燃油噴射系統(tǒng)的產(chǎn)品中有許多重要零件都是采用軸承鋼材料進(jìn)行熱處理光亮淬火，以獲得較高的硬度，較好的耐磨性。目前我公司軸承鋼零件光亮淬火常常是在VKES4/1愛協(xié)林箱式多用爐生產(chǎn)線中進(jìn)行，由于采用了可控氣氛保護(hù)下淬火，零件淬火后的表面脫碳、硬度不均、軟點(diǎn)得到了有效的控制，提高了工件的性能。但零件的畸變往往得不到有效控制，本文闡述了軸承鋼零件多用爐熱處理光亮淬火時畸變的原因，針對影響因素進(jìn)行了分析，并提出了減少畸變的措施。
1.淬火畸變原因分析
軸承鋼零件在箱式多用爐淬火的動作流程是：零件在加熱室中完成加熱、保溫后，由進(jìn)出料機(jī)構(gòu)拉至多用爐前室的淬火料臺上，料臺和零件向下落入淬火油槽，此時油槽中的攪拌風(fēng)機(jī)開始起動，零件在油中淬火冷卻后，完成淬火全過程，由加熱時的奧氏體組織轉(zhuǎn)變馬氏體組織，如圖1所示。
由于零件的應(yīng)力變化較為復(fù)雜，畸變機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。零件在加熱和冷卻過程中，截面受熱和降溫的不同步而形成溫度梯度（或稱溫度場），產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力（或稱內(nèi)應(yīng)力場）。應(yīng)力的疊加常常超過零件的屈服強(qiáng)度，使零件永久畸變；淬火前機(jī)加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，在加熱過程中應(yīng)力的松弛也能導(dǎo)致零件的畸變；零件設(shè)計結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不對稱、厚薄不均勻、組織不均勻等，都能引起畸變，無規(guī)律淬火畸變的產(chǎn)生過程如圖2所示。
常見的畸變有內(nèi)、外徑的增大或縮小以及長度方向的伸長或縮小，也稱體積畸變。另外一種畸變是橢圓（直徑變動量Vdp、VDp）、翹曲（平面度、跳動）超差以及內(nèi)外徑收縮不一致而產(chǎn)生的錐度（俗稱喇叭）。第一種類型可能通過對零件在淬火前后的尺寸變化規(guī)律分析，來調(diào)整或補(bǔ)償淬火前的相關(guān)尺寸，使最終尺寸符合要求。如果調(diào)整合適，這類畸變不會影響最終尺寸。后一種類型比較復(fù)雜，不能通過上述方法來得以解決，只能通過熱處理后的機(jī)加工補(bǔ)充磨削量才能解決，雖然這需要增加成本。
2.影響因素及減少畸變的措施
影響軸承鋼零件可控氣氛多用爐淬火畸變的原因很多，主要有：零件的結(jié)構(gòu)、尺寸大小、形狀、毛坯的原始狀態(tài)、淬火前的機(jī)加工的狀態(tài)、熱處理裝夾的擺放方式、加熱溫度和保溫時間、油溫、油的冷卻性能、循環(huán)和攪拌等，下面就熱處理相關(guān)的主要因素進(jìn)行說明。
（1）零件的原始狀態(tài)
零件的原始狀態(tài)包括兩個方面的內(nèi)容：零件的退火組織的均勻性和應(yīng)力狀態(tài)。
軸承鋼熱前一般采用球化退火的工藝手段，目的就是要改善組織，提高切削性能，為最終熱處理作準(zhǔn)備。退火組織的均勻性是指鍛造或其它原因會造成零件的退火組織不均勻，如碳化物顆粒大小及分布不均勻，存在片狀碳化物等。在淬火過程中，這種不均勻，會造成加熱后整個零件的碳含量不均勻，淬火時馬氏體轉(zhuǎn)變溫度不一致；同時奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時體積膨脹量不同，宏觀上造成零件的畸變，因此，在退火時就應(yīng)該嚴(yán)格按退火規(guī)范操作，退火后的組織應(yīng)得到碳化物顆粒均勻細(xì)小的組織，從而減少畸變。
