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轴承套圈热处理外观质量的分析与控制

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王伟錡

[导读] 摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。随着国内轴承行业技术、质量管理的发展，热处理外观质量逐渐成为客户评判生产管理优劣与技术水平高低的一个指标。

        中国航发哈尔滨轴承有限公司黑龙江省哈尔滨市 150000
        摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。随着国内轴承行业技术、质量管理的发展，热处理外观质量逐渐成为客户评判生产管理优劣与技术水平高低的一个指标。本文就轴承套圈热处理外观质量的分析与控制展开探讨。
        关键词：滚动轴承；套圈；热处理；外观质量
        引言
        中、轻系列轴承套圈在滚棒炉淬火加工时变形较大，产品质量难以保证，工人的整形劳动强度比较大，同时给磨加工造成一定难度，变形较大的轴承套圈磨起来浪费工时，影响精度，而且容易造成废品。
        1套圈热处理外观质量的影响因素
        1.1炉内气氛
        （1）炉膛气氛的含水量。目前大多数套圈热处理设备是可控气氛炉，炉内需通入保护气、富化气等使套圈不脱碳。通入炉内各介质最重要的指标是含水量（如要求工业甲醇含水量不大于0．2%，工业氮气中无游离水），若含水量过高，会导致套圈外观不良和套圈表面脱碳。（2）油槽的油烟气。套圈经加热炉加热后，高温进入油槽的瞬间会产生大量的油烟气，油烟气累积在加热炉内抬高了炉内的碳势，其本身含有的烃类有机物附着在套圈表面，形成无法清洗的花纹。（3）甲醇。甲醇在高温下裂解产生碳，甲醇滴注口在长期使用后会有炭黑聚集，过多的炭黑使滴注口堵塞或使套圈表面出现黑色附着物，影响套圈外观颜色。
        1.2轴承套圈热处理锥度变形机理及原因分析
        轴承套圈在入油冷却过程中会经历蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。由于套圈向周围介质通过辐射和对流传递热量，使套圈周围产生蒸汽膜，随着热量继续传递，包裹蒸汽膜的汽-液界面发生沸腾，沸腾产生的蒸汽进入蒸汽膜中，使膜内的蒸汽压足以抵挡外部液体的压力，因而蒸汽膜得以维持；工件表面的温度越高，蒸汽膜越厚，也越稳定。在蒸汽膜内，挨近表面的蒸汽受到一个向上的浮力，会向上流动，所以上部的蒸汽温度高于下部。在试样表面温度相同的条件下，蒸汽膜内的气体温度越高，试样表面通过热传导和对流的方式向外侧蒸汽散失的热量就越少，从而使轴承上下部分产生温差。随着工件的温度降低，产生的蒸汽逐渐减少，直到蒸汽膜变薄破裂，套圈下端先进入沸腾阶段。因为气体热传导散热效果最差，所以蒸汽膜阶段冷却速度慢，且沸腾阶段散热形式多样，所以蒸汽膜阶段到沸腾阶段的过渡阶段，是冷却速度由慢到快的突变期，从而使上下端面温度差进一步拉大。下端进入对流阶段后，发生马氏体转变，由于马氏体比容较大，引起体积胀大，而上端未发生马氏体转变，塑性较好，从而使上端发生塑性变形；当上部分温度达到Ms点以下时发生马氏体转变，上部胀大，但下部分由于转变早，表面硬化，变形不能完全恢复，从而产生锥度变形。
        1.3回火炉内的油和水汽
        套圈从油槽出来进入回火炉时虽经过清洗，但套圈表面仍残留淬火油和清洗液，经回火后套圈表面会产生气泡状斑点或带有一定的黏性。此外，套圈经清洗后进入回火炉，表面携带的油和水黏附在回火炉的炉膛内壁，久而久之炉壁内的附着物很难去除，影响设备的准确度。
        1.4车应力的影响
        由于轴承套圈锻件退火后很快就被运送到车工工序，轴承套圈的时效时间短。有的规格产品退火后一到二天就被运送到车工工序进行车加工，退火后基本上没有时效期，轴承套圈中的应力得不到充分的释放。车工工序为了提高效率改变了车工工艺，减少了车削次数，从而增加了单位时间内的切削量，增加了车刀与轴承套圈之间的切削力，导致中、轻系列轴承套圈车加工产生较大的应力即车应力，该车应力在滚棒炉加热过程中应力释放，导致轴承套圈产生变形。
        2过程控制要点
        2.1锥度变形的控制
        对于网带炉，淬火油槽中的小网带具有上下窜动与转速可控的功能。

