熱處理工藝對鋼球壓碎載荷值的影響

趙高明，周勇，馬林

(江蘇力星通用鋼球股份有限公司，江蘇 南通 226500)

汽車軸承用長壽命鋼球必須具備高耐磨性、高接觸疲勞強度和優良的沖擊韌性。壓碎載荷作為鋼球熱處理指標之一，歷來受到各鋼球生產廠家的關注和重視。鋼球壓碎載荷值來自于壓碎試驗，通過試驗，既可以發現鋼球熱處理和原材料方面的缺陷，又可以分析不同回火溫度下各個指標的變化規律。其中，斷口形貌是發現問題、分析問題和給出評價的依據。依據JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》規定，對直徑3.000～50.800 mm的鋼球必須進行壓碎載荷試驗。為此，針對熱處理工藝參數，從有利于提高壓碎載荷值和改善壓碎斷口出發，以直徑為9.525和12.700 mm鋼球為例進行了一系列工藝試驗。為便于試驗結果的統計與評價，在所進行的試驗中每次只試驗1粒鋼球(JB/T 1255—2001標準規定為每組試驗3粒鋼球)。

1 試驗條件

壓碎試驗示意圖如圖1所示，上、下壓板材料均為模具鋼，厚度為40 mm，硬度為62～65 HRC，這樣可以保證自身變形不會顯著影響測量數據。

圖1 壓碎試驗模型

壓碎試驗在申克3000型試驗機上進行，加載速度根據JB/T 1255—2001標準規定執行，本試驗為2～3 kN/s。試驗主要考察以下指標：

(1)壓碎載荷Fk——鋼球被壓碎瞬間的載荷，也是鋼球能夠承受的最大載荷。

(2)總變形量Lk——鋼球壓碎時的變形量與10 kN載荷時的變形量之差。由于鋼球壓碎試驗時不可能測出鋼球的真實變形量，只能測出下動板位移量，該位移包括了試驗機的變形、壓頭的變形、鋼球與壓頭接觸處的局部變形等。另外，在載荷比例小的情況下，變形量與載荷可能不是線性關系(主要是各個接觸面的變形)?？紤]到上述不穩定因素，以10 kN載荷時的位移作為0點，有利于消除上述因素帶來的位移偏差。

(3)壓碎斷口形貌。鋼球壓碎時斷口形貌不一，有的呈碎裂態，有的呈對半開裂態。經驗表明，鋼球壓碎斷口越趨向于對半開裂，使用壽命越長。

2 試驗結果及分析

2.1 淬火溫度的影響

淬火設備為RG9-80型熱處理生產線，功率135 kW，生產效率每天6 t。將直徑9.525和12.700 mm鋼球(材料均為SUJ-2)置于同一生產線上進行淬、回火工藝試驗。試驗時淬火溫度在840 ℃的基礎上，以5 ℃的間隔逐步增加至860 ℃，淬火加熱時間均為60 min，淬火介質為快速光亮淬火油；2種鋼球的回火工藝也相同，即回火溫度為170 ℃，時間為240 min。試驗結果見表1。

表1 鋼球淬火溫度與壓碎載荷及金相組織的關系

GCr15軸承鋼淬、回火狀態的馬氏體有位錯馬氏體和孿晶馬氏體2種類型。在正常淬、回火狀態下，是以位錯馬氏體為主的混合型馬氏體組織存在。比較而言，孿晶馬氏體具有較高的強度和硬度，綜合力學性能優良，但塑韌性比較差。從試驗結果可知，淬火溫度過高，淬、回火組織中孿晶馬氏體增多，位錯馬氏體相應減少，不利于提高鋼球的壓碎載荷值。

