深冷處理原理及其在軸承零件加工中的應用

劉秀蓮， 羅 燕， 班 君

（1.中航工業哈爾濱軸承有限公司 工程技術部,黑龍江 哈爾濱150025; 2.中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱150025）

深冷處理原理及其在軸承零件加工中的應用

劉秀蓮1， 羅 燕2， 班 君2

（1.中航工業哈爾濱軸承有限公司 工程技術部,黑龍江 哈爾濱150025; 2.中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱150025）

作為一種新型的熱處理工藝，深冷處理備受關注。通過介紹深冷處理的原理、對材料組織的影響及具體的操作工藝，對提高軸承的性能和壽命將有重要意義。

軸承零件；深冷處理；奧氏體；馬氏體；碳化物

1 前言

隨著航空航天工業的不斷發展，對軸承的要求也越來越高，深冷技術應用于軸承零件，以提高軸承的耐磨性和強韌性，穩定尺寸、減小變形、進而提高軸承的使用壽命。

一般把鋼熱處理后冷卻到0～-130℃的處理方法稱為普通冷處理，而把低于-130℃（通常為-130℃～-196℃）的冷處理叫做深冷處理。深冷處理是指以液氮為制冷劑在低于-130℃的溫度對材料進行處理的方法，該方法能改變材料的力學性能，可在不降低材料強度及硬度的情況下，顯著提高材料的韌性，具有廣闊的應用前景。

2 深冷處理原理及對材料組織的影響

鋼的淬火過程就是使鋼獲得馬氏體的過程，而淬火不能使鋼中奧氏體全部轉變為馬氏體組織，各種鋼材熱處理后都有部分殘余奧氏體，其數量隨鋼種及加熱溫度不同而變化，同時還有一定的殘余應力存在，對零件的使用性能會產生一定的影響。深冷處理能使鋼中奧氏體進一步轉變為馬氏體，并能改善和消除鋼中殘余應力的分布，析出更多的細小碳化物，從而起到彌散強化的作用，對無相變材料能使晶界發生畸變，從而增強基體性能。

2.1 殘余奧氏體的改變

低溫下（即Mf點以下）殘余奧氏體發生分解，轉變為馬氏體，提高了零件的硬度和強度。深冷處理可以減少殘余奧氏體的數量，深冷處理還能改變殘余奧氏體的形狀、分布和亞結構，有利于提高鋼的強韌性。

2.2 碳化物析出

從馬氏體中析出超細碳化物，從而產生彌散強化。主要原因為馬氏體經-196℃深冷，由于體積收縮，Fe的晶格常數有縮小的趨勢，從而加強了碳原子析出的驅動力，但由于低溫下的擴散更為困難，擴散距離更短，于是在馬氏體的基體上析出了大量的彌散的超微細碳化物。經過深冷處理的零件和未經深冷處理的零件相比，碳化物體積分數增加了近一倍，大量碳化物的析出，提高了軸承零件的硬度和韌性。

2.3 組織細化

深冷處理能夠使馬氏體析出彌散碳化物，使組織晶粒細化，從而提高零件的強度和韌性，使原來粗大的馬氏體板條發生了碎化。晶粒細化是由于馬氏體點陣常數發生了變化，也有學者認為馬氏體分解析出微細碳化物時造成了組織細化。

2.4 表面產生殘余壓應力

深冷過程中容易在零件缺陷（微孔）、內應力集中的部位和空位表面產生殘余應力，這種應力可以減輕缺陷對材料局部強度的損害，最終表現為材料磨損抗力的提高。

2.5 深冷處理部分轉移了金屬原子的動能

原子間既存在使原子緊靠在一起的結合力，又存在使之分開的動能。深冷處理轉移了部分原子間的動能，從而使原子之間的結合更緊密，提高了材料的強度和韌性。

3 深冷處理的優點

精密軸承對尺寸穩定性要求較高，軸承零件淬火后，內部組織仍保留較多的殘余奧氏體，這種殘余奧氏體是不穩定的組織，在軸承儲存和使用過程中，會不斷地發生變化，從而改變軸承的精度。

通過對軸承零件進行深冷處理或普通冷處理，可以增強抗磨性、強度和韌性，提高抗腐蝕性、抗沖擊性，消除內應力，提高抗疲勞強度，同時，防止時效變形，延長了軸承的使用壽命。

4 軸承零件冷處理工藝

4.1 回火工藝和冷處理工藝順序

按回火工藝的順序，軸承零件冷處理可分為回火前冷處理和回火后冷處理。回火前冷處理能較大地提高零件的切削性，回火后冷處理能大幅提高零件的力學性能，使硬度較低的奧氏體轉變為較硬的、更穩定的、耐磨性和抗熱性更高的馬氏體。

GCr15、9Cr18鋼制軸承零件熱處理工藝路線為：淬火→冷處理→回火。

8Cr4Mo4V、W9Cr4V2Mo鋼制軸承零件熱處理工藝路線為：淬火→回火→冷處理→回火→回火。

M50、M50NiL鋼制軸承零件熱處理工藝路線為：淬火→回火→冷處理→回火→冷處理→回火。

4.2 冷處理溫度

冷處理的溫度主要根據鋼的馬氏體轉變終止溫度Mf，另外還要考慮冷處理對機械性能的影響及工藝性等因素。常用軸承零件的冷處理溫度見表 1。

表1 常用軸承零件的冷處理溫度

4.3 冷處理保溫時間和次數

冷處理時間的長短，主要應考慮被處理零件的導熱性、體積、冷透所需的時間及殘余奧氏體的轉變穩定情況等因素，冷處理時間長的要比短的效果好，因為長時間冷處理可以使鋼中的殘余奧氏體充分地轉變及更有利于碳化物粒子的形成，轉變完成后，零件的硬度不會再有明顯地變化，零件尺寸越小，完成轉變所需的時間越短。常用軸承零件的冷處理保溫時間與次數見表2。

表2 常用軸承零件的冷處理保溫時間與次數

4.4 軸承零件冷處理注意事項

（1）淬/回火后，軸承零件要均勻冷至室溫后進行冷處理，否則容易開裂，冷至室溫后應盡快冷處理，一般在0.5～1h內，以免使奧氏體穩定化，終止奧氏體向馬氏體的轉變。

（2）軸承零件冷處理后應緩慢升至室溫，并及時進行回火，一般在1～2h內。

5 結束語

深冷處理是提高材料強度和韌性的一種處理工藝，已得到廣泛應用。隨著金屬深冷處理技術研究的不斷深入，制定穩定的鋼制軸承零件深冷處理工藝，對進一步提高軸承的使用壽命具有重要意義。

（編輯：鐘 媛）

Cryogenic treatment principle and its application in bearing parts processing

Liu Xiulian1,Luo Yan2,Ban Jun2
（1.Engineering Technology Department,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150025,China; 2.Bearing R＆D Center,AVIC Harbin Bearing Co.,Ltd.,Harbin 150025,China）

As a new type of heat treatment process, cryogenic treatment has been closely watched.By introducing the principle of cryogenic treatment , the impact on the organization of the material and the specific operation process ,to improve the performance and life of the bearing will have important significance .

bearing parts;cryogenic treatment; austenite; martensite;carbide

TG156.91

B

1672-4852（2014）04-0036-02

2014-09-02.

劉秀蓮（1964-），女，高級工程師.