织的L10=52h，还可降低滚子轴承的边缘应力集中。但在应用贝氏体等温淬火时，应注意其局限性。在以耐磨性和接触疲劳寿命要求为主的、在洁净润滑条件下工作的轴承，还应采用马氏体淬火+低温回火或采用碳氮共渗淬回火。 1.4、表面改性技术轴承的失效主要发生在零件的滚动工作面上，改变轴承的滚动工作面的性能可显著改善轴承的工作性能。20世纪80年代后期开始，国内轴承行业开展了表面改性技术在轴承上的应用研究。主要包括:轴承零件的氮离子注入、碳(氮)化钛表面涂层、DLC(GLC)耐磨减摩涂层、离子溅射二硫化钼减摩涂层、低温离子渗硫等。这些研究成果在轴承上均取得了良好的应用效果，但由于成本问题，目前这些技术还主要应用于有特殊要求的轴承。结束语高碳铬轴承钢一直是作为轴承套圈和滚动体的主要材料，虽然随着需要其成分进行了一定的调整，开发出相应的新钢种，但基本成分没有太大的变化。开发新的热处理工艺提高其性能，或提高热处理设备的技术水平保证热处理质量的稳定性，对于提高轴承的寿命和可靠性乃至节能环保，均具有非常重要的意义和作用。欲实现我国由轴承制造大国向制造强国转变的梦想，在热处理理论和工艺装备技术方面尚有大量工作需进行系统、深入的研究和开发。热处理展-工业炉展-2014第十五届广州国际热处理、工业炉展览会-中国效果最好的热处理工业炉展--巨浪展览—The
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