軸承熱處理技術(shù)及其裝備
一、軸承熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢
軸承熱處理直接關(guān)系著后續(xù)的加工質(zhì)量，以致最終影響零件的使用性能及壽命，同時軸承熱處理又是軸承制造中的能源消耗大戶和污染大戶。軸承的熱處理裝備直接影響軸承熱處理質(zhì)量，以及能源消耗和污染。近年來，隨著科技的進(jìn)步，熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）清潔熱處理 熱處理生產(chǎn)形成的廢水、廢氣、廢鹽、廢油及電磁輻射等均會對環(huán)境造成污染。解決熱處理的環(huán)境污染問題，實行清潔熱處理（或稱綠色環(huán)保熱處理）是熱處理技術(shù)發(fā)展的方向之一。這對于熱處理的氣氛、淬火油和清洗設(shè)備都提出了高要求。
（2）精密熱處理 精密熱處理就是充分保證優(yōu)化工藝的穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量分散度很小（或為零）、熱處理畸變?yōu)榱�，減少磨削留量提高生產(chǎn)效率，節(jié)約材料。實現(xiàn)精密熱處理必須有良好的爐溫均勻性、控溫準(zhǔn)確性，以及淬火劑良好的冷卻性和穩(wěn)定性。實現(xiàn)軸承的精密熱處理可以走整體淬火和感應(yīng)淬火兩條路。
（3）節(jié)能熱處理 選用新型的保溫材料以提高熱處理裝備的能源利用率；優(yōu)化熱處理工藝，提高工藝產(chǎn)量，充分發(fā)揮設(shè)備的能力。現(xiàn)階段各軸承廠家都在做這方面的試驗，例如充分利用廢熱、余熱，有些廠家已利用鍛造余熱進(jìn)行軸承零件的球化退火；采用耗能低、周期短的工藝替代周期長、耗能大的工藝等；下貝氏體淬火工藝在一定程度上、一定范圍內(nèi)，用較短的貝氏體淬火工藝替代了周期長、耗能大的滲碳工藝。
（4）少無氧化熱處理 由采用保護(hù)氣氛加熱替代氧化氣氛加熱到精確控制碳勢、氮勢的可控氣氛加熱，熱處理后零件的性能得到提高，熱處理缺陷如氧化、脫碳和裂紋等大大減少，熱處理后的精加工留量減少，提高了材料的利用率和機加工效率。真空加熱氣淬、真空或低壓滲碳、滲氮、氮碳共滲及滲硼等可明顯地改善工件質(zhì)量，減少畸變，提高壽命。
二、軸承熱處理裝備
1.退火設(shè)備
現(xiàn)階段我國的退火設(shè)備是氧化爐和保護(hù)氣氛爐共存，氧化爐多于保護(hù)氣氛爐；周期爐和連續(xù)爐共存，且周期爐多于連續(xù)爐。美國、英國、日本等國家早在20世紀(jì)六七十年代就已全面推廣推桿式和輥底式等溫球化退火爐，縮短退火周期，節(jié)約能源，并提高退火質(zhì)量。隨著軸承零件加工技術(shù)的發(fā)展，以及精密鍛造和精密輾擴（冷輾）工藝的采用，零件毛坯的加工精度越來越高，由此帶來了對保護(hù)氣氛退火的需求。軸承行業(yè)應(yīng)迅速推廣保護(hù)氣氛球化退火，以減少退火后的氧化脫碳，提高加工效率，節(jié)材節(jié)能，降低成本。
2.常規(guī)馬氏體淬火的工裝設(shè)備
現(xiàn)階段我國軸承行業(yè)常規(guī)馬氏體淬火的工裝設(shè)備參差不齊，從保護(hù)介質(zhì)上可分為無保護(hù)介質(zhì)的氧化爐、可控氣氛爐和真空爐。無保護(hù)介質(zhì)的氧化爐占軸承熱處理裝備的25％左右，有保護(hù)介質(zhì)的少無氧化爐占軸承熱處理裝備的50％左右，可控氣氛爐占軸承熱處理裝備的20％左右，真空爐占軸承熱處理裝備的5％左右。從生產(chǎn)周期上可分為周期爐和連續(xù)爐。
