軸承零件硝鹽淬火性能分析

關力，陳卉珍

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承零件采用淬火油作為淬火介質獲得高硬度、高耐磨性的馬氏體組織來滿足使用需求是國內(nèi)最常用的熱處理方法。淬火油作為淬火介質有著一定的局限性，由于冷卻性能的局限，壁厚較大的零件出現(xiàn)表面軟點、心部硬度偏低、淬硬層較淺等問題；對于薄壁零件又存在變形大影響后序加工等缺陷。同時，淬火油在長期的使用過程中還存在老化變質、冷卻性能不夠穩(wěn)定等現(xiàn)象。熔化的硝鹽(50%硝酸鉀+50%亞硝酸鈉)作為淬火介質早已廣泛應用于軸承零件熱處理，只是以前多用于貝氏體等溫淬火及軋機軸承等厚壁軸承的熱處理[1]。20世紀90年代末，瑞典SKF、德國FAG在軸承零件熱處理中開始批量使用硝鹽替代淬火油[2]。2006年國內(nèi)軸承生產(chǎn)廠家開始用硝鹽替代淬火油做為冷卻介質應用并逐步推廣，鹽浴淬火在軸承行業(yè)有迅速普及的趨勢。

下文分別從硬度梯度、變形控制、冷卻性能調節(jié)、壓碎載荷等方面對硝鹽淬火后的零件性能與油基淬火后的零件性能做對比分析。

1 硝鹽和油基淬火零件性能對比分析

試驗零件材料選用GCr15鋼，分別選用Φ45 mm×45 mm滾子，Φ50.8 mm鋼球，直徑130～180 mm、壁厚為8 mm的球軸承、圓錐滾子軸承、調心滾子軸承外圈作為試驗零件，各取50～100個作為檢驗樣本。均采用輥底式淬回火生產(chǎn)線，爐內(nèi)通入氮氣加丙烷作為保護氣氛。

1.1 硬度梯度和淬硬層深度的比較

硝鹽淬火的GCr15鋼制Φ45 mm×45 mm滾子硬度梯度如圖1所示；快速淬火油淬火的Φ45 mm×45 mm滾子硬度梯度如圖2所示。

從圖1～圖2可明顯看出，快速淬火油淬火的硬度梯度較陡，心部硬度較表面下降近15 HRC；金相組織分析發(fā)現(xiàn)，距表面5～6 mm處開始出現(xiàn)細小條狀屈氏體組織，越接近心部，屈氏體越粗大且數(shù)量遞增，至心部幾乎連成片狀、絮狀。硝鹽淬火的滾子硬度梯度相當平緩，近心部3 mm才出現(xiàn)硬度下降現(xiàn)象；金相組織分析證實，距心部3～5 mm處開始出現(xiàn)細小條狀屈氏體組織，其余部分均為正常馬氏體加彌散分布的碳化物和少量殘余奧氏體。

研究表明硝鹽熔液淬火過程中沒有蒸汽膜階段，高溫區(qū)冷卻速度很快，所以對于厚壁工件可以獲得優(yōu)良的淬火組織，并且硝鹽熔液可以通過加水來調節(jié)冷卻能力。本試驗中所用的硝鹽熔液其含水量為0.3%～1.0%不等，正是由于通過調節(jié)其中的含水量，使得硝鹽熔液的冷卻能力可以在淬火油冷卻能力的1～4倍之間調節(jié)，滿足厚壁零件的需要。

圖1 硝鹽淬回火后硬度梯度

圖2 快速淬火油淬回火后硬度梯度

1.2 套圈變形的對比

不同零件的變形統(tǒng)計對比見表1。從表1中明顯看出，硝鹽淬火套圈的變形量較普通淬火油淬火的套圈變形量普遍減小30%～50%。

表1 軸承套圈變形量對比統(tǒng)計[3]