殘余應(yīng)力狀態(tài)是指零件的毛坯成型過程中，如果機(jī)加工的進(jìn)刀量過大，或采用冷輾成型，則在成型后零件中就會存在著較大的殘余應(yīng)力，在以后的加熱過程中應(yīng)力的松弛導(dǎo)致零件的畸變。這種應(yīng)力的變化是復(fù)雜的，如：毛坯件采用沖壓或線切割加工的長型薄壁鋼管，其彎曲變形方向就相反。所以，毛坯成型過程中，需對機(jī)加工的進(jìn)刀量或冷輾成型工藝進(jìn)行控制，并要固化下來，盡可能減少殘余應(yīng)力，也可在淬火前增加一道工序，及時去應(yīng)力。
（2）淬火的加熱溫度和加熱時間
采用提高淬火的加熱溫度和延長加熱時間可使奧氏體化的過程中有更多的碳化物溶入到奧氏體中，增加了馬氏體與奧氏體的比容差和零件的體積膨脹，從而增大了淬火時的組織應(yīng)力。淬火前后組織比容變化差和殘余奧氏體量的多少與鋼的淬透性等因素有關(guān)。而這些組織成份很大程度上取決于淬火冷卻的工藝，因此，淬火介質(zhì)的合理選用也是控制比容及變形的重要一環(huán)。此外，淬火加熱溫度也使得淬火熱應(yīng)力增加。組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的增大必將產(chǎn)生大的淬火畸變。如：PW2000的柱塞將淬火溫度從845℃提高至860℃淬火時，平均跳動增加0.018mm。有關(guān)資料指出：適當(dāng)縮短淬火保溫時間、減少裝爐量可減少零件的畸變，所以，在滿足硬度和金相組織的前提下，應(yīng)盡可能采用較低的淬火加熱溫度、較短的保溫時間。
（3）零件的裝爐方式及裝爐量
零件在奧氏體化加熱時，一方面體積受熱膨脹，另一方面高溫下零件強(qiáng)度低，在自重的作用下也會發(fā)生畸變，柱塞和柱塞套的最佳裝爐方式是合理設(shè)計工裝，將零件分層豎直排放，零件間要留有一定間隔，均勻放豎零件，以便受熱均勻，冷卻均勻。同時，對工裝的使用壽命要進(jìn)行跟蹤和評估，對變形大的工裝需定期進(jìn)行更換，并將工裝更換周期規(guī)定相關(guān)工藝文件中。
（4）淬火介質(zhì)
選擇合適的淬火介質(zhì)十分重要。GCr15鋼零件一般采用油中淬火，近年來，出現(xiàn)了一系列的專用淬火介質(zhì)，如快速淬火油、光亮淬火、快速光亮油、等溫分級油等。理想的淬火油是較短的蒸汽膜階段及低溫區(qū)具有較低的冷卻速度，以減小零件的畸變和開裂；而在中溫區(qū)要求有較快的冷卻速度，以避免非馬氏體轉(zhuǎn)變，保證淬火后的金相組織硬度不超差。
在淬火油選擇上，應(yīng)根據(jù)所處理零件和尺寸和形狀選擇合適的添加劑，改善淬火油的冷卻性能，這樣就可以適當(dāng)降低淬火溫度，減少畸變。另外，隨著使用時間的延長，要定期對淬火油的冷卻特性進(jìn)行測定，對淬火油的老化，要定期補(bǔ)充新油或補(bǔ)充添加劑。對特殊要求的零件，甚至可以采用220℃左右溫度的鹽浴，進(jìn)行貝氏體等溫淬火的工藝。使轉(zhuǎn)變在等溫過程中完成，這種方式由于轉(zhuǎn)變溫度較高，等溫時間較長，溫度較為均勻，其間應(yīng)力的釋放較為充分，故淬火后的畸變最小。
使用新油時，應(yīng)把油加熱至80～100℃。同時開動循環(huán)和攪拌裝置，以去除水分，避免淬火時零件開裂。對GCr15鋼，可適當(dāng)提高油溫，可以降低溫的粘度，提高中溫區(qū)的冷卻速度，易于得到馬氏體組織，同時，可以減少畸變。
（5）淬火油槽
合理設(shè)計或改進(jìn)油槽可以保證零件在油中均勻的冷卻。
①油槽應(yīng)具有足夠的深度和容量，油容量太小時，零件冷卻速度不夠或冷卻不均勻，都能造成零件的畸變增加。同時，油容量足夠大，也有利于油溫的控制，防止因?yàn)橛蜏剡^高而造成油的老化。
