滚动轴承热处理工艺.ppt

汽车减速器轴承热处理工艺说明书,一 研究的目的及意义,汽车减速器的轴承是减速器的重要部件，它的质量直接影响到减速器的使用性能和寿命。工业产品须秉承“优质”、“高产”、“低成本”的原则，因此轴承材料的选择和工艺的制定，须做到经济和科学。本设计从普通汽车减速器轴承热处理工艺设计的各个环节来控制其质量，包括其工作环境、受力情况、失效形式的分析，以制定最科学合理的热处理工艺。热处理工艺设计的目的在于培养我们综合能力，运用所学的专业知识设计或制定能保证零件性能要求的热处理工艺。,二 轴承的工作情况分析,滚动轴承一般由外圈 内圈 套圈 滚动体（滚珠 滚柱 滚锥或滚针）和保持器等部分组成。外套圈装在轴承上不动，内套圈紧套在轴承上并随轴一起转动，而滚珠则在内外套圈之间转动和滚动。滚动轴承工作时，位于轴承下半部。一些滚珠轴承承受着径向载荷F的作用，各个位置上受力不同。汽车行驶时受力情况更加复杂，无规律地冲击、震荡使其工作条件变得更加恶劣。长时间工作会导致的温度升高，以及摩擦加剧。,2、滚动轴承的受力分析,滚动轴承工作时，滚动体和套圈均受周期性交变载荷，在周期载荷作用下，在套圈和滚动体表面都会产生小块金属金属剥落而产生疲劳损坏。滚动体与滚道之间是点接触，故其承受接触应力和冲击力，接触应力可达30003500Mpa 循环应力可达万次min受纯轴向载荷时，各滚动体受力相同。受径向载荷时，上半圈滚动体不受力。下半圈各滚动体受力大小均不相同，由下列公式导出；Fmax=5Fr/z,3、滚动轴承的失效分析,接触疲劳失效粘附和磨粒磨损失效断裂失效塑性变形失效腐蚀和腐蚀磨损失效游隙变化失效（大多原因是装配不当，密封不良造成磨损的。少数是由于润滑剂缺失或过量造成的）,4、滚动轴承的外形结构图,三、滚动轴承的性能要求,高的接触疲劳强度和抗压强度高的淬硬性和足够的淬透性高的弹性极限和足够的冲击韧度足够的尺寸稳定性一定的抗蚀能力良好的工艺性（适应大量生产的需要）,四、滚动轴承常用材料和性能对材料的基本性能要求,我国生产的铬轴承钢牌号及其化学成份见下表。轴承钢牌号及化学成份%,1.高碳铬轴承钢,目前，轴承行业普遍使用的主要是 GCr15、GCr15SiMn两种材料，是轴承钢总量的80%以上。GCr15钢大量用来制造汽车、拖拉机等所使用的发动机轴承，机床、电机等所使用的主轴轴承以及铁路车辆、矿山机械、通用机械用轴承。在GB/T18254高碳铬轴承钢标准中，高碳铬轴承钢GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo几种。GCr15SiMn、GCr15SiMo主要用于制造壁厚比较大的轴承。GCr15SiMn适用于制造壁厚在15mm-35mm范围内的轴承，GCr15SiMo适用于制造壁厚大于35mm尺寸的轴承。如各种大型和特大型轴承，多用在重型机床及轧钢机无较大冲击载荷的工作条件下。GCr4轴承钢是限制淬透性钢，即经过合适的热处理可得到表面硬心部软的硬度匹配，具有良好的耐磨性，抗冲击性和断裂韧性及高的接触疲劳寿命。GCr18Mo淬透性比较高，其性能比GCr15SiMn钢优越，可在铁路轴承、轧机轴承、矿山机械轴承上代替GCr15SiMn。它还是一种被广泛用于贝氏体处理的轴承钢，用于制造高速列车、矿山和冶金机械轴承。,2.渗碳轴承钢,渗碳轴承钢实际上是低碳优质合金结构钢，含有较低的碳和一定量的合金元素。经渗碳淬火回火等热处理工序后，表面硬度为5862HRC心部2545HRC。表面耐磨性较好，且心部又具有良好的韧性。用这类钢制造的轴承，即可以承受较大的冲击载荷，又具有较高的耐磨性和抗接触疲劳强度常用的渗碳轴承钢有G20Cr2Ni4A、G20CrNi2MoA、G20CrNiMoA。用于制造承受冲击载荷较大的汽车、铁路货车轴承、轧机轴承等。,滚动轴承用钢原材料质量的基本要求,1.严格的化学成分要求:一般轴承用钢主要是高碳铬钢即含碳量是1%左右，加入1.5%左右的铬，并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。铬可以改善热处理性能，提高淬透性，组织均匀性，回火稳定性又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。