淬回火后零件的變形(包括尺寸變化和形狀變化)受很多因素影響，是一個相當復雜的問題。在其他因素都相同的情況下，Beck等人的研究表明：由蒸汽膜階段向沸騰期的轉變溫度過高時，高的冷速而產(chǎn)生大的熱應力使低屈服點的奧氏體發(fā)生變形而導致零件的畸變。

Tensi等人[4]認為：在Ms點的冷卻速度對變形起決定性作用，在Ms點及以下溫度采用低的冷速可減小變形。硝鹽熔液較淬火油最大的優(yōu)點就在于蒸汽膜階段幾乎可忽略，而淬火油的蒸汽膜階段則不可避免；另外根據(jù)文獻可知，不加水的純硝鹽熔液在低溫區(qū)等溫時冷卻速度近乎為零。Volkmuth等人[5]系統(tǒng)地研究了淬火介質(包括油及鹽浴)對圓錐滾子軸承內(nèi)、外圈的淬火變形，結果表明：由于冷卻方式不同，套圈的直徑將有不同程度的增大，且隨介質溫度的提高，套圈大、小端的直徑增大程度趨于一致，即“喇叭”狀變形減小；同時，套圈的橢圓變形(單一徑向平面內(nèi)的直徑變動量Vdsp，VDsp)減小；內(nèi)圈因剛度較大，其變形小于外圈。

1.3 鋼球壓碎載荷的對比

兩種淬火介質所加工鋼球壓碎載荷對比見表2。

表2 鋼球熱處理后壓碎載荷值統(tǒng)計對比

硝鹽熔液淬火的鋼球壓碎載荷較快速淬火油淬火的普遍提高30%左右。鋼球壓碎載荷是鋼球綜合性能的表征。在其他性能均一致的情況下體現(xiàn)出的壓碎載荷差異，應與鋼球表面的應力狀態(tài)有較大關系，鋼球淬、回火后表面應力影響因素也較為復雜，認為前期冷加工和后期回火的狀態(tài)完全相同情況下，主要的影響因素在淬火過程。大量資料證實貝氏體淬火后零件表面呈壓應力狀態(tài)，而油淬馬氏體零件表面呈拉應力狀態(tài)，測定多種規(guī)格硝鹽淬火馬氏體的零件其表面應力也呈壓應力分布，正是表面的壓應力分布對鋼球壓碎載荷的提升起到了重要作用[6]。通常貝氏體淬火過程中由于貝氏體相變溫度相對較高，零件冷卻比較均衡，最終兩種應力綜合作用的結果使零件表面呈現(xiàn)以熱應力為主的應力狀態(tài)，即表面為壓應力。而馬氏體淬火過程中由于馬氏體相變點很低，造成冷卻過程中零件表面和心部溫度梯度太大，最終組織應力遠大于熱應力，兩種應力綜合作用的結果使零件表面呈現(xiàn)以組織應力為主的應力狀態(tài)，即表面為拉應力。上述解釋與貝氏體等溫淬火和馬氏體油基淬火較為吻合，而對硝鹽淬火后表面的壓應力分布還不夠有說服力,有待后續(xù)進一步研究。

1.4 介質自身冷卻性能對比分析

淬火油無論是普通淬火油、快速淬火油或分級淬火油均以礦物油為基礎，加催冷劑、清洗劑、光亮劑、抗氧化劑等改性添加劑調配而成，其冷卻性能一般固定在一個較小的可調范圍，無法滿足厚壁和薄壁零件不同的淬火要求，即使通過淬火冷卻裝備的調整如油溫、油的冷卻特性、油的循環(huán)與攪拌的方向及速度、工件入油的方式等控制手段也難以兼顧，且在長期應用過程中還會出現(xiàn)不同程度的老化變質現(xiàn)象，對零件的淬火質量影響較大。在淬火過程中產(chǎn)生油煙造成空氣污染，在隨后的清洗過程中造成水污染也是油基淬火介質存在的缺點。

