SAE 52100高鉻碳鋼滾動軸承制造工藝的研究

康博淳

(西北工業(yè)大學(xué)倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710129)

滾動軸承是一種精密的機械元件，它將運行軸和軸座之間的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，從而減少了摩擦損失。滾動軸承通常由四個部分組成：內(nèi)圈，外圈，滾動體和保持架，結(jié)構(gòu)見圖1。內(nèi)圈的作用是與軸配合，并隨軸旋轉(zhuǎn)。外圈的作用是與軸承座配合以支撐它。滾動體通過保持架在內(nèi)圈和外圈之間均勻分布。它的形狀和數(shù)量直接影響滾動軸承的使用壽命和壽命。保持架可以均勻地分布滾動體并引導(dǎo)滾動體進行潤滑[1，2]。盡管現(xiàn)在出于成本考量，一些新型軸承使用模制塑料保持架，但保持架傳統(tǒng)上是由薄鋼制成的[2]。在探究滾動軸承的制造方法時，必須先行了解所使用的材料。大多數(shù)滾動軸承采用SAE 52100鋼，這一種最常用的高碳鉻軸承鋼，具有較高的淬透性、高耐應(yīng)力、高彈性極限和高接觸疲勞強度。為了使該材料達到必要的行業(yè)標(biāo)準，用于球軸承的鋼可通過熱鍛，淬火和其他一些關(guān)鍵的熱處理工藝使其硬化，以求探究其高性能特性。

圖1 滾動軸承的基本結(jié)構(gòu)

1 SAE 52100軸承鋼的熱處理

1.1 熱處理理論

滾動軸承的幾乎所有零件都由鋼制成。由于在實際工程應(yīng)用中，軸承必須承受很大的壓力，因此需要用非常堅固的鋼作為基礎(chǔ)材料來鍛制滾動軸承。在日常工業(yè)生產(chǎn)中，高碳鉻鋼SAE 52100通常被采用來制造滾動軸承，它含有1.35%～1.60%的鉻，0.93% ～ 1.05%的碳以及Mn，P，Si，S等微量元素[2，3]，具體元素成分分布見表1。在受控的熔爐環(huán)境中，鉻鋼最常見的熱處理工藝是硬化處理工藝。硬化鋼為了保證其韌性和塑性，一般先經(jīng)淬火再經(jīng)回火，以使強度和韌性達到要求。由于其出色的硬度和耐磨性，它在滾動軸承中顯示出良好的疲勞壽命[3]。

為了避免氧化，其表面必須覆蓋一層防銹劑或蠟。當(dāng)軸承鋼處于軟態(tài)（未硬化）時，結(jié)構(gòu)為珠光體。當(dāng)在熱處理爐中加熱到1750℉時，組織從珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。淬火后，組織從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。一旦轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，鋼就變得非常堅硬[4]。然而，此階段產(chǎn)品不具備很好的熱穩(wěn)定性。這是因為并非所有的奧氏體在淬火過程中都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，存在殘存奧氏體。這些殘余奧氏體將在數(shù)年內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這種轉(zhuǎn)變伴隨著體積的增加，即使在室溫下，也會導(dǎo)致任何鋼零件的尺寸和形狀發(fā)生變化。

雖然低精度商品型軸承不存在問題，但在高精度軸承中，這種尺寸穩(wěn)定性的缺乏會導(dǎo)致問題[4]。為了消除這種不必要的金相生長，鋼必須經(jīng)過熱穩(wěn)定處理。這是通過在低溫下反復(fù)冷卻和回火，以將大部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體來實現(xiàn)的，也就是全硬化工藝。