但当铬含量超过1.65%时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。为此，高碳铬钢中的含铬量一般控制在1.65%。只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得轴承性能组织和硬度。高精度的尺寸要求特别严格的纯洁度要求：钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。轴承钢中的氧化物，硅酸盐等有夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落，显著降低轴承寿命的主要原因，特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中，容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此为了提高轴承的使用寿命和可靠性必须降低轴承钢中夹杂物的含量。,4.严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求:轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析，显微组织包括钢的退火组织碳化物网状、带状和液析等。碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。低高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响，所以，在轴承材料标准中对低高倍组织有着严格的要求。5.特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求：对轴承钢而言，表面缺陷包括裂纹夹渣、毛刺、结疤，氧化皮等，内部缺陷包括缩孔，气泡白点严重的疏松和偏析等。这些缺陷对于轴承的加工轴承的性能和寿命有很大的影响在轴承材料中明确规定不允许出现这些缺陷。6.特别严格的碳化物不均匀性要求：在轴承钢中，如果出现严重的碳化物分布的不均匀，则在热处理加工过程中就容易造成组织和硬度的不均匀，钢的组织不均匀性对接触疲劳强度有较大的影响。另外严重的碳化物不均匀性容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹，碳化物不均匀性还会导致轴承的寿命降低。因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材均有明确的特别要求。7.特别严格的表面脱碳层要求：在轴承材料标准中对钢材表面脱碳层有着严格的规定，如果表面脱碳层超过标准的规定范围，且在热处理前的加工过程中又没有将其全部清除掉，则在热处理淬火过程中就容易产生淬火裂纹，造成零件的报废。,8套圈壁厚。25cm 滚子直径 32cm 钢球直径 50cm。9套圈壁厚取22cm 套圈直径取32cm 钢球直径25cm综上述条件：选择Gcr15作为材料,四、热处理工艺曲线,套圈：备料锻造球化退火机械加工淬火、低温回火检验磨削加工滚珠：备料冷镦硬磨附加回火抛光,五、热处理工艺流程,一）铬轴承钢的正火：一 正火的目的 消除网状碳化物及线条状组织 返修退火的不合格品 为满足特殊性能要求的需要 为退火做好组织准备加热温度 正火加热温度主要依据正火目的和正火前零件的组织状况来确定。消除粗大网状碳化物，正火温度Ac3+（5070）或Acm+（3050）选用930950；若一次正火不能消除粗大网状碳化物，可按相同温度进行第二次正火；消除不太粗的网状碳化物及退火过热组织，正火温度选用900920；细化组织的正火则采用890900。保温时间 在正常正火温度下，一般经30分钟保温，其目的是使轴承钢中剩余碳化物基本溶入奥氏体中。但还应根据实际生产中的零件大小、批量、加热方式、装炉方法等情况进行调整。,冷却速度 正火冷却过程中，如冷却速度过慢非但不能改善组织，而且会再次析出网状碳化物；冷却速度过大，将会出现大量马氏体组织及因应力过大而产生的裂纹。故轴承钢正火冷却速度不应小于50/分。正火后，应立即进行退火，若不能，则应先进行400600回火，以消除应力。4，正火组织铬轴承钢正火后的显微组织为索氏体,950,30min,t/min,T/,预备热处理：套圈的等温球化退火,一.