滲碳鋼制軸承套圈滲碳及熱處理工藝

周保鑫，劉秀蓮，玄 輝

（1. 哈爾濱軸承集團公司 熱處理分廠，黑龍江 哈爾濱 150036；2.中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

某滲碳鋼制軸承套圈主要應用在航空軸承領域，熱處理技術要求主要包括以下內容：

表面含碳量：0.75%～0.95%，套圈滲碳后有效硬化層深度為1.5mm～1.8mm（成品套圈有效硬化層深度0.9mm～1.2mm），表面硬度58HRC～63HRC，心部硬度35HRC～48HRC，表面碳化物均勻。

2 試驗準備

2.1 試樣尺寸

試樣尺寸為10×10×20mm。

2.2 剝層棒尺寸

剝層棒尺寸為φ60×80mm。

2.3 剝層要求及檢驗方法

（1）滲碳后的剝層棒在車床上裝卡后，調整徑向跳動值在0.10mm以內，確保剝層分析取樣的準確度。

（2）剝層過程中，不允許澆冷卻水，以免影響定量分析的準確性。

（3）剝層前先將端面車削2.5mm～3.0mm，再將圓周表面車削0.15mm～0.2mm。

（4）逐層車削圓周表面，每層車削0.2mm，共車削9層，將車屑分別裝入試樣袋中，并做好標記。

圖1 試樣剝層棒裝爐方式

（5）最后再將圓周表面車削2.5mm～3mm，去除殘余滲碳層，以備后用。

（6）剝層分析采用定量化學分析方法。

2.4 試樣、剝層棒裝爐要求

滲碳設備的有效加熱區：900×600×480mm。

產品有效擺放區域：650×450×400mm，將試樣1#～8#、剝層棒9#按如圖1 所示裝入爐中。

2.5 定碳驗證

為了保證RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐碳勢的穩定，試驗前要進行定碳校正。

（1）定碳材料：箔片。

（2）箔片定碳前用酒精清洗，確保箔片表面清潔。

（3）在爐內碳勢穩定時，加入箔片并記錄此時的碳勢值。

（4）將箔片在爐內保溫30±5min后取出，并記錄此刻的碳勢值。

（5）采用定量化學分析方法對箔片進行測試，以校正爐內碳勢。

3 滲碳及熱處理工藝試驗

圖2 滲碳工藝曲線

圖3 淬回火工藝曲線

3.1 試驗方案1

表1 剝層試樣碳濃度檢測結果

3.1.1 設備

滲碳設備：RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐；

表2 試樣硬度和有效硬化層深度檢測結果

圖4 滲層組織

圖5 心部組織

淬火設備：C-75 、C-45；

回火設備：H-75；

冷處理設備：冷凍機。

3.1.2 試驗工藝

滲碳工藝曲線如圖2 所示，淬回火工藝曲線如圖3 所示。

3.1.3 檢測結果

剝層試樣碳濃度檢測結果見表1 。

試樣硬度和有效硬化層深度的檢測結果見表2。

試樣滲層組織見圖4，心部組織見圖5。

3.1.4 結果分析及驗證方案調整

檢測結果顯示，表面碳濃度過低，沒有達到技術要求，有效硬化層深度大部分都沒有達到標準規定的下限值，且均勻性不好。對以上問題產生的原因進行分析，發現是由于此鋼在滲碳過程中表面形成Cr3C7碳化物，阻止了對碳原子的吸附。通過預氧化處理，抑制了碳化物的析出，所以對碳原子的吸附能力增強，因此在滲碳前增加一次預氧化處理過程。

3.2 試驗方案2

3.2.1 設備

預氧化處理設備：箱式電爐；

滲碳設備：RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐；

圖6 預氧化處理工藝曲線

表3 剝層試樣碳濃度檢測結果

表4 試樣硬度和有效硬化層深度檢測結果

淬火設備：C-75 、C-45；

回火設備：H-75；

冷處理設備：冷凍機。

3.2.2 試驗工藝

預氧化處理工藝曲線如圖6 所示，滲碳工藝曲線如圖2 所示，淬回火工藝曲線如圖3 所示。

3.2.3 檢測結果

剝層試樣碳濃度檢測結果見表3 。

試樣硬度和有效硬化層深度的檢測結果見表4。

試樣滲層組織見圖7，心部組織見圖8。

圖7 滲層組織

圖8 心部組織

3.2.4 結果分析及方案調整

檢測結果顯示，碳濃度部分偏高，有效硬化層深度也超出標準規定的上限值，且均勻性不好。產生以上問題的原因是由于碳勢過高或者強滲時間過長造成。試樣裝爐時，由于各自的表面清潔度不同，造成有效硬化層深度均勻性不好。因此需調整滲碳工藝，縮短強滲時間、延長擴散時間，并將碳勢下調，且試樣裝爐前要經過100%清洗，保持表面清潔。為了生產的連續性，減少試樣再次污染的機會，采用一次裝爐方式，將預氧化處理也采用RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐，提高氧化溫度，以增強試樣表面對碳原子的吸附能力，達到較好的滲碳效果。

3.3 試驗方案3

3.3.1 設備

預氧化處理及滲碳設備：RM9-60×90×48密封箱式滲碳爐；

淬火設備：C-75 、C-45；回火設備：H-75；冷處理設備：冷凍機。

3.3.2 試驗工藝

滲碳工藝曲線如圖9 所示，淬回火工藝曲線如圖3 所示。

圖9 滲碳工藝曲線

3.3.2.1 滲碳工藝規范說明

（1）設備在945±5℃通入丙烷裂解氣保溫。

（2）開啟爐門排凈保護氣，關爐門在945±5℃保持60min。

（3）后爐門全部打開10±2m in，溫度降至910℃～920℃。

（4）試樣推入爐后室進行預氧化處理，共計30min～40min 。

（5）向爐內通入14m3/h～16m3/h的保護氣，保持7min～10min。

（6）導氣完成后，保護氣通入量調整至5m3/h～7 m3/h，保持10±2min。

（7）打開富化氣按鈕，常量調整為230m l/h～250m l/h，碳勢穩定在0.80%～0.85%后，作為強滲計時開始。

（8）強滲階段：碳勢設定在0.98%，常量和變量調整波動值控制在±0.02%范圍內，時間為6.5h～7h。

（9）擴散階段：碳勢設定在0.50%，常量和變量調整波動值控制在±0.02%范圍內，時間為14h～14.5h。

（10）產品出爐空冷至室溫 。

表5 剝層試樣碳濃度檢測結果

表6 試樣硬度和有效硬化層深度檢測結果

圖10 滲層組織

圖11 心部組織

3.3.3 檢測結果

剝層試樣碳濃度檢測結果見表5。

試樣硬度和有效硬化層深度的檢測結果見表6。

試樣滲層組織見圖10，心部組織見圖11。

以上檢測結果均符合技術要求。

表7 檢測結果

圖12 軸承型號1滲層組織

圖13 軸承型號1心部組織

圖14 軸承型號2滲層組織

圖15 軸承型號2心部組織

4 驗證

按試驗方案3進行批量生產，其檢測結果見表7。

軸承型號1滲層組織見圖12，心部組織見圖13。

軸承型號2滲層組織見圖14，心部組織見圖15。

其結果完全符合產品的技術要求。

5 結束語

從以上檢驗結果可見，表面含碳量、有效硬化層深度、表面硬度和心部硬度、表面碳化物均勻性及大小均滿足產品的技術要求，使軸承內、外套圈的工作表面具有高的硬度、耐磨性、高抗疲勞性，而心部具有高的強韌性、承受高沖擊載荷的性能。