近幾十年來，馬氏體淬火的工裝設(shè)備發(fā)展主要集中在以下幾個方面：
（1）自動化生產(chǎn)線 目前，國內(nèi)采用的自動生產(chǎn)線按其結(jié)構(gòu)（或工件在爐中的運動方式）可分為：有馬弗網(wǎng)帶爐、無馬弗網(wǎng)帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐網(wǎng)帶爐和轉(zhuǎn)底爐系列生產(chǎn)線，上料、前清洗、保護(hù)氣氛（或可控氣氛）下加熱、淬火、后清洗（有時還進(jìn)行二次深冷輥底爐進(jìn)行二次深冷）及回火均自動完成。生產(chǎn)線自動化程度及控制精度高，處理后工件的質(zhì)量均勻，整條熱處理生產(chǎn)線可作為軸承自動生產(chǎn)線的一部分使用。不同的熱處理生產(chǎn)線根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點適用于不同類型和尺寸的軸承零件的熱處理，如網(wǎng)帶爐適用于中小型軸承套圈；轉(zhuǎn)底爐適用于小批量軸承套圈；輥底爐配有自動升降淬火裝置，適用于壁厚較大的軸承零件；滾筒爐適用于滾動體及小型套圈。
（2）多用爐 即可在可控氣氛下滲碳或碳氮共滲，又可在保護(hù)氣氛下淬火，完成工件的無氧化淬火工藝過程。它是一種周期爐，主要適用于小批量、多品種的軸承零件熱處理。
（3）感應(yīng)加熱淬、回火設(shè)備 感應(yīng)加熱具有加熱速度快、節(jié)能和變形小等優(yōu)點，處理后的工件具有一些常規(guī)加熱所沒有的性能。我國現(xiàn)階段軸承熱處理應(yīng)用主要集中在轉(zhuǎn)盤軸承和轎車輪轂軸承上，而在GCr15鋼上基本沒有應(yīng)用。
（4）真空爐 真空狀態(tài)下加熱可減少或避免工件的氧化，配合高壓氣淬可控制工件的冷卻及變形，避免了油淬帶來的環(huán)境污染問題，實現(xiàn)清潔熱處理。另外，真空熱處理后，工件的顯微組織更加細(xì)小均勻，表面與心部組織一致，硬度均勻，有利于軸承疲勞壽命的提高。真空爐主要應(yīng)用在特殊鋼的熱處理（加熱溫度在1 000℃以上）和一些要求較高的GCr15鋼制的軸承零件的淬火上，在我國軸承熱處理領(lǐng)域應(yīng)用較廣。真空爐的發(fā)展趨勢是超高壓氣淬火代替油淬火，以及應(yīng)用真空滲碳爐等以解決新鋼種在軸承領(lǐng)域的應(yīng)用。
（5）淬火冷卻介質(zhì)及裝備 淬火介質(zhì)可分為三大類：油基、水基和氣體淬火介質(zhì)。油基淬火介質(zhì)是最常用的淬火介質(zhì)。普通的淬火油是N32或N22全系統(tǒng)損耗用油，為提高其冷卻性能、抗老化性能、光亮性能和高溫性能等分別加入催冷劑、清洗劑、光亮劑和抗氧化劑，形成了快速油、快速光亮油和高溫分級等溫油等系列淬火油，以應(yīng)用于不同尺寸和要求的軸承零件的淬火；另外，還有低揮發(fā)性的真空淬火油。油基淬火介質(zhì)的缺點是在淬火過程中產(chǎn)生油煙造成空氣污染，在隨后的清洗過程中造成水污染。