2.2 回火溫度、時間的影響

在淬火試驗(淬火溫度845 ℃)的基礎上，分別采用不同的回火溫度和回火時間對淬火狀態球進行回火試驗，觀察其對鋼球壓碎載荷的影響，試驗結果見表2。

表2 回火溫度和時間與鋼球壓碎載荷的關系

由表2可知，在保證鋼球硬度合格的前提下，將回火溫度提高10 ℃，同時將回火時間延長一倍，可使鋼球壓碎載荷值明顯提高。

通過長時間的試驗、積累和分析，統計得出回火溫度與鋼球壓碎載荷的關系如圖2所示，回火時間為240 min。

從圖2可以看出，隨回火溫度提高，壓碎載荷總體呈現增大趨勢。120～130 ℃回火的壓碎載荷是JB/T 1255—2001標準規定的1.2～1.3倍，200 ℃回火的壓碎載荷是標準規定的1.6～1.8倍。試驗結果表明，回火溫度在120～200 ℃時，回火溫度對壓碎載荷的影響比較明顯。

2.3 氣氛碳勢的影響

試驗用生產線采用的是氮基吸熱式氣氛，氮氣作為富化氣，甲醇作為載氣，分別通過氮氣流量計和甲醇流量計向爐內通入，并在淬火溫度下進行裂解。為了弄清鋼球脫碳、貧碳和增碳表面狀態對壓碎載荷的影響，分別在不同的碳勢狀態下進行了試驗(試驗用鋼球直徑為12.700 mm)。淬火溫度845 ℃、加熱時間60 min；回火溫度170 ℃、時間240 min。通過試驗得出的相關數值分布情況如圖3所示。

圖3 碳勢對鋼球壓碎載荷的影響

根據試驗結果可得表面碳勢對鋼球壓碎載荷的影響，具體數據見表3。

表3 碳勢對鋼球壓碎載荷值的影響

從表3可以看出，在淬火組織級別合格的情況下，鋼球表面如增碳，壓碎載荷值呈現下降趨勢，且增碳傾向越嚴重，壓碎載荷值下降的幅度越大；鋼球表面有輕微貧碳時，其壓碎載荷值反而變大，但由于表面存在拉應力，對鋼球壽命不利；鋼球表面存在脫碳時，壓碎載荷值明顯下降。所以，應在各項指標合格的前提下，從優化壽命指標出發，控制好爐內碳勢，盡可能實現既不脫碳也不增碳，保證熱處理壓碎載荷值穩定受控。

2.4 回火溫度對總變形量的影響

為了考察回火溫度對壓碎載荷的影響規律，仍對上述2種規格的鋼球進行試驗。2種鋼球均在同一生產線上進行淬火，淬火加熱時間均為60 min，溫度為845 ℃；采用不同的溫度回火，回火時間均為240 min。回火并冷卻至常溫后直接進行壓碎試驗。由此得出回火溫度與總變形量的關系如圖4所示。

圖4 回火溫度與鋼球總變形量的關系

從圖4可以看出，鋼球總變形量隨回火溫度的提高而增大，這與鋼球壓碎載荷隨回火溫度的變化規律相近。

2.5 回火溫度對壓碎斷口的影響

壓碎試驗發現，經120 ℃以下回火的鋼球，壓碎斷口大部分不在中截面，斷口不平整，且呈平面狀態的不多(圖5)。經160 ℃以上回火的鋼球，大多呈現對半開裂狀態，而且回火溫度越高，斷口對半開裂傾向越明顯(圖6)，表明鋼球使用壽命越長。

圖5 回火溫度100 ℃時的壓碎斷口

圖6 回火溫度170 ℃時的壓碎斷口

3 結論

(1) 鋼球壓碎載荷值與淬火溫度、回火溫度、回火時間及氣氛碳勢等參數均相關；

(2) 回火溫度對鋼球壓碎載荷、總變形量影響較大，隨回火溫度升高，鋼球壓碎載荷值及總變形量均呈增大趨勢；

(3) 在對單個鋼球進行壓碎試驗時，若回火溫度超過120 ℃，壓碎載荷以及總變形量隨回火溫度的變化趨勢明顯增大；

(4) 為確保鋼球有良好的綜合性能，淬火溫度、回火溫度一般應分別控制在845 ℃，170 ℃左右，回火時間不低于240 min。