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制约国产轴承发展的绊脚石——热处理技术国内外差距大

发表时间:2018-04-28 14:21

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    1.高碳铬轴承钢的退火
    高碳铬轴承钢的理想退火结构是一种结构,其中细小,均匀和圆形的碳化物颗粒分布在铁素体基体上,并为随后的冷加工和最终淬火和回火做好准备.目前,除少数使用周期设备的企业外,通常使用没有保护气氛的单通道推进式等温退火炉.退火的显微组织和硬度控制相对成熟可靠,退火结构可以很容易地控制在JB1255标准的第2到第3或细点结构.问题是能量消耗高,退火后氧化脱碳严重.近年来,从节能的角度出发,开发了用于油电复合加热等温退火炉和双室头尾并置(水平或上下)的等温退火炉.节能效果显着,应大力推广.同时,随着坯料的精密成形工艺随着设备的出现,氮气保护气氛等温退火炉已被用于减少退火过程中的氧化脱碳,降低原材料消耗和加工成本.
    2.高碳铬轴承钢的马氏体淬火和回火
    常规高碳铬轴承钢马氏体淬火回火工艺的发展主要分为三个方面:一,淬火回火工艺参数对淬火回火过程中组织和性能影响的基本研究,如淬火回火过程中的结构转变,淬火回火后残余奥氏体的分解,韧性和疲劳性能;二,研究淬火和回火的性能,如淬火条件对尺寸和变形的影响,尺寸稳定性等;第三,禁止氧化或保护大气被加热以促进受控气氛加热.
    2.1绊脚石组织和业绩
    常规马氏体淬火后的显微组织由马氏体,残余奥氏体和未溶解(残余)碳化物组成.在轴承钢淬火后,马氏体基体的碳含量约为0.55%.微观结构通常是板条和片状马氏体的混合结构,或者是两个 - 枣核马氏体之间的中间形式.轴承工业中所谓的隐晶马氏体和结晶马氏体;其子结构主要是位错纠缠和少量双胞胎.随着淬火温度的升高或保温时间的延长,组织的形态逐渐从隐晶质变为细晶针状.通常,淬火后的正常结构是隐晶+晶体+细针状马氏体的混合物.一旦存在大量不同的针状马氏体,组织就不合格,应该避免.国内外对淬火和回火对性能的影响进行了大量研究.洛阳轴承研究所在20世纪80年代开展了GCr15钢热处理工艺的研究.结果表明,当淬火加热温度为835~865℃,回火温度为150~180℃时,可以获得更好的综合力学性能和接触疲劳寿命.在845℃淬火时,破碎载荷最高,疲劳寿命最长.回火温度升高,保持时间延长,硬度降低,强度和韧性得到改善.对于有特殊要求的零件或使用较高温度回火来提高轴承温度,或在淬火和回火之间在-40~-78℃之间以提高轴承的尺寸稳定性,或马氏体分级淬火以稳定残余奥氏体的结果高尺寸稳定性和高韧性.淬火和加热后,轴承钢在250℃下进行短时分级等温空气冷却,然后进行180℃回火,或等温马氏体相变(马氏体等温度),以获得淬火后马氏体中的碳浓度.与传统的淬火和回火相比,更均匀,增加稳定的残余奥氏体的量和冲击韧性加倍.
    目前,国外轴承一般采用所谓的个性化设计,即轴承供应前的轴承状况,针对工况进行有针对性的设计,对目标质量要求.还提出了热处理,轴承寿命最长. .根据JB1255统一控制轴承零件的国内热处理要求,JB1255相对粗糙且不个性化.应改进对轴承状态的要求,并应匹配内圈和外圈以及滚动体的硬度.
    2.2常规马氏体淬火的发展趋势
    目前,传统的轴承零件马氏体淬火大多采用链式炉和网带式炉等连续淬火设备,淬火后的显微组织和硬度等指标容易控制在所需范围内.对于这种淬火工艺,未来的发展方向有以下两个方面:
    2.3.1淬火变形的控制
    淬火加热设备基本上采用保护气氛或受控气氛,可以保证不脱碳,或根据需要进行碳或渗碳,从而可以大大压缩热处理后的加工余量.然而,加工余量的可压缩性通常受到淬火变形的限制.目前,淬火变形(特别是变形)成为控制加工余量的主要因素;对于密封防尘轴承的套圈,淬火变形会影响防尘罩的压紧,从而影响密封性能.因此,减少淬火变形或实现零变形将是传统马氏体淬火中要解决的主要问题.由于影响淬火变形的因素很多,变形机理更加复杂.因此,每个制造商应根据自身设备和产品特性等各种因素,探索一些有效措施来控制生产实践中的变形.如控制工件的放置,输入油的方法,淬火油和油温,搅拌等,实现较少,不失真淬火.