而硝鹽熔液作為一種簡單的離子結晶體結構的熔液，比淬火油化學結構穩(wěn)定，幾乎永遠不會變質，可終生使用。硝鹽熔液淬火過程中沒有蒸汽膜階段，高溫區(qū)冷卻速度很快，所以對于厚壁工件可以獲得優(yōu)良的淬火組織。同時，硝鹽熔液在低溫區(qū)等溫時冷卻速度近乎為零，所以淬火變形很小，而且硝鹽的冷卻速度(介于熱油冷速和4倍油速之間)可以通過含水量進行調節(jié)，十分簡單方便。低溫硝鹽沒有鹽蒸汽的揮發(fā)和排放，硝鹽槽的加水系統(tǒng)中，所加水從清洗機初洗槽引入，按程序控制加水時加入的是清洗機中含鹽濃度高的水，降低了清洗機清洗水中鹽的濃度。并且，清洗機配有鹽濃度自動監(jiān)測裝置和鹽、水自動分離裝置，鹽濃度超過設定上限時鹽、水自動分離裝置自動開啟，分離后的鹽可以回收并放入硝鹽淬火槽重新利用，所以沒有含鹽廢液排放，符合環(huán)保要求。

2 硝鹽淬火設備特點

硝鹽淬火的諸多優(yōu)勢要在工業(yè)化生產(chǎn)中得以體現(xiàn)還存在如下問題：硝鹽熔液使用溫度較油基淬火介質高出100 ℃左右，零件淬火后出液溫度較高，對淬火馬氏體組織穩(wěn)定性有較大影響，鹽蒸汽的安全無污染排放、硝鹽熔液中含水量的控制、淬火冷卻過程熱處理工藝有待進一步優(yōu)化等。經(jīng)過調研、考察及設備改進，已基本解決了上述問題。

在鹽浴淬火后，配置冷風機，進行強制風冷分級，穩(wěn)定組織，避免清洗時的開裂傾向；淬火機構增加擺動，經(jīng)加熱后的工件自動進入鹽浴淬火槽內(nèi)的淬火平臺上，淬火平臺迅速下降到鹽液中淬火。淬火平臺在鹽液中上、下竄動的同時，工件在平臺上進行水平方向的往復擺動，克服輥棒陰影對工件冷卻均勻性造成的影響。在工件淬火過程中，對淬火平臺的上、下竄動速度和工件水平擺動速度均可用變頻器無級調整，能夠滿足不同工件的淬火要求，同時分布在兩側的鹽攪拌器的攪拌速度采用變頻器無級調速。多樣化的可調狀態(tài)可針對不同類型的產(chǎn)品，改變工藝參數(shù)，來實現(xiàn)軸承零件最佳的淬火質量。

后清洗設有鹽溶度檢測裝置，各區(qū)采用從后往前逐級溢流方式給水，各區(qū)水中含鹽量泉涌清洗區(qū)最高，噴淋區(qū)次之，二次冷卻槽最低，當泉涌清洗區(qū)鹽的濃度達到設定值(約2%)后會將水通入鹽蒸發(fā)器進行處理，也可在淬火鹽槽需要加水時進入淬火槽。此時清洗機自動補充清水。該設備完全實現(xiàn)零排放，滿足環(huán)保要求。針對硝鹽熔液中水含量測定控制，保證鹽熔液冷卻性能，設備配備了專門的在線烈度檢測儀，使用鎳合金探頭，將探頭加熱到550 ℃左右，檢測冷卻到400 ℃的時間，如大于規(guī)定時間，則自動補水。補水頻率、單次補水量、日總補水量均可在工藝中設置后自動進行，保證鹽熔液冷卻速度的精準調節(jié)。

3 結束語

硝鹽作為軸承零件馬氏體淬火的淬火介質在變形控制、提高淬硬層深度、提高壓碎載荷等方面較油基淬火介質有著一定的改進。但硝鹽淬火零件表面應力分布狀態(tài)及硝鹽作為淬火冷卻介質其冷卻性能需進一步探討研究。