1.2 熱處理工藝

油浴的全硬化過程在充滿氮氣的環(huán)境下，將一批環(huán)材密封在托輥式網(wǎng)帶爐中使其奧氏體化。然后，將環(huán)材轉(zhuǎn)移至同一封閉管線中的儲油容器中。托輥式網(wǎng)帶爐的淬火段由兩個裝有不同溫度油的儲油器組成。淬火后，將環(huán)材運輸?shù)较礈旌推磪^(qū)，在其中用相應(yīng)的表面活性劑除去油并用水漂洗。最后，將材料轉(zhuǎn)移到回火爐中進行回火操作。鹽浴中的全硬化過程則同樣通過熱處理生產(chǎn)線進行。加加熱條件和奧氏體轉(zhuǎn)化條件在系統(tǒng)可控范圍內(nèi)調(diào)整至接近油浴淬火的條件。隨后，將環(huán)材轉(zhuǎn)移到空氣環(huán)境下的鹽浴中進行淬火處理，并在控制淬火溫度高于Ms。接著環(huán)材轉(zhuǎn)移至兩個連續(xù)的、熱水浴的浸潤池。此階段對材料進行洗滌，以求完全去除殘余鹽分。最后，在室溫下將環(huán)材用清水沖洗，并通過吹入熱空氣的方式進行干燥[4，5]。

表1 SAE 52100高鉻碳鋼元素成分構(gòu)成

表2 油浴、鹽浴硬化工藝

2 滾動軸承成型工藝

2.1 成型工藝流程

整個制造工藝流程如圖2所示。首先，將SAE 52100鋼材在由多個感應(yīng)線圈組成的連續(xù)感應(yīng)加熱線上，進行感應(yīng)加熱。在熱鍛過程中，調(diào)整材料的流速和吸氣參數(shù)，以確保鍛造操作之前桿中的溫度分布均勻。然后將感應(yīng)加熱后的鋼材精確裁切成短棒。內(nèi)圈和外圈的軋制預(yù)成型坯都是使用曲柄壓力機在同一模具中由裁剪的棒熱鍛而成的。待冷卻至室溫后，將鍛造出的環(huán)在連續(xù)球化爐中分批球化。然后，對預(yù)成型件進行噴砂處理，為隨后的冷軋操作做好準備。在通過車工工藝切削操作進行熱處理之前，將鋼材加工成最終軸承所需的幾何形狀。隨后，將試樣在連續(xù)的熱處理生產(chǎn)線上進行淬火和回火等熱處理流程[4]。最后在經(jīng)過砂輪打磨和超精加工后，進行裝配[6，7]。

圖2 SAE 52100滾動軸承加工工藝流程

2.2 滾動軸承的裝配

整個組裝過程分為八個步驟，如圖3。首先，將對應(yīng)的內(nèi)圈和外圈配對，后將滾珠組裝到環(huán)內(nèi)，將內(nèi)圈重新放置，推到中心位置。輕微旋轉(zhuǎn)使球適合內(nèi)圈和外圈。接著，將保持架組裝到滾珠上方，并在間隙中添加潤滑油。最終安裝防護罩、密封件[8]。至此完成組裝過程完成。

3 總結(jié)

常規(guī)硬化工藝的鋼在爐中將其加熱到臨界溫度時，該材料從珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在將其迅速冷卻，即淬火后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，此時鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，熱穩(wěn)定性不好。是因為存在未完全轉(zhuǎn)化的殘存奧氏體。為避免出現(xiàn)后繼的金屬強度失效等問題，油浴淬火和鹽浴淬火兩種工藝被采用對鋼材進行全硬化處理，鞏固鋼材的熱穩(wěn)定性。以保證滾動軸承噪音、磨損及生熱效果相比普通鑄鐵軸承都有相應(yīng)的降低，并具有滿足穩(wěn)定高速旋轉(zhuǎn)的優(yōu)異性能。經(jīng)過對SAE 52100高鉻碳鋼鋼材進行熱鍛、球化、噴砂、冷軋、熱處理、打磨、超精加工等一系列成型工藝處理，符合滾動軸承幾何規(guī)范的鋼材零部件被加工生產(chǎn)出來。再對產(chǎn)品各部件進行裝配后，成為符合具有高精度、較低的摩擦系數(shù)和良好熱穩(wěn)定性的SAE 52100高鉻碳鋼滾動軸承。

圖3 滾動軸承裝配過程