    2.3.2残余应力以及残余奥氏体的控制和评估在中国目前的热检验标准中,残余应力和残余奥氏体没有限制.大量研究表明,残余应力会影响零件的接触疲劳性能,韧性和磨削裂纹.适当的残余压应力可以提高接触疲劳寿命,防止磨削和安装裂缝;残余奥氏体降低了尺寸稳定性.影响程度与残余奥氏体本身的稳定性,数量和位置有关.然而,适量的残余奥氏体可以改善断裂韧性和接触疲劳性能.许多国外知名轴承公司在热处理控制指标中都包括残余应力和残余奥氏体.因此,进一步研究残余应力和残余奥氏体对热处理后的性能及其机理的影响,研究淬火回火工艺对残余应力和残余奥氏体的影响,并根据轴承状况提出残余应力.残余奥氏体等的控制指标将成为我国轴承行业热处理研究的主要方向之一.
    贝氏体等温度
    贝氏体等温淬火是近年来国内轴承行业研究的热点.自20世纪80年代以来,洛阳轴承研究所与重庆轴承厂合作,开始对铁路轴承进行贝氏体等温淬火应用研究,然后对沙河轧机轴承厂进行贝氏体等温轧机轴承的等温淬火.应用研究取得了良好的效果,JB1255-1991介绍了贝氏体等温淬火的推荐技术要求.与此同时,轴承行业也开始了贝氏体等温淬火的推广和应用.在国家"八五"重点企业技术开发项目"铁路客车轴承"的帮助下,有关单位对贝氏体等温淬火的组织和性能进行了系统研究,并成功应用于准生产.高速铁路轴承.在2001年JB1255的修订中,贝氏体等温淬火的技术含量正式列入标准正式规定.贝氏体淬火工艺已广泛应用于轧机,机车和铁质乘客.
    贝氏体组织的突出特点是冲击韧性,断裂韧性,耐磨性,尺寸稳定性,表面残余应力是压应力.因此,它适用于组装干扰大,使用条件差的轴承,如铁路,轧机,起重机和承受大冲击载荷的其他轴承,矿山运输机械或润滑条件差的矿山处理系统,以及煤矿.高碳铬轴承钢BL等温淬火工艺已成功应用于铁路和轧机轴承,取得了良好的效果.在铁路和轧机轴承的生产中,由于套圈的大尺寸和重量大,在油淬火过程中马氏体结构是脆性的.为了在淬火后获得高硬度,通常采取强冷却措施,导致淬火微裂纹;由于马氏体淬火后,表面是拉应力.磨削过程中磨削应力的叠加增加了整体应力水平,容易形成磨削裂纹并导致批量浪费.当贝氏体淬火时,贝氏体组织比M结构好得多,表面形成的压应力高达-400~-500MPa,大大降低了淬火裂纹的倾向[16];压缩应力抵消了部分磨削应力,从而降低了整体应力水平并大大减少了磨削裂纹.
    SKF公司主要将高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火工艺应用于铁路轴承,轧机轴承和特殊工况下使用的轴承,并开发出适用于贝氏体淬火的钢种(SKF24,SKF25,100Mo7). ).当淬火时,使用更长的等温时间,并且在淬火之后,获得总的下贝氏体结构.最近,SKF开发了一种新的775V钢种,并通过特殊的等温淬火以获得更均匀的下贝氏体,淬火后的硬度提高,而韧性比传统的等温淬火高60%,并且耐磨性得到改善.经处理的套圈壁厚超过100毫米.
    部分等温处理后马氏体/贝氏体复合结构的性能仍存在争议,如BL的含量最佳.即使存在最佳含量,如何控制实际生产,并且复合结构在等温后需要额外的回火,增加了生产成本.此外,就贝氏体等温淬火而言,尽管已经系统地研究了它的工艺,组织和性能,但在推动这一过程的同时,应该注意该过程的局限性.并非所有轴承零件都适合贝类.奥氏体的等温淬火.还应进行贝氏体等温淬火钢的开发,以进一步提高等温淬火后贝氏体的性能;开发用于替代硝酸盐等温的热处理设备,减少环境污染等.