②攪拌。生產(chǎn)實(shí)踐表明：攪拌時，隨著攪拌速度的增加，畸變也增加，具體的作用機(jī)理國內(nèi)、外尚不明確，還需做進(jìn)一步的研究。一般是在滿足組織和硬度的前提下選擇較小的攪拌速度，從而減少畸變，尤其可以減少“喇叭”類型的畸變，如：柱塞淬火時，可以先把攪拌電機(jī)關(guān)掉幾秒鐘，再打至合適的攪拌速度，變形就小得多。
③循環(huán)與導(dǎo)流。連續(xù)淬火生產(chǎn)時，油溫升高很快，為了增加油溫的冷卻速度和均勻性，可采用油槽的整體循環(huán)，并加大循環(huán)速度；循環(huán)方式以抽出油槽上部的熱油，進(jìn)行冷卻，再將冷卻的油從油槽底部注入，可以進(jìn)一步改善冷卻均勻性。油槽底部還可以安裝導(dǎo)流裝置，加大循環(huán)，保證零件均勻冷卻。從而減少零件畸變。
3.軸承鋼零件淬火回火后的尺寸穩(wěn)定性
一些精密零件在淬火、回火后的磨加工過程中或在磨加工后，甚至是成品的放置過程中零件的尺寸和形狀仍會發(fā)生一些變化，嚴(yán)重時影響偶件配磨和使用。淬火、回火后零件的尺寸變化（或稱為尺寸穩(wěn)定性）主要是受三種不同的轉(zhuǎn)變的影響：碳從馬氏體晶格中析出形成ξ-碳化物、殘余奧氏體分解和形成Fe3C，三種轉(zhuǎn)變相互疊加。在50～120℃溫度之間，由于ξ-碳化物析出，引起零件體積的縮小。一般在120℃回火后已完成這一轉(zhuǎn)變過程，其對零件以后使用中的尺寸穩(wěn)定性的影響可以忽略100～250℃之間，殘余的奧氏體分解，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織，將伴隨著體積長大；研究表明，殘余的奧氏體在較低的溫度下（或在外力作用下）也可發(fā)生分解，導(dǎo)致零件尺寸變化。
因此，在實(shí)際使用中，對尺寸穩(wěn)定性高的零件要盡可能降低殘余的奧氏體的含量，可采用較高的溫度回火，或增加深冷處理工序，可明顯降低殘余的奧氏體的含量，提高尺寸穩(wěn)定性。
對采用鹽浴貝氏體等溫淬火的工藝的軸承鋼零件，由于采用220℃左右溫度的鹽浴等溫，殘余的奧氏體轉(zhuǎn)變較為充分，殘余的奧氏體的含量很少，故零件的應(yīng)力較少，尺寸穩(wěn)定性好，變形較小。
4.結(jié)語
淬火的過程中零件的畸變受諸多因素影響，應(yīng)力變化較為復(fù)雜，是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題。零件材料的原始狀態(tài)、淬火工藝、裝料方式、淬火介質(zhì)、操作人員的素質(zhì)和習(xí)慣均為對畸變產(chǎn)生影響。另外，目前影響畸變的許多因素的影響機(jī)理尚缺乏明確或統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，也給解決零件的畸變帶來了一定的困難。
因此，一方面，應(yīng)加強(qiáng)理論研究，研究新的畸變影響機(jī)理，為正確解決畸變提供理論依據(jù)。另一方面，只能根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況，經(jīng)過多次試驗(yàn)，不斷摸索出各種因素影響零件變形的規(guī)律，有的零件可以采用校直、整形等方法來解決這一難題。在回火后進(jìn)行熱校直不失為一種很好的整形方法。但對于變形沒有規(guī)律且無法校直的小零件，有條件的可以采用貝氏體等溫淬火工藝解決，或者只能增加加工余量，熱處理后再進(jìn)行補(bǔ)充加工。
作者：顧勇
單位：無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
| |