水基淬火介質(zhì)是由有機聚合物、抗腐蝕劑和其他添加劑組成的水溶液。通過改變有機聚合物的類型和濃度可得到不同的冷卻特性，以適合于不同軸承零件的淬火冷卻要求。在淬火冷卻過程中，有機物附著在零件表面，可減少零件淬火開裂的危險性，且不產(chǎn)生油煙，清洗方便，無污染，是淬火介質(zhì)的發(fā)展方向。
氣體淬火是采用惰性氣體為介質(zhì)（常用的氮氣），把壓縮氣體通過特殊設(shè)計的噴嘴噴射到工件表面，以實現(xiàn)工件的淬火冷卻。通過調(diào)節(jié)氣體的壓力和噴嘴的結(jié)構(gòu)可以控制冷卻特性和變形。氣體淬火比水基淬火更潔凈，且成本更低，其關(guān)鍵技術(shù)是噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計。我國氣體淬火在軸承領(lǐng)域還處于起步階段，在噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)方面還有一定差距。
淬火冷卻裝備是除淬火介質(zhì)外影響工件淬火效果的另一大因素。我國現(xiàn)階段淬火冷卻裝備控制參數(shù)較少，一般只對油溫和油的循環(huán)進(jìn)行控制。國外對常用的淬火油槽實行多參數(shù)控制，如油溫、油的冷卻特性、油的循環(huán)與攪拌的方向，以及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火組織與性能，同時把變形減小到最小程度。我國一些軸承廠家也在嘗試多參數(shù)控制，特別是通過對圓錐軸承進(jìn)行工件入油方式的控制來解決軸承零件淬火過程中角度的變化。
多工位自動淬火壓床在我國已應(yīng)用，但自動化程度趕不上國外。
（6）清洗設(shè)備 清洗通常是油淬后的必備工序。連續(xù)生產(chǎn)線所用的清洗設(shè)備一般完成熱皂水浸泡、清水噴淋和熱風(fēng)烘干等過程，并帶有油水分離裝置。在先進(jìn)的清洗設(shè)備中，烘干前還加有二次冷卻裝置（配有制冷設(shè)備，溫度在5～10℃之間可調(diào)），以減少殘留奧氏體的含量，提高尺寸的穩(wěn)定性。我國現(xiàn)階段的清洗設(shè)備主要采用高壓清洗液清洗，這種清洗對不通孔和小的油溝無效，往往造成回火油煙多、污染大，有時還造成著火。
真空清洗是近年來發(fā)展起來的清洗設(shè)備。該類清洗設(shè)備的優(yōu)點是：清洗效果好，尤其是對結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的清洗效果更為顯著，清洗后工件表面光亮；安全、清潔，清洗液為清水，不添加對環(huán)境有害的氯化物和石油類溶劑；自動化程度高，且可利用清洗加熱替代低溫回火，節(jié)省回火費用。近年來，超聲波清洗、渦流清洗在熱處理上的應(yīng)用效果也很好。
3.貝氏體等溫淬火裝備
根據(jù)軸承加工的特點，所使用的設(shè)備主要有兩大類：自動生產(chǎn)線和周期爐。
（1）自動生產(chǎn)線 品種少、批量大的軸承適合自動化生產(chǎn)，如鐵路軸承的生產(chǎn)多使用自動生產(chǎn)線。自動生產(chǎn)線主要由保護(hù)氣氛加熱爐和等溫淬火槽組成，其中等溫淬火部分所用設(shè)備按運送工件的動作又可分為三類：轉(zhuǎn)底式、推盤式及輸送帶式。由愛協(xié)林公司開發(fā)的轉(zhuǎn)底式、推盤式等溫淬火設(shè)備是把轉(zhuǎn)底或推盤機構(gòu)置于等溫鹽浴中，工件按一定的節(jié)拍進(jìn)出，記憶控制順序出料，動作由PLC程序控制。該類設(shè)備自動化程度高，但投資大。
