1、 1 GCr15 轴承钢球的热处理工艺及缺陷分析 摘要 ： 本论文重点对 GCr15 轴承钢球热处理工艺的设计进行了讨论，同时对热处理后其可能存在的热处理工艺缺陷进行了分析。钢球在不同热处理工艺下虽然都能达到其使用要求，但所需的成本却大不相同，因此在满足其使用要求 的同 时也应该注意生产成本。热处理常常因操作、原材料等产生 缺陷 ， 但 只要有正确的热处理工艺并严格按工艺进行加工热处理缺陷也是可以避免的，即使产生了缺陷也可以采取相应的措施及时修复缺陷。 关键词： GCr15 轴承钢球热处理设计 热处理工艺 热处理缺陷 引言 滚动轴承是机械工业 十分重要的 基础标准件之一 ; 滚动轴承依靠元件间
2、的滚动接触来承受载荷，与滑动轴承相比 :滚动轴承具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、安装与维护简便等优点。缺点是耐冲击性能较差、高速重载时寿命低、噪声和振动较大。 图 1 轴承 及钢球实物 图 滚动轴承的基本结构 （图 1） ：内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。 常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子。轴承的内、外圈和滚动体，一般是用轴承钢（如 GCr15、 GCr15SiMn）制造，热处理后硬度应达到 61 65HRC。 当滚动体是圆柱或滚针时，有时为了减小轴承的径向尺寸，可省去内圈、外圈或保持架，这时的轴颈或轴承座要起到内圈或外圈的作用。为满足使用中的某些需要，有些轴承附加有特殊结
3、构或元件，如外圈带止动环、附加防尘盖等。 滚动轴承钢球 的工作条件极为复杂，承受着各类高的交变应力。在每一瞬间，2 只有位于轴承水平面直径以下的那几个 钢球 在承受载荷，而且作用在这些 钢球 的载荷分布也不均匀。力的变 化由零增加到最大，再由最大减小到零，周而往复得增大和减小 。在运转过程中， 钢球 除受到外加载荷外，还受到由于离心力所引起的载荷，这个载荷随轴承转速的提高而增加。滚动体与套圈及保持架之间还有相对滑动，产生相对摩擦。滚动体和套圈的工作面还受到含有水分或杂质的润滑油的化学侵蚀。在某些情况下，轴承零件还承受着高温低温和高腐蚀介质的影响。 1、 GCr15 轴承 钢球 的组织与性能特点
4、分析 1.1 GCr15 轴承 钢球 的组织要求 轴承 钢球 的接触疲劳寿命对钢的组织和性质的不均匀性特别敏感。因此，对使用状态 下的组织和原始组织提出了一系列要求。轴承钢 在 使用状态下的组织应是回火马氏体基本上均匀分布有细粒的碳化物，这样的组织能赋予轴承钢所需要的性能。对原始组织的要求主要有两个方面：一是纯净，指钢中杂质元素和夹杂物含量要少；二是组织均匀，指钢中非金属夹杂物和碳化物应当细小分散和分布均匀。所以钢的纯净度和组织均匀度是衡量轴承钢冶金质量的两个重要指标。 1.2 GCr15 轴承 钢球 的化学成分及 影响 GCr15 轴承 钢是一种合金含量较少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬
5、轴承钢。经过淬火加回火后具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。 其中的化学成分主要是碳（ 0.95-1.05）、铬（ 1.40-1.65）、硅（ 0.15-0.35）、锰（ 0.20-0.4）、磷（ 0.027）、硫（ 0.020）、镍（0.30）、钼（ 0.10）等。 a、 碳的影响 除了渗碳钢外，一般轴承钢的含碳量在 0.95 1.05%，属于过共析成分 。这样在淬火和低温回火后能得到高的硬度、高的接触疲劳强度和耐磨性。为了形成足够的碳化物以增加耐磨性，含碳量不能太低，但是过高的含碳量会增加碳化物
6、的不均匀性并且会形成网状碳化物使力学性能降低。 b、 合金元素的影响 铬是轴承钢的主要化学成分，铬能够提高淬透性，减少过热倾向，提高低温回火稳定性。硅、锰在轴承钢中主要提高淬透性。镍在渗碳轴承钢中能使钢的韧3 性和塑性有所提高，镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。钼在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加在某些介质中的抗蚀性。钒在轴承钢中提高强度和屈服比 ，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时脱碳敏感性，从而提高了表面质量，无铬含钒的轴承钢，碳化物弥散度高，使用性能良好。 1.3 GCr15 轴承 钢球 所具有的性能要求 GCr15 大量用于制造汽车、拖拉机 等所使用的
