GCr15鋼制大型軸承鋼球堿水淬火軟點(diǎn)的成因分析

王珂,韓萬順,陳國志
(洛陽LYC軸承有限公司,河南 洛陽 471039)
《軸承》2010年11期

摘要:在不考慮其他因素的情況下,分析了GCr15軸承鋼制大型軸承鋼球在不同濃度范圍的堿水中淬火對軟點(diǎn)的影響。認(rèn)為堿水濃度過高或過低均會導(dǎo)致鋼球產(chǎn)生軟點(diǎn)。B-70鼓形電爐熱處理生產(chǎn)線在加工GCr15鋼制大型鋼球時(shí),所用淬火液堿水的濃度應(yīng)控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶员阆慊疖淈c(diǎn)。

關(guān)鍵詞:GCr15軸承鋼;大型軸承鋼球;淬火;堿水;濃度

中圖分類號:TH133.33; TG156.3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B? 文章編號:1000-3762(2010)11-0030-02

大型高精度軸承鋼球

大型高精度軸承鋼球

在LYC風(fēng)電軸承產(chǎn)品中,采用GCr15鋼制大型軸承鋼球的軸承占有很大比例。由于此類鋼球采用淬透性不如GCr15SiMn好的GCr15鋼制造,且直徑尺寸較大(?40 mm以上),無疑使其淬硬深度受到嚴(yán)重影響,軟點(diǎn)成了比較常見的問題。在實(shí)際使用過程中,鋼球報(bào)廢的主要形式是表面磨損,軟點(diǎn)直接影響了其使用壽命。為進(jìn)一步提高此類風(fēng)電軸承產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性,下文著重分析了GCr15鋼制大型鋼球在不同濃度的堿水中淬火產(chǎn)生軟點(diǎn)的原因,以期對改善鋼球的表面質(zhì)量有所幫助。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 設(shè)備及工藝流程

目前GCr15鋼制大型軸承鋼球是在B-70鼓形電爐生產(chǎn)線上進(jìn)行熱處理,所用淬火介質(zhì)為碳酸鈉水溶液。B-70生產(chǎn)線淬回火工藝流程為:上料→淬火→冷卻→回火。

1.2 試驗(yàn)方法與檢驗(yàn)結(jié)果

在淬火溫度、加熱時(shí)間及堿水溫度相同的條件下,僅改變堿水濃度,對40 mm < ? < 50 mm某一型號的GCr15鋼制大型軸承鋼球進(jìn)行試驗(yàn),分析堿水濃度對鋼球淬火組織、軟點(diǎn)的影響。具體方法是將熱處理淬火件按檢驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行取樣(40粒),經(jīng)酸洗明化,將外觀呈現(xiàn)黑云狀的(即軟點(diǎn)區(qū))鋼球試樣挑出進(jìn)行金相化驗(yàn)(2粒)。某一型號鋼球在B-70生產(chǎn)線上熱處理后依據(jù)JB/T1255進(jìn)行評定,結(jié)果見表1.

表1 堿水濃度與軟點(diǎn)情況

序號 堿水濃度/% 酸洗檢驗(yàn) 金相組織檢驗(yàn) 硬度/HRC
1 10.4 有軟點(diǎn) 馬氏體3級合格;屈式體大于2級不合格,深度0.20 mm 軟點(diǎn)處55~56,不合格
2 10.9 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
3 11.6 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
4 12.4 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
5 13 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
6 13.2 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
7 13.9 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
8 14.3 無軟點(diǎn) 馬氏體3級合格 60-61,合格
9 14.8 有軟點(diǎn) 馬氏體3級合格;屈式體4級不合格,深度0.30 mm 軟點(diǎn)處52~53,不合格

由表1可知:鋼球在B-70生產(chǎn)線上淬火時(shí),堿水濃度越接近15%及10%,則越易出現(xiàn)軟點(diǎn)。為進(jìn)一步確定軟點(diǎn)與堿水濃度范圍的關(guān)系,選取某同一型號鋼球在10%以下、15%以上2個(gè)濃度段的堿水中,在B-70生產(chǎn)線上進(jìn)行淬火。熱處理后試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 堿水濃度(10%以下,15%以上)與軟點(diǎn)情況

序號 堿水濃度/% 酸洗檢驗(yàn) 金相組織檢驗(yàn) 軟點(diǎn)處硬度/HRC
數(shù)量/個(gè) 結(jié)果 數(shù)量/個(gè) 結(jié)果
1 6.5 40 有軟點(diǎn) 2 馬氏體3級合格;屈式體>2級合格,深度0.20 mm 54.5~55.5,不合格
2 8.1 40 有軟點(diǎn) 2 馬氏體3級合格;屈式體>2級合格,深度0.23 mm 54~55,不合格
3 9.5 40 有軟點(diǎn) 2 馬氏體3級合格;屈式體>2級合格,深度0.18 mm 55~56,不合格
4 15.7 40 有軟點(diǎn) 2 馬氏體3級合格;屈式體4級合格,深度0.25 mm 53~54,不合格
5 16.2 40 有軟點(diǎn) 2 馬氏體3級合格;屈式體>2級合格,深度0.22mm 53.5~54.5,不合格
6 17.6 40 有軟點(diǎn) 2 馬氏體3級合格;屈式體4級合格,深度0.30 mm 52.5~53,不合格

由表2可知,GCr15鋼制大型軸承鋼球在B-70生產(chǎn)線淬火時(shí),堿水濃度在10%以下和15%以上的2個(gè)濃度段均會出現(xiàn)軟點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

