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軸承熱處理技術及其裝備

2009/2/27      

一、軸承熱處理技術的發展趨勢

    軸承熱處理直接關系著后續的加工質量,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量,以及能源消耗和污染。近年來,隨著科技的進步,熱處理技術的發展趨勢主要體現在以下幾個方面:

    (1)清潔熱處理 熱處理生產形成的廢水、廢氣、廢鹽、廢油及電磁輻射等均會對環境造成污染。解決熱處理的環境污染問題,實行清潔熱處理(或稱綠色環保熱處理)是熱處理技術發展的方向之一。這對于熱處理的氣氛、淬火油和清洗設備都提出了高要求。

    (2)精密熱處理 精密熱處理就是充分保證優化工藝的穩定性,實現產品質量分散度很。ɑ驗榱悖、熱處理畸變為零,減少磨削留量提高生產效率,節約材料。實現精密熱處理必須有良好的爐溫均勻性、控溫準確性,以及淬火劑良好的冷卻性和穩定性。實現軸承的精密熱處理可以走整體淬火和感應淬火兩條路。

    (3)節能熱處理 選用新型的保溫材料以提高熱處理裝備的能源利用率;優化熱處理工藝,提高工藝產量,充分發揮設備的能力,F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,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量,減少畸變,提高壽命。

    二、軸承熱處理裝備

    1.退火設備

    現階段我國的退火設備是氧化爐和保護氣氛爐共存,氧化爐多于保護氣氛爐;周期爐和連續爐共存,且周期爐多于連續爐。美國、英國、日本等國家早在20世紀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,節約能源,并提高退火質量。隨著軸承零件加工技術的發展,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,由此帶來了對保護氣氛退火的需求。軸承行業應迅速推廣保護氣氛球化退火,以減少退火后的氧化脫碳,提高加工效率,節材節能,降低成本。

    2.常規馬氏體淬火的工裝設備

    現階段我國軸承行業常規馬氏體淬火的工裝設備參差不齊,從保護介質上可分為無保護介質的氧化爐、可控氣氛爐和真空爐。無保護介質的氧化爐占軸承熱處理裝備的25%左右,有保護介質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。從生產周期上可分為周期爐和連續爐。

    近幾十年來,馬氏體淬火的工裝設備發展主要集中在以下幾個方面:

    (1)自動化生產線 目前,國內采用的自動生產線按其結構(或工件在爐中的運動方式)可分為:有馬弗網帶爐、無馬弗網帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐網帶爐和轉底爐系列生產線,上料、前清洗、保護氣氛(或可控氣氛)下加熱、淬火、后清洗(有時還進行二次深冷輥底爐進行二次深冷)及回火均自動完成。生產線自動化程度及控制精度高,處理后工件的質量均勻,整條熱處理生產線可作為軸承自動生產線的一部分使用。不同的熱處理生產線根據其結構特點適用于不同類型和尺寸的軸承零件的熱處理,如網帶爐適用于中小型軸承套圈;轉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)感應加熱淬、回火設備 感應加熱具有加熱速度快、節能和變形小等優點,處理后的工件具有一些常規加熱所沒有的性能。我國現階段軸承熱處理應用主要集中在轉盤軸承和轎車輪轂軸承上,而在GCr15鋼上基本沒有應用。

    (4)真空爐 真空狀態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境污染問題,實現清潔熱處理。另外,真空熱處理后,工件的顯微組織更加細小均勻,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域應用較廣。真空爐的發展趨勢是超高壓氣淬火代替油淬火,以及應用真空滲碳爐等以解決新鋼種在軸承領域的應用。

    (5)淬火冷卻介質及裝備 淬火介質可分為三大類:油基、水基和氣體淬火介質。油基淬火介質是最常用的淬火介質。普通的淬火油是N32或N22全系統損耗用油,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,以應用于不同尺寸和要求的軸承零件的淬火;另外,還有低揮發性的真空淬火油。油基淬火介質的缺點是在淬火過程中產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,且不產生油煙,清洗方便,無污染,是淬火介質的發展方向。