7、轴承 钢球 以及机床使用的主轴轴承 钢球 和铁路车辆、矿山机械、电机轴承、通用机械用轴承 钢球 。其中滚动体材料必须具有的特性：接触疲劳强度高；硬度高；纯洁度高；耐磨性好；组织稳定性好；机械加工性能好。因此滚动体的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。常用的轴承材料，一般用强度高、耐磨性好的铬锰高碳钢制造。 根据这样的工作条件，对材料要求如下： 有较高的弹性极限和疲劳强度。能耐微塑性变形； 材料致密，非金属夹杂少，显微组织均匀； 通过热处理能得到很高的硬度，而且硬度均匀，无软点，在长时期保持硬度稳定不变，淬透性要好，或能淬硬至必要深度，同时要求通过机械加工能够得到很高的表面
8、光洁度，以保证有很好的耐磨性和较低的摩擦系数； 有较好的耐腐蚀性和化学稳定性； 在制成的成品应有很好的尺寸稳定性，能在较长的工作或库存以后，保持尺寸与几何精度在合格的范围内； 当然，还要求加工的工艺性要好。以上为轴承 钢球 对材料的要求，而对于特殊工况下的轴承 钢球 ，除满足上述一般要求外，根据其对耐高温、抗腐蚀、无磁性、超低温、高精度、特长寿命的特殊要求，应该选用 相应的特殊轴承 钢球 材料。 4 2、 轴承 钢球的 失效 在机、电、工 业中，轴承是应用最为广泛的基础件之一，尤其是滚动轴承。无论是普通的机械设备、运输工具还是航空、航海、航天，凡是有转动的地方，就有轴承 钢球 在工作。显然，确
9、保轴承 钢球 在各种环境条件下都能正常工作，是十分重要的。轴承 钢球 在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承 钢球 失效的原因往往是多因素的 ，但 在一般情况下，大体上可以从外来因素和内在因素。 外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。 轴承在使用时 发现异常 应 立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。 这些都是导致轴承钢球失效的主要外在因素。 内在因
10、素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素。也可称之为制造质量因素。结构设计不合理当然 不可能有合理的轴承 钢球的 寿命 ;只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。轴承 钢球 的制造要经过钢材冶炼、锻造、冲压、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。最 直接影响成品轴承 钢球 质量的 是 热处理和磨削加工工艺 。 随着冶金技术的提高，原材料质量得到较大的改善，在轴承 钢球 失效分析中所占的比重已经明显下降，但至今它仍然是轴承 钢球 失效的主要影响因素之一。另外，选材是否得当仍然是轴承 钢球 失效必须考虑的因素。 轴承失效的形式与负荷大小有关，转速高低等工作条件
11、以及轴承的精度有关。 主要失效形式 ： a、 接触疲劳（疲劳磨损）失效 ； b、 沾附和磨粒磨损失效 ;c、 断裂失效 ； d、 塑形变形失效 ； e、腐蚀和腐蚀磨损 ;f、失效 游隙变化失效 为了防止轴承零件和成品在加工、存放和使用过程中被腐蚀生锈，要求轴承钢应具有良好的防锈性能。 大多失效原因是由于装配有毛病，密封不良而造成损坏的。为使轴承能够正常运转，避免零件表面直接接触，减少轴承内部的磨擦及磨损。提高轴承性能，延长轴承的使用性能，必须对轴承进行润滑 5 3、 GCr15 轴承钢球一般加工路线 球坯成型（冷 镦 成型）锉削（光球）软磨热处理（球化退火 +淬火 +低温回火）硬磨细研精研（或
12、抛光）超精研 冷镦工序的主要是为了冲压出合格的球坯，同时可使钢材在冷 镦 过程中成分更加均匀，有效减少缺陷（夹杂、偏析等不良组织）含量，使工件组织缺陷的影响减小到最小，为后续工序做好形状上和组织上的准备。 锉削（光球）工序设计为了 去除 球坯的环带和两极，纠正 镦 压偏差，统一钢球直径公差。 软磨工序是为了去除锉削加工后遗留下的锉齿齿痕，锉削疲劳及材料的脱碳层，以提高热处理前的钢球精度，使工件外形更接近所需尺寸，为以后工序留好加工余 量，以防后续加工出现尺寸偏差无法补救。 热处理工序是为了使钢球形成合适的内部组织，具有一定硬度，以保证它具有一定的强度和耐磨性能等。 钢球一般热处理工艺顺序 ：