    4.特殊热处理
    高碳铬轴承钢一般硬化,淬火后的残余应力为表面拉应力状态,容易引起淬火裂纹,降低轴承性能.一种特殊的热处理方法是通过高碳铬轴承钢的渗碳,氮化或碳氮共渗来增加表面层的碳和氮含量,降低表面层的Ms点,并在表面改变后形成表面.淬火过程.压缩应力,改善的耐磨性和滚动接触疲劳性能[17,18].另一方面,通过某种方法,在热处理的轴承部件中保留一定量的稳定的残余奥氏体,并且通过可变形的残余奥氏体减小了压痕的边缘效应,使得表面疲劳源起源于获得压痕边缘.它不易形成和膨胀,从而改善了轴承在污染条件下的接触疲劳寿命.通常,通过在淬火加热期间控制气氛的碳(氮)电位可以实现上述目的. NSK的NSJ2钢[19]和KOYO的SH技术[20]是基于这一理论开发的.另一种特殊类型的热处理是使用高韧性渗碳钢,碳含量高(0.4%),并进行特殊渗碳或碳氮共渗热处理.首先,调整渗碳钢的成分:增加基体碳含量,在保证韧性的同时提高基体强度,增加Si和Mn含量,提高残余奥氏体的稳定性,并添加Mo.细化碳化物.碳氮化物.第二是严格控制渗碳或碳氮共渗工艺,以便在加工零件后,在表面上获得更多的残余奥氏体(约30%至35%)和大量的细碳化物和碳氮化物.一方面,大量的细碳化物和碳氮化物可以保证表面的硬度和耐磨性,使压痕难以形成;另一方面,即使形成压痕,更稳定的残余奥氏体也会降低边缘效应.防止疲劳源的形成和扩展.基于这一理论,NSK和KOYO分别开发了TF系列技术(HTF,STF,NTF)和KE技术,大大提高了受污染润滑条件下轴承的使用寿命.例如,NSK使用HTF技术生产的圆锥滚子轴承在污染润滑条件下的疲劳寿命是普通轴承的10倍[21]. NSK等公司在各种新开发的轴承产品中使用特殊的热处理技术.
    近年来,洛阳轴承研究所与有关单位合作开展高碳铬轴承钢特殊热处理工艺的研究,并对中碳合金钢的特殊热处理工艺进行了研究.初步结果表明,通过特殊热处理可以显着地实现接触疲劳寿命.该工艺在轴承行业具有重要的推广价值,将成为中国轴承行业研究和应用的热门技术.
    5.表面改性技术
    5.1离子注入
    自1979年以来,美国海军实验室对轴承零件的离子注入进行了研究,自1989年以来,英国,丹麦和葡萄牙等国家的工作方式与美国海军实验室的工作方式类似.结果表明注入铬离子可以显着提高M50钢的耐腐蚀性,并提高了接触疲劳性能.另外,添加硼离子以改善仪器轴承的耐磨性;氮等离子体源离子应用于轴承钢52100.注入(PSII)后,在表面上形成一层薄薄的氮化物,以提高轴承钢的耐腐蚀性,并用昂贵的不锈钢代替. SUS440C不锈钢滚珠轴承上的氮硼离子注入可以减少滚珠轴承的微振动.轴承的磨损和粉尘排放.此外,(Ti + N)或(Ta + N)等离子体浸没离子注入(PSIII)在不锈钢上可以显着提高其显微硬度,耐磨性和寿命.
    自20世纪80年代以来,中国轴承行业已在轴承上应用离子注入,并已成功应用于航空航天领域,取得了良好的效果.
    5.2表面涂层表面涂覆技术包括:物理气相沉积(PVD),化学气相沉积(CVD),射频溅射(RF),离子喷涂(PSC),化学镀等.与CVD相比,PVD在加工过程中具有低温,并且在电镀之后不需要进行热处理.它广泛用于轴承零件的表面处理. 100Cr6和440C等钢轴承部件可以提高TiC,TiN,TiAlN硬膜或MoS2型软膜的PVD,CVD或RF镀层后轴承部件的耐磨性,接触疲劳性和表面摩擦系数.
    近年来,SKF开发了两种涂层技术:一种是使用PVD涂覆轴承套圈表面,另一种是使用具有极高硬度的金刚石(Diamond-Like Carbon,DLC)涂层.表面硬度高于硬化轴承钢. 40%~80%,摩擦系数与PTFE或MoS2相似,具有自润滑性能,与基体粘接性好,无剥离,轴承寿命和耐磨性大大提高,仍能正常工作在减油的情况下.它被称为"无磨损轴承";二是利用PSC在轴承外圈的外圆周上喷一层100μm厚的氧化铝,使轴承绝缘能力达到1000V,通过增加氧化铝的厚度使轴承具有更高的绝缘性.能力.涂覆的氧化铝牢固地粘合到基底上并改善轴承的耐腐蚀性.后电镀轴承(INSOCOATTM轴承)可以像普通轴承一样安装.
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