    氣體淬火是采用惰性氣體為介質(常用的氮氣),把壓縮氣體通過特殊設計的噴嘴噴射到工件表面,以實現工件的淬火冷卻。通過調節氣體的壓力和噴嘴的結構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,其關鍵技術是噴嘴的結構設計。我國氣體淬火在軸承領域還處于起步階段,在噴嘴的結構設計技術方面還有一定差距。

    淬火冷卻裝備是除淬火介質外影響工件淬火效果的另一大因素。我國現階段淬火冷卻裝備控制參數較少,一般只對油溫和油的循環進行控制。國外對常用的淬火油槽實行多參數控制,如油溫、油的冷卻特性、油的循環與攪拌的方向,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控制,特別是通過對圓錐軸承進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用,但自動化程度趕不上國外。

    (6)清洗設備 清洗通常是油淬后的必備工序。連續生產線所用的清洗設備一般完成熱皂水浸泡、清水噴淋和熱風烘干等過程,并帶有油水分離裝置。在先進的清洗設備中,烘干前還加有二次冷卻裝置(配有制冷設備,溫度在5~10℃之間可調),以減少殘留奧氏體的含量,提高尺寸的穩定性。我國現階段的清洗設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展起來的清洗設備。該類清洗設備的優點是:清洗效果好,尤其是對結構復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,節省回火費用。近年來,超聲波清洗、渦流清洗在熱處理上的應用效果也很好。

    3.貝氏體等溫淬火裝備

    根據軸承加工的特點,所使用的設備主要有兩大類:自動生產線和周期爐。

    (1)自動生產線 品種少、批量大的軸承適合自動化生產,如鐵路軸承的生產多使用自動生產線。自動生產線主要由保護氣氛加熱爐和等溫淬火槽組成,其中等溫淬火部分所用設備按運送工件的動作又可分為三類:轉底式、推盤式及輸送帶式。由愛協林公司開發的轉底式、推盤式等溫淬火設備是把轉底或推盤機構置于等溫鹽浴中,工件按一定的節拍進出,記憶控制順序出料,動作由PLC程序控制。該類設備自動化程度高,但投資大。

    (2)周期式等溫淬火設備 軋機軸承由于品種多、批量小,中小型軋機軸承生產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荷較小的軋機軸承上在我國已成功得到應用。

    4.保護氣氛及控制

    隨著對工件淬火后表面質量要求的提高,保護(可控)氣氛加熱越來越普及,包括退火在內的熱處理均采用保護(或可控)氣氛加熱。20世紀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形成一種含?(CO)18%~23%、?(H2)37%~42%、余量N2的保護氣氛,這種氣氛在我國軸承熱處理領域還有應用。氮基丙烷氣氛在我國軸承領域的熱處理淬火線上應用最廣,氮甲醇氣氛的組份與吸熱式氣氛相近,以氮-甲醇為代表的氮基氣氛在網帶爐上應用較多。90年代,出現了把空氣和碳氫化合物直接通入高于800℃爐膛內的產氣方法,即直生式氣氛。通過研究發現,這種含有高CH4成分的氣氛,雖然其氣體反應達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,用氧探頭結合CO2分析儀進行碳勢控制是可以實現的。直生式氣氛的主要優點是大量節省了原料氣消耗量,據統計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續性氣氛爐上,其原料氣消耗節省費用均可達70%左右。今天,全球約有300多臺套氣氛爐使用這種氣氛進行滲碳、碳氮共滲和保護氣氛淬火等多種熱處理。直生式氣氛在我國軸承領域多應用在滲碳領域。

    近幾年的實際應用表明,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。我國現階段常采用定期校驗其測量精度,不利于爐子實現全自動化,有時甚至會影響正常生產。

    鑒于上述原因,國外開發了一個雙重測量系統,其中一個帶標準氧探頭用于正常的控制碳勢,另一個獨立測量系統用于檢測這個氧探頭的工作狀況,即這兩個系統分別測量氣氛的碳勢,當結果出現很大偏差時,就會報警。第二個測量系統工作元件可以是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。

    綜觀整體,國內軸承熱處理技術和裝備較發達國家還有很大距離,特別是在退火裝備上差距更大。軸承熱處理技術和裝備較其他行業也有一定距離,提高軸承質量關系到中國裝備制造業的振興。

 
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