13、预备热处理（球化退火）最终热处理（淬火 +低温回火） 硬磨工序是为了纠正软磨工序的球形误差以及清除热处理时的尺寸变形、脱碳层、氧化皮和表皮组织缺陷使工件的尺寸符合工件所需尺寸，达到技术要求，同时通过硬磨在表层形成加工硬化层，进一步提高工件的力学性能。 细研工序是为了使硬磨后的钢球满足所需求的精度要求，减小钢球表面粗糙度，为以后工序的研磨打下良好的基础。 抛光通常在表面处理后进行，其目的是去除金属表面细微划痕，降低工件的表面粗糙度值，使工件获得装饰性外观，同时也使工件在使用过程中减小摩擦阻力，尤其是球体类零件，可以先主增强其使用寿命。 精研和超精研工序进一步改善钢球的球形误差和减小表面粗糙度，提
14、高表面质量，达到标准。 6 4、 GCr15 轴承钢球热处理工艺设计与分析 4.1 预先热处理 工艺设计 预先热处理是球化退火，因此只要讨论球化退火工艺设计。 球化目的：使钢球中碳化物球化，并均匀化学成分，达到改善机械 加工 性能，消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。球化退火后获得细球状珠光体，硬度低，易于切削加工，表面光洁度较高。球化退火后的细球状珠光体可改善钢热处理后的最终力学性能。 球化退火 方法 ： 将钢加热到稍低于或稍高于 Ac1 的温度或者使温度在 A1 上下周期变化，然后缓 慢 冷下来 ， 得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。 4.1.1 球
15、化 退火 设计方案一 （ 1）球化退火方案一工艺及设备 将钢球 加热到 780-810，保温 2-6h 后，随炉冷至 600取出空冷 ， 退火 方案 一 曲线图 见图 2。 设备选择： RX3-15-9 箱式炉 （如图 3） 图 2 球化 退火 方案一 曲线图 图 3RX3-15-9 箱式炉 时间 空冷 温度 780-810 炉冷 2-6h 7 （ 2） 球化 退火 方案一 分析： 退火温度 GCr15 轴承钢的热处理加热范围为 780-810，而 790被认为是最合适的温度，在此温度加热，部分碳化物溶解，细链状碳化物也可以消除。细小未融的碳化物较多，所形成的奥氏体成分不均匀，于是在冷却时，为
16、融碳化物变成核心，渗碳体在晶界区和晶粒内碳浓度较高的区域以球状析出，形成球化组织。如果加热温度过高，奥氏体成分均匀，片状珠光体溶解量过少，冷却时的结晶核心减少，形成的珠光体将呈片状。如果温度过低，片状珠光体溶解不充分，奥氏体成分不均匀，则冷却过程中，碳化物沿原片状层析出或呈细小的链状。 在球化退火时奥氏化是 “ 不 完全 ” 的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。 普通球化退火是将钢加热到 Ac1 以上 20 30 ，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到 6
17、00 左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于 Ar1 的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的 1.5 倍。等温后随炉 冷却 至 600 左右出炉空冷。和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组 织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 退火温度为 780-810时，退火硬度最低，温度过高或过低均使硬度升高 保温时间 从完成组织转变的过程来看，具有正常锻造组织的 GCr15 轴承钢球在 780时，珠光体向奥氏体转变在 5-10min 内可完成。适当延长保温时间，可降低网状渗碳体的级别如果保温 30-40min，可使 3.5 级的网状碳化物
18、基本球化。因此退火保温时间实际上一个小时就够了。但对于大批量生产来说，由于炉内温度不易均匀，通常需要保温 2-6h，这视工件大小、装炉量、装炉方式及原始组织不均匀而定。 退火冷却 球化退火冷却速度决定了碳化物的分散度。冷却速度大时，珠光体转变的形核率增加，会形成大量极细密的碳化物，硬度较高，冷却速度低，则形成颗粒较8 大的碳化物，硬度较低。实际生产中速度控制在 10-30 /h 范围内，冷却到 600以下时，可以出炉空冷，一般随炉冷却即可达要求。 4.1.2 球化 退火 设计方案二 （ 1）球化退火方案二工艺及设备 将钢球加热到 780 -800，保温 4-6h，随炉冷至 710-730保温
