薄壁不銹軸承鋼套圈變形控制工藝改進(jìn)

王智勇，王鑫，劉傳銘

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

由于某些軸承工作環(huán)境的特殊性，套圈選用G95Cr18不銹鋼制造。該類不銹軸承鋼套圈尺寸均在200 mm以上，而有效壁厚一般在10 mm以內(nèi)，由于外徑/壁厚比大，在熱處理后極易產(chǎn)生變形，合格率低，影響后續(xù)磨加工生產(chǎn)。

1 套圈尺寸及技術(shù)要求

選取一種具有代表性的軸承套圈進(jìn)行工藝對(duì)比試驗(yàn)，具體外形尺寸見(jiàn)表1。該套圈熱處理后的技術(shù)要求為：(1)硬度不小于58 HRC，同一零件的硬度差不超過(guò)1 HRC；(2)直徑變動(dòng)量≤0.6 mm，端面翹曲≤0.5 mm；(3)淬、回火組織按JB/T 1460—2002《高碳鉻不銹鋼滾動(dòng)軸承零件 熱處理技術(shù)條件》評(píng)定，2～5級(jí)為合格。

表1 軸承套圈外形尺寸 mm

2 原熱處理工藝存在的問(wèn)題

薄壁類軸承套圈除了滿足一般的硬度與組織要求以外，還應(yīng)盡量減小變形，以保證后續(xù)磨加工的技術(shù)要求。因此，將車加工分為粗車和精車，在中間增加一次去應(yīng)力退火，減少車加工應(yīng)力，為淬火工序做準(zhǔn)備。淬火工藝主要采取增加預(yù)熱時(shí)間，提高淬火油溫和降低攪拌速度的方式控制熱處理后的變形，由于淬火加熱溫度較高，為了滿足工藝要求，防止軸承套圈表面氧化脫碳和腐蝕，熱處理淬火設(shè)備采用WZC-45型雙室真空爐。原熱處理工藝如圖1所示。

圖1 原熱處理工藝曲線

經(jīng)過(guò)熱處理工藝后發(fā)現(xiàn)，套圈變形大，合格率在40%以下。變形的套圈需進(jìn)行整形處理，變形過(guò)大則需要反復(fù)整形，而且整形效果并不理想，還可能因?yàn)槎啻位鼗鸲斐商兹τ捕炔缓细瘛Ｓ捎诓牧献陨韽椥暂^大，存在部分套圈即使整形合格后，在隨后的冷處理和回火過(guò)程中出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，結(jié)果仍達(dá)不到技術(shù)要求。

3 變形原因分析及改進(jìn)措施

薄壁類軸承套圈的熱處理變形主要體現(xiàn)為：不均勻的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力導(dǎo)致的套圈直徑方向的變動(dòng)量和淬火引起的端面翹曲(平面方向變動(dòng)量)[1]。淬火變形的主要影響因素是熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。鋼在淬火介質(zhì)中快速冷卻，由于工件內(nèi)、外部分的降溫速度不同，外層因冷得較快最先開(kāi)始收縮，并向內(nèi)層冷得較慢(較軟)的部分施加壓力，迫使工件向變形阻力最小的方向產(chǎn)生變形。實(shí)踐證明：冷卻速度越快，工件的尺寸變化越大；冷卻時(shí)的降溫幅度越大，工件的變形越大。相變應(yīng)力對(duì)鋼的影響主要體現(xiàn)在體積的變化上，工件不同組織有不同的密度，在熱處理過(guò)程中，不同階段要經(jīng)過(guò)不同的組織轉(zhuǎn)變[2]。另外，車加工殘余應(yīng)力，裝爐量，送料和下料過(guò)程中套圈相互間及與設(shè)備間的碰撞等，都對(duì)套圈的變形產(chǎn)生影響。

G95Cr18不銹鋼中的合金元素使鋼的C曲線右移，即降低了鋼的臨界冷卻速度，使相同冷卻速度下的高合金鋼具有更高的相對(duì)轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力，部分Cr元素和Mn元素在加熱時(shí)隨碳化物固溶于奧氏體中，從而改善了G95Cr18不銹鋼的淬透性，可以實(shí)現(xiàn)在空氣中冷卻并達(dá)到高硬度要求。因此，將原60 ℃油冷的淬火冷卻方式改為高純氮?dú)饫鋮s，并用風(fēng)扇攪拌，使真空爐內(nèi)負(fù)壓達(dá)到0.05 MPa(設(shè)備工藝要求)，通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣時(shí)間控制冷卻速度，降低淬火變形。另一方面，雖然G95Cr18不銹鋼淬透性較好，但套圈尺寸較大，因此將原裝爐量?jī)?nèi)、外圈各10件減少為各5件，以保證淬火均勻性。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多爐次的試驗(yàn)，對(duì)熱處理后的質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，直徑變動(dòng)量和端面翹曲每爐檢查5件，硬度和組織每爐抽檢1件，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，組織形態(tài)如圖2所示。

表2 改進(jìn)后熱處理檢測(cè)結(jié)果

圖2 試驗(yàn)工件組織形態(tài)

結(jié)果顯示，隨著冷卻速度的降低，直徑變動(dòng)量和端面翹曲越來(lái)越小，但也對(duì)工件硬度產(chǎn)生影響，因此，不能過(guò)度降低冷卻速度，否則工件硬度將不合格。由表2可知，4#～6#工件的端面翹曲、硬度和組織等級(jí)均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，而直徑變動(dòng)量仍有超差的情況，但變動(dòng)量均在1 mm以內(nèi)，經(jīng)過(guò)整形基本上能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)后續(xù)加工影響不大，變形合格率能夠達(dá)到80%以上。6組工件的組織形態(tài)基本上變化不大，均滿足了組織等級(jí)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為提高薄壁不銹軸承鋼套圈的變形合格率，采取了將車加工分為粗車和精車，在兩道工序間增加去應(yīng)力退火等措施，但合格率仍較低。為進(jìn)一步改善冷卻速度，將油冷改為高純氮?dú)饫洌?0～25 s內(nèi)將爐內(nèi)負(fù)壓達(dá)到0.05 MPa，并用風(fēng)扇攪拌，在基本上不影響硬度和組織的前提下有效改善熱處理工件的圓度和端面翹曲，套圈合格率由40%提高到80%以上。