2.1 軟點(diǎn)的成因

圖1 工件冷卻曲線示意圖

圖1 工件冷卻曲線示意圖

通過對軟點(diǎn)金相試樣的分析,發(fā)現(xiàn)軟點(diǎn)處的組織為屈式體。由此可以認(rèn)為,堿水淬火鋼球金相組織中軟點(diǎn)產(chǎn)生的原因是出現(xiàn)了屈式體。

由鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可知,鼻尖部分為過冷奧氏體不穩(wěn)定去,為了獲得馬氏體組織,需在奧氏體不穩(wěn)定即曲線的鼻尖部(一般為500~600℃)快冷[1](圖1理想淬火粗度曲線)。上述軟點(diǎn)的成因是淬火時(shí)鋼球表面局部的冷卻曲線經(jīng)過了C曲線的鼻尖部分,致使冷卻速度小于臨界冷卻速度所致(圖1),而此時(shí)最易發(fā)生分解,轉(zhuǎn)變?yōu)榍襟w組織。

2.2 堿水濃度對鋼球軟點(diǎn)的影響

2.2.1 淬火時(shí)的冷卻機(jī)理

圖2 工件冷卻機(jī)理示意圖

圖2 工件冷卻機(jī)理示意圖

當(dāng)熾熱工件進(jìn)入淬火介質(zhì)中后,迅速使其周圍的淬火液發(fā)生物態(tài)變化,釋放的大量熱量使其周圍的液體迅速汽化,并形成一層蒸汽膜包圍工件。由于膜的導(dǎo)熱性能差,故其包圍隔絕的工件冷卻速度非常緩慢。初期隨著汽化的繼續(xù),膜的厚度不斷增加,此階段為成膜期(圖2中AB段)。之后膜的厚度將逐漸減薄導(dǎo)致破裂,蒸汽膜破裂的極限溫度稱為“特性溫度”。當(dāng)蒸汽膜破裂后,工件就與介質(zhì)直接接觸,淬火液不斷吸收工件表面的熱量而汽化沸騰,并將工件表面的熱量帶走,工件在這一階段被急劇冷卻。此階段直到工件冷卻至介質(zhì)的沸點(diǎn)為止,成為氣泡沸騰冷卻期(圖2中BC段)。當(dāng)工件表面溫度降到淬火介質(zhì)沸點(diǎn)以下,工件的冷卻主要靠介質(zhì)傳導(dǎo)與對流,工件冷卻又減慢,此階段為對流傳熱階段[2](圖2中C點(diǎn)以后部分)。不難理解,由于堿水的沸點(diǎn)大大低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms,所以重要的是討論蒸汽膜破裂的溫度和時(shí)間,即圖2中B點(diǎn)的位置。膜破裂越晚,特性溫度點(diǎn)B就越右移,冷卻曲線穿過C曲線的可能性越大就越容易產(chǎn)生軟點(diǎn)。

2.2.2 堿水濃度過高產(chǎn)生軟點(diǎn)的原因

由文獻(xiàn)[2]可知,堿水淬火時(shí)因堿水中晶體析出并附在工件表面,引發(fā)小的氣膜爆破,破壞了蒸汽膜的穩(wěn)定性使沸騰期提前到來增加冷卻速度。同時(shí)由于堿水溶液吸收氣體能力遠(yuǎn)低于水,因此使工件表面冷卻均勻,不易造成軟點(diǎn)。但是繼續(xù)提高含量,濃度過大的堿會使介質(zhì)的沸點(diǎn)提高,氣泡的表面張力增加,介質(zhì)流動性降低,因而導(dǎo)致蒸汽膜破裂的時(shí)間延遲(特性溫度點(diǎn)右移),反而使淬火介質(zhì)的冷卻能力下降,冷卻速度降低,這就是鋼球在堿水濃度過高時(shí)產(chǎn)生軟點(diǎn)的原因。

2.2.3 堿水濃度過低產(chǎn)生軟點(diǎn)的原因

當(dāng)加熱的鋼球放在低濃度的堿水中時(shí),鋼球周圍的水溫升高形成熱水,由于其所受的重力作用小于它所受的浮力,導(dǎo)致向上部運(yùn)動致使上部的水溫在熱鋼球的作用下迅速升高,大大降低了冷卻能力;而下部區(qū)域的水向上運(yùn)動時(shí),受到球面的影響,運(yùn)動受阻不易對流,此處介質(zhì)水溫在熱球的作用下亦升高,冷卻能力也大大下降。上述原因引起鋼球這些部位的冷卻條件變差,鋼球在冷卻過程的高、中溫區(qū)冷卻能力降低,冷卻速度減慢,易產(chǎn)生軟點(diǎn)。

除上述外,如堿水溫度、淬火加熱溫度、鋼球入水方式等均會影響到軟點(diǎn)的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1) 在其他工藝條件相同的情況下,堿水濃度與GCr15鋼制大型軸承鋼球淬火后是否出現(xiàn)軟點(diǎn)有著密切的關(guān)系。堿水濃度過高或過低引起鋼球冷卻能力降低及冷卻速度減小,致使鋼球淬火后出現(xiàn)軟點(diǎn)的幾率大大增加。

(2) GCr15鋼制大型軸承鋼球在B-70生產(chǎn)線上淬火時(shí)堿水濃度應(yīng)控制在10% ~ 15%,這有利于防止鋼球產(chǎn)生軟點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1] 軸承行業(yè)教材編審委員會,軸承熱處理工藝學(xué)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988;

[2] 安運(yùn)錚,熱處理工藝學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.