19、3-5h，随炉冷至 650后取出空冷 。退火 方案 二 曲线图 见图 4。 设备： RX3-15-9 箱式炉 图 4 球化 退火 方案二 曲线图 （ 2） 球化 退火 方案二 分析 ： 退火 温度 GCrl5钢加热温度超过 Ac1时，珠光体开始向奥氏体转变 。 温度越高，奥氏体化后钢的组织越趋于均匀。未溶的碳化物越少，这对珠光体的球化是不利的奥氏体化条件与等温温度对硬度的影响，结果表明在临界区对钢加热，一旦加热温度升高，则钢的淬火硬度明显增高 。 这说明发生了奥氏体的富碳过程，即碳化物溶解过多，这样会导致球化困难 。 同时还指出，在高的温度奥氏体化下，若保温时间延长 。 同样会使球化困难，而且
20、影响十分明显 。 这样看来 ， 退火加热温度是一个关键 。 为此根据 GCr15钢的 Ac1将循环曲线的加热温度制定为 790 。 保温时间 等温温度即珠光体转变温度对球化过程的影响规律，发现若将等温温度降低，即使在奥氏体中有大量的未溶碳化物，也将导致大量的片状珠光体形成 。 因而让珠光体在比较高的温度下长时间保温对球化组织的形成很重要。一般第一次保温时间为 4-6h，而第二次保温时间可以相 对的缩短一般 3-5h左右就可达到所需的要3-5h 780-800 710-730 4-6h 温度 炉冷 空冷 时间 9 求。 冷却介质 钢 球 经空冷所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，
21、不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂 小。 4.1.3 球化退火方案 比较 及选用 （ 1） 球化退火热处理方案确定 热处理工艺相差不大，两种热处理 方案 都能达到钢球的所需性能要求，但加工工艺经济性差距比较大 方案一 比 方案二 热处理工序少，成本 相比就 低。 方案一适合一般 轴承钢球 使用。方案二 思路可能 适合精密钢球生产制造 。 因此选择球化退火设计方案一，作为预先热处理工艺 ，即球
22、化退火工艺 。 （ 2） 球化 退火后质量检验 项目 显微组织 （如图 5） 细球状珠光体，根据第一级别球对比球化组织进行评级， 2-4 级为合格 图 5 球化退火 后 组织图 硬度 GCr15 轴承钢球为 61HRC 碳化层 按第三级别图评定， 2.5 级为合格 脱碳层深度 不得超过车削加工余量的 2/3 10 4.2 最终热处理设计 最终热处理是淬火 +低温回火，低温回火工艺一样，主要讨论淬火工艺设计。 （ 1）淬火目的及方法 淬火 目的：把工件加热到奥氏体化后，以适当的方式冷却（通常是快冷）获得马氏体和贝氏体组织。再经回火使钢材获得需要的使用性能，以充分发挥材料的潜力。 淬火 方法 ：奥
23、氏体被冷至低温区域下发生相变，由于相变温度低，原子扩散极困难。相变只发生点阵畸变型位移和切变（铁原子只做短程位移）而不发生碳原子的扩散，因此，马氏体是碳在 Fe 中的过饱和固溶体，形成以碳原子为中心的应 力场。该应力场会阻碍位错运动，也可以理解为碳原子对位错的钉扎作用，从而使马氏体硬度和强度提高。 （ 2）回火目的及方法 回火 目的： GCr15 轴承钢球淬火后处于高应力状态，冲击韧度、疲劳强度等性能都很低。淬火组织中马氏体和参与奥氏体是不稳定相，影响组织和尺寸的稳定性。因此， GCr15 轴承钢球淬火后要及时回火，以消除淬火应力，提高组织和尺寸的稳定性，并提高综合力学性能。 GCr15 轴承
24、钢球回火后的组织为隐晶或细小结晶状马氏体和细小残余碳化物和少量残余奥氏体，硬度为 61 65HRC 回火方法 ： 将 淬火 成马氏体的钢加热到临界点 A1 以下某个温度，保温适当时间，再冷到室温的一种 热处理工艺 。 当钢 球 全淬成马氏体再加热 到 150 -180回火时，随着回火温度升高，按其内部组织结构变化，分四个阶段进行： a、 马氏体的分解； b、 残余奥氏体的转变； c、 碳化物的转变； d、 相状态的变化及碳化物的聚集长大 当钢中含有较多的碳化物形成元素时，在回火第四阶段温度区 (约为500-550 )形成合金渗碳体或者特殊碳化物。这些碳化物的析出，将使硬度再次提高，称为二次硬化形象。 4.2.1 淬火 设计方案一 （ 1） 淬火方案一 工艺及设备 将钢球加热到 830-850，加热前可先预热到 530-550以减少经济成本，再按 1.2-1.5min/mm 的速率保温，一般保温时间为 10-15min，然后在 30-80的