球化退火的目的获得均匀分布的细粒状珠光体，为淬火提供最佳的组织准备。降低硬度，改善切削加工性能。（GCr15，179207HB；GCr15SiMn，179217HB）提高塑性，利于冷冲压加工。二。加热温度:Gcr15含碳量为0.951.05之间，过共析钢退火：Ac1+(3050），因为合金钢的加热温度高于碳钢，所以取800三、加热时间：T=KD=5h四 等温时间：T=5h五 加热速度：由于截面较小，加热速度应快。可细化奥氏体晶粒六 到温入炉方式加热,7 球化退火工艺曲线,800,快冷,700,5h,5h,退火缺陷及其对策,1脱碳层 产生原因：1）正火脱碳严重 2）密封性差3）退火温度高，保温时间长补救办法：改其他型号或报废防治措施：1）加强对原材料和锻件脱碳控制2）正确执行工艺，防止失控超温3）尽可能不进行正火和不重复进行正火4）提高炉子密封性，在中性火焰炉加热 2欠热产生原因：加热温度低 2）原始组织不均匀3）装炉量多等4）加热温度偏高，冷却速度偏低补救办法：根据不同的调整工艺二次退火。防治措施;1）改善炉温均匀性2）装炉量多等 3)加热温度偏高,3过热 产生原因：1）加热温度过高，或在上限温度保温时间长2）原材料组织不均匀3）装炉量多，炉温均匀性差补救办法：正火后调整工艺，后快速退火或正常退火防治措施：1）合理制定工艺，严格执行工艺 2）改善炉温均应性3）装炉量合理粗大颗粒碳化物：产生原因1）粗大组织有片状珠光体2）退火温度偏高、冷速慢3）原材料碳化物不均性补救办法：正火一次退火防治措施：1）严格控制原材料和锻件质量2）尽量不进行重复退火。不能进行多次退火,网状碳化物超过三级产生原因：1）组织有严重碳化物网，退火时无法消除2）退火温度过高补救办法：正火一次退火防治措施：1）严格控制锻造组织2）防止退火失控超温和冷却太慢补救方法：正火退火防治措施：加热充分，但不过热冷速合适,最终热处理：淬火,淬火目的：提高轴承零件的硬度、强度、耐磨性和疲劳强度，并通过回火获得高的尺寸稳定性和综合机械性能。淬火后显微组织由隐晶马氏体和细小结晶马氏体、细小而均匀分布的残留碳化物以及残留奥氏体组成。这些组织的相对量及分布将决定钢的性能淬火组织中各相成分对性能影响马氏体 马氏体是铬轴承钢淬、回火后的最基本组织。其性能决定于马氏体中碳和合金元素的含量以及马氏体的形态和粗细程度。资料表明，回火马氏体含碳量在0.45%的轴承寿命最高(含碳0.5%变脆，含碳0.4%疲劳寿命降低)。马氏体中含铬量为0.81.0%左右，含锰量为0.3%左右性能最佳。细小马氏体数量占80%左右综合性能最好。残留碳化物一般认为，应控制在6%左右为宜。残留碳化物颗粒越细小(平均直径为0.56毫米)，分布越均匀，轴承的使用寿命越高。残余奥氏体 铬轴承钢淬、回火组织中的残余奥氏体是不稳定组织，它使轴承在长期使用过程中尺寸发生变化而降低精度。残余奥氏体强度、硬度较低，但具有较高的冲击韧性，且适量的残余奥氏体能提高轴承耐磨性和疲劳寿命。由于马氏体转变不可能完全，淬火、回火后也不能使残余奥氏体全部转变。为此，钢中必定会保留一定量（大约10%）的残余奥氏体。,热处理工艺参数,淬火温度：含碳量为0.951.05 过共析钢淬火温度Ac1+（3050）由于形状简单，采用到温入炉方式加热所以设定温度为790淬火加热保温时间的确定 保温时间是指工件到达淬火加热温度后，延续加热时间，使表面和中心达到均匀一致。保温时间的确定应考虑下列因素：淬火加热温度高，保温时间相应缩短。原始组织中碳化物颗粒粗，保温时间应长，碳化物颗粒越细小越弥散，保温时间越短。工件壁厚与装炉量：厚度大，零件摆放过密，装炉量大，需要的保温时间长。加热介质：在真空炉中加热比在空气炉中(可控气氛)加热保温时间长；在空气炉中又比在盐炉中加热保温时间长。零件形状：形状复杂的零件，由于淬火加热温度低，因此保温时间也应适当的延长。冷却介质：采用水冷的零件保温时间短；油冷零件保温时间长,有经验公式得：T=KD=10min采用单介质淬火 原因;操作方便，适应大批量生产淬火冷却介质及冷却方法的确定：普通淬火油 直接淬火工艺曲线如图：,10min,790,t/min,T/,常见淬火缺陷及防止方法,淬火变形和裂纹 淬火过程中的快冷使零件内部产生内应力，是导致变形、开裂的根本原因。淬火内应力 热应力 和 淬火变形 轴承套圈淬火引起的变形和尺寸胀缩，都是由于热应力与组织应力综合作用产生的。