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小网带适当的上下窜动有利于蒸汽膜的破裂，缩短蒸汽膜阶段的时间，使锥度变形减小。转速可控就意味着套圈翻转时间可控，对于不同的套圈选择合适的转速使其在合适的时间发生180°翻转，使上下端面温差缩小，套圈上下部分马氏体转变开始、结束时刻相近，从而将其锥度变形控制到最小
        2.2提高淬火油的油温均匀性
        这就要提高淬火油的流动性。这种方法虽然减小了锥度变形，却极易增大椭圆变形。这种方法难以做到同时控制锥度变形和椭圆变形。
        2.3炉内气氛的纯洁性
        （1）通入炉膛的气氛。通入炉膛的气氛本身是液态的，所以要定期检查液态气的含水量；定期排尽丙烷气瓶内的水汽；定期检测保护气、富化气中的含水量。（2）油槽的油烟气。大部分网带式油浴炉都会在落料口配备油幕帘等类似功能的装置，主要是为了减少油烟气进入炉膛内部，所以油幕帘的调节很重要，合适的调节位置可以阻挡70%以上的油烟气，同时在淬火加热炉与油槽的结合部要留有炉膛气氛的烧烬口，可将炉内可燃气燃烧后排出。（3）甲醇。甲醇滴注口的定期清理有利于均衡炉膛内的气氛，同时要注意3个因素：（a）根据GB338—2011《工业用甲醇》规定，甲醇含水量应不大于0．2%；（b）定期清理甲醇滴注口的炭黑，防止堵塞；（c）甲醇的裂解要充分。
        2.4减小组织应力对套圈变形的影响
        轴承套圈在淬火冷却时，基体组织由奥氏体转变为马氏体，原工艺采用的串动速度较快，增加了冷却介质的冷却速度，组织转变较快，产生的组织应力增大，因此导致套圈变形增大。将一次油槽串动台的串动频率由原工艺的每2s1次调整为每30s1次，串动频率的减小，降低了冷却介质的冷却速度，组织转变相对变得缓慢，减小了组织应力，从而降低了组织应力对套圈变形的影响。
        2.5淬火油
        （1）淬火油的选择。淬火油由基础油和添加剂两部分组成，目前套圈使用的多是光亮淬火油，油品中已加入改善产品表面粗糙度的添加剂。在不影响冷却速度的情况下，淬火油配比时应尽可能提高其闪点温度，以避免产生的油烟气进入炉膛影响套圈的表面粗糙度。（2）淬火油的维护。淬火油随着使用时间的增加，产生的炭黑和杂质越来越多，这些杂质会附着在套圈表面，使表面变黑，所以要定期对油品进行监测。监测指标中黏度的增加一般不大于新油的20%，酸值的增加一般不大于新油的50%；随着淬火油的使用，其闪点会逐渐降低，要求使用温度应比闪点至少低70℃。淬火油在使用过程中，其对应的黏度、酸值、闪点都会发生变化，最好建立这些特征值的趋势表，通过不断跟踪确认淬火油是否满足使用要求。另外，要避免在淬火油与空气接触的表面搅拌，减少油的氧化。
        2.6淬火油槽增加二级网带
        通过在淬火油槽内增加二次网带，使轴承套圈淬火时翻转180°，以保证轴承套圈两个端面以相同或接近的冷却时间达到Ms点，可以大幅减少锥度变形。这种方法在实际生产中应用比较普遍，问题是常不能保证工件翻转180°。一般部分网带炉淬火油槽设有二级网带，但是锥度变形仍比较严重。通过模拟试验发现，淬火油槽二级网带与油槽提升机网带同方向运行时，不能保证轴承套圈准确翻转180°；当二级网带与油槽提升机反方向运行时，轴承套圈翻转180°的情况较好。
        结语
        由于热处理后轴承套圈的密封槽不再进行加工，因此锥度变形会造成密封槽尺寸散差大，严重时引起使用过程中的轴承温度上升或漏脂。通过控制来料套圈表面的清洁度（切削液和防锈油），炉内气氛控制，淬火油的维护，有效的后清洗，加热炉的定期烧碳和回火炉的定期烧油，加热炉甲醇滴注口的清理、维护等措施，保证了套圈热处理外观质量。
        参考文献：
        ［1］赵敏，段庆华，兰晓艳，等．轴承防锈油的应用及发展趋势［J］．石油商技，2019，27（6）：60－64．
        ［2］余先涛，张皓然，屠梦莹，等．轴承套圈热处理工艺及其装备［J］．金属热处理，2018，43（10）：86－89．