• 文献资料《轴承钢球热处理工艺设计》

    2013-12-30


    概述

    钢球发展历程

    钢球是重要的基础零部件,尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用。在一些特殊条件下,常常需要特殊材质的钢球,来完成不同环境下所要求达到的功能。其实一些特殊材质钢球已广泛应用于国民经济各个领域中,包括9Cr18、3Cr13不锈钢,铜、铝、钛合金钢以及玛瑙、玻璃、陶瓷球等。它们的推广应用,不仅推动了钢球生产业的发展,而且也促进了相关行业的技术发展和科技进步。

    1.2. 钢球的用途

    钢球广泛应用于电力、建材、矿山、冶金等领域。

    1.3. 影响钢球质量的因素

    1.3.1 材质影响:钢球、铸铁球、合金钢球等,不同材质的密度不同,钢的密度比铸铁的大,合金钢则依主要合金元素的密度及含量不同而不同。

    1.3.2. 钢球制造方法的影响:轧制及锻打的钢球其组织致密,故密度大,铸造的铸钢球、铸铁球或铸造合金球等的组织致密,相对密度小一些。

    1.3.3.钢球金相组织的影响:马氏体、奥氏体、贝氏体、铁素体等不同晶体结构下密度也不相同,对结晶细度也有影响。

    1.3.国家规定钢球压碎负荷值如表一及铸造磨球的力学性能如表二。

    表一

    钢球直径(mm

    压碎负荷值HRC

    30

    61-66

    30-50

    59-64

    50

    58-64


    名称

    牌号

    表面硬度(HRC

    落球冲击疲劳寿命

    淬火态A 淬火态B

    高铬铸铁磨球

    ZQCr26

    56

    45

    8000

    高铬铸铁磨球

    ZQCr2

    56

    45

    8000

    高铬铸铁磨球

    ZQCr1

    56

    49

    8000

    中铸铁磨球

    ZQCr8

    48

    8000

    低铬铸铁磨球

    ZQCr2

    45

    8000

    贝氏体球墨铸铁磨球

    ZQSi3

    50

    8000


    为保证轴承钢球在工作中具有高的寿命和可靠性,必须对钢球进行热处理加工,以提高其硬度、刚度等力学性能。钢球的热处理方法和过程,与套圈热处理大致相同,一般包括退火、淬火、回火、表面热处理、等内容,也有先进的热处理方法,如保护气氛淬火或真空淬火。
    2.1. 退火 热镦压后的钢球毛坯要进行球化退火,以得到细粒状珠光体组织、改善机械加工性能。

    2.2. 淬火 为了提高钢球的硬度、强度、耐磨性和抗接触疲劳性能,并通过回火得到良好的弹性、韧性和尺寸稳定性等综合力学性能,要进行淬火处理。

    2.3. 回火 回火可以降低内应力,稳定组织和尺寸,并在稍微降低硬度的情况下大大提高韧性和得到良好的综合力学性能

    2.4.表面处理 表面处理可以使零件表面具有高的强度、硬度、和耐磨性,心部有一定的强度、足够的塑形和韧性。

    设计正文

    3.1设计流程

    钢球球化退火(加热到750°C)→保温3小时→炉冷至600°C出炉空冷至室温→将钢球淬入320°C的硝酸钾盐浴中→保温一段时间→取出空冷→将钢球加热到150°C-170°C回火→保温3小时左右→取出油冷至室温

    3.2 球化退火

    球化退火是使钢球中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢球加热到750度,保温一段时间,然后缓慢冷却,得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。

    钢球经空冷所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体,这种组织硬而脆,不仅难以切削加工,且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织,其中的渗碳体呈球状颗粒,弥散分布在铁素体基体上,和片状珠光体相比,不但硬度低,便于切削加工,而且在淬火加热时,奥氏体晶粒不易长大,冷却时工件变形和开裂小。

    球化退火加热温度为727度以上,保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的,只是片状珠光体转变成奥氏体,及少量过剩碳化物溶解。因此,它不可能消除网状碳化物,如过共析钢有网状碳化物存在,则在球化退火前须先进行正火,将其消除,才能保证球化退火正常进行。

    普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20~30℃,保温适当时间,然后随炉缓慢冷却,冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后,随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温,等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比,球化退火不仅可缩短周期,而且可使球化组织均匀,并能严格地控制退火后的硬度。

    3.3 等温淬火

    将奥氏体化钢球加热到320°C并在硝酸钾的盐浴中,等温保持足够长的时间,使之转化为下贝氏体组织,然后取出在空气中冷却。下贝氏体组织的强度、硬度较高而韧性良好,提高了钢球的综合力学性能。等温淬火减小了钢球与淬火介质的温差,从而减小了淬火应力,又由于贝氏体的体积比马氏体小,而且钢球内外温度一致,故淬火组织应力也小。等温淬火可以显著减小钢球变形和开裂倾向。等温淬火曲线如下图曲线4。

    各种淬火方法冷却曲线示意图

    3.4 回火

    当钢球全淬成马氏体再加热到150°C-170°C回火时,随着回火温度升高,按其内部组织结构变化,分四个阶段进行:

    1)马氏体的分解;2)残余奥氏体的转变;3)碳化物的转变;4)e相状态的变化及碳化物的聚集长大.

    二次硬化:当钢中含有较多的碳化物形成元素时,在回火第四阶段温度区(约为500~550℃)形成合金渗碳体或者特殊碳化物。这些碳化物的析出,将使硬度再次提高,称为二次硬化形象。

    回火目的:减少或消除淬火应力,提高韧性和塑性,获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合,以满足钢球的性能要求。

    3.3.1碳钢的回火特性

    淬火钢回火后的力学性能,常以硬度来衡量。在未完全淬透情况下,沿工件截面硬度差别随着回火温度的提高及回火时间的延长而逐渐减小.合金钢的回火特性,基本和碳钢类似。但对具有二次硬化现象的钢则不同,也不能简单地用M参数来表征回火程度。

    3.4.1. 低温回火

    低温回火又称“消除应力回火”。回火温度范围为150-250摄氏度,回火后的组织为回火马氏体。钢具有高硬度和高耐磨性,但内应力和脆性降低。经渗碳和表面淬火的零件,回火后的硬度一般为58-64HRC。

    3.4.2. 回火时间

    回火时间应包括按工件截面均匀地达到回火温度所需加热时间以及按M参数达到要求回火硬度完成组织转变所需的时间,如果考虑内应力的消除,则尚应考虑不同回火温度下应力弛豫所需要的时间。

    对以应力弛豫为主的低温回火时间应比表列数据长,长的可达几十小时。对二次硬化型高合金钢,其回火时间应根据碳化物转变过程通过试验确定。当含有较多残余奥氏体,而靠二次淬火消除时, 还应确定回火次数。

    