（2）周期式等溫淬火設(shè)備 軋機軸承由于品種多、批量小，中小型軋機軸承生產(chǎn)廠家多采用箱式爐或井式爐+淬火冷卻槽+等溫槽+清洗槽，也有采用箱式爐+多個等溫槽。該配置投資少，適用性強，但勞動強度大，安全性差。目前，在貝氏體等溫淬火大力推廣之際，以貝氏體等溫淬火替代滲碳鋼用在負(fù)荷較小的軋機軸承上在我國已成功得到應(yīng)用。
4.保護(hù)氣氛及控制
隨著對工件淬火后表面質(zhì)量要求的提高，保護(hù)（可控）氣氛加熱越來越普及，包括退火在內(nèi)的熱處理均采用保護(hù)（或可控）氣氛加熱。20世紀(jì)70年代，主要采用吸熱式氣氛。吸熱式氣氛是原料氣和空氣的混合氣體在催化劑的作用下部分反應(yīng)形成一種含?(CO）18％～23％、?(H2）37％～42％、余量N2的保護(hù)氣氛，這種氣氛在我國軸承熱處理領(lǐng)域還有應(yīng)用。氮基丙烷氣氛在我國軸承領(lǐng)域的熱處理淬火線上應(yīng)用最廣，氮甲醇?xì)夥盏慕M份與吸熱式氣氛相近，以氮-甲醇為代表的氮基氣氛在網(wǎng)帶爐上應(yīng)用較多。90年代，出現(xiàn)了把空氣和碳?xì)浠衔镏苯油ㄈ敫哂?00℃爐膛內(nèi)的產(chǎn)氣方法，即直生式氣氛。通過研究發(fā)現(xiàn)，這種含有高CH4成分的氣氛，雖然其氣體反應(yīng)達(dá)不到類似于吸熱式氣氛的平衡程度，但其碳的傳輸能力還是由氣氛中CO與H2的含量來控制，用氧探頭結(jié)合CO2分析儀進(jìn)行碳勢控制是可以實現(xiàn)的。直生式氣氛的主要優(yōu)點是大量節(jié)省了原料氣消耗量，據(jù)統(tǒng)計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續(xù)性氣氛爐上，其原料氣消耗節(jié)省費用均可達(dá)70％左右。今天，全球約有300多臺套氣氛爐使用這種氣氛進(jìn)行滲碳、碳氮共滲和保護(hù)氣氛淬火等多種熱處理。直生式氣氛在我國軸承領(lǐng)域多應(yīng)用在滲碳領(lǐng)域。
近幾年的實際應(yīng)用表明，氧探頭的使用壽命是不好確定的，氧探頭測量的碳勢與實際值之間差異也是不可預(yù)見的。因此，可控氣氛有時因為氧探頭的失效而不可控，造成脫碳氧化等缺陷。我國現(xiàn)階段常采用定期校驗其測量精度，不利于爐子實現(xiàn)全自動化，有時甚至?xí)绊懻Ｉa(chǎn)。
鑒于上述原因，國外開發(fā)了一個雙重測量系統(tǒng)，其中一個帶標(biāo)準(zhǔn)氧探頭用于正常的控制碳勢，另一個獨立測量系統(tǒng)用于檢測這個氧探頭的工作狀況，即這兩個系統(tǒng)分別測量氣氛的碳勢，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)很大偏差時，就會報警。第二個測量系統(tǒng)工作元件可以是CO2紅外分析儀，也可以是一個微型氧探頭（λ—探頭）。迄今為止，已有許多氣氛爐安裝了這種雙重測量系統(tǒng)。
綜觀整體，國內(nèi)軸承熱處理技術(shù)和裝備較發(fā)達(dá)國家還有很大距離，特別是在退火裝備上差距更大。軸承熱處理技術(shù)和裝備較其他行業(yè)也有一定距離，提高軸承質(zhì)量關(guān)系到中國裝備制造業(yè)的振興。