影响套圈胀缩的原因主要取决于淬火组织中各相成分的含量。残留奥氏体含量越多，马氏体数量越少，体积变化越小。另外套圈壁厚、淬火介质、冷却方式等对套圈的胀缩都有影响。套圈变形主要有径向不均匀变形(圆度超差)和轴向不均匀变形(平面度超差)两种。产生原因是套圈各部位到达Ms点时间差，引起马氏体转变不等时性，造成不一致的组织应力所致。此外炉温不均匀、装炉方式不当、冷却速度不一致，操作时相互碰撞，均会增加变形。减少或防止变形的方法是：淬火加热时采用二次加热法，即先采用650700预热，然后再升到工艺温度，可保证均匀加热，又可消除淬火前的原始应力；采用热油(100140)冷却或分级淬火，减少各部位到达Ms点的时间差对壁薄的易变形套圈，最好采用强制防止变形的夹具淬火压床。组织应力,铬轴承钢的回火,回火的目的:消除内应力，稳定组织和尺寸，提高零件的综合机械性能。回火是热处理淬火后必不可少的工序，是决定轴承零件内在质量的关键工序。二、回火工艺参数的确定 回火温度应比轴承工作温度高3050。通常120以下工作的轴承，采用150170回火；要求在高温下工作的轴承，回火温度分别选用200；250；300；350等。回火保温时间的选择 通常按零件大小和精度等级以及回火加热介质确定保温时间，在空气电炉回火，一般轴承零件保温2.53.0小时，大型轴承零件为612小时。t=k+AD 取5小时。装炉方式;到温入炉回火冷却方式：空冷,对于超差的变形工件，应进行整形补救，具体措施如下：重物压平法：主要用于超轻、特轻系列及推力套圈的轴向变形。将淬火套圈在油中冷至室温后，除去重物，变形得到矫正。热整形法：利用淬火后套圈组织和应力不稳定状态，借锤击的外力改变套圈的变形方向，产生微小塑性变形，达到减小变形的目的。内撑整形法：是校正径向变形常用的方法，可在淬火或回火后进行。它是在套圈直径变形的最小处用螺丝项撑开，使短轴变长轴，按正常工艺回火，待零件冷至室温后卸顶，再进行一遍去应力回火。胎模胀形法：主要适用于不对称结构的圆锥外圈。其特点是；必须制作一套专用胎具及压力机等辅助设备，使套圈淬火后保持原来的形状。淬火裂纹 零件淬火时产生的裂纹，大部分是在马氏体转变时，由于组织应力作用在零件表面的拉应力超过了该温度下材料的断裂强度而引起的。常见的淬火裂纹如下：淬火过热形成的裂纹：冷却速度过大产生的裂纹：原始应力过大产生的裂 应力集中产生的裂纹 材料缺陷引起的裂纹,回火工艺曲线,150,5h,空冷,t/min,T/,附加回火,附加回火目的 主要是消除部分磨削应力，进一步稳定组织，提高零件的尺寸稳定性。附加回火工艺参数的确定 附加回火温度应低于原回火温度2030，以免使零件硬度降低和尺寸发生变化。温度越高，磨削应力消除越彻底，但必须保证零件硬度不降低和表面不出现氧化色。,附加回火工艺曲线,130,130,4h,4h,t/min,T/,五）质量检验 检验方法及规程,轴承零件热处理的加工设备,球化退火选用RX3-15-9x箱式电阻炉，炉膛尺寸1200600400额定功率15kw，额定电压380kv 额定温度950最终热处理：选择额定温度950，额定电压380kv最终选择设备RX3-15-9箱式电阻炉，尺寸1200600400,热处理单件时间,套圈：t=（t1+t2）/n=1.8滚珠：t=0.4h,渗碳轴承零件的渗碳处理,轴承零件渗碳采用气体渗碳。它是目前生产中应用最广泛的渗碳方法。其主要优点有：质量易于控制，渗碳速度较快，适合于大批量生产，劳动条件好。选择渗碳剂时，要考虑下列几点：渗碳剂要具有足够的活性，渗碳能力强 渗碳剂裂解后产气量多和产生的碳黑少。渗碳剂的成分要稳定，而且杂质少(主要是含硫量要低)。材料来源广、经济影响渗碳的主要因素主要有渗碳温度、渗碳时间、渗碳剂流(滴)量以及钢的化学成分等。渗碳过程分为排气、吸收、扩散、降温、等温五个阶段。渗碳轴承零件最终热处理质量要求1.有效渗碳层深度2.渗碳层表面含碳量3.金相组织4.表面硬度和心部硬度5.裂纹6.变形渗碳轴承零件渗碳后的热处理 渗碳只能改变零件表层的化学成分，渗碳直接淬火后，得到的渗层组织粗大，残余奥氏体多，心部组织也粗大，力学性能不佳，不能使用。要使零件获得外硬内韧的性能，渗碳后还必须进行相应的淬回火处理。轴承零件渗碳热处理工艺曲线如图所示。,800,950,890,油冷,600,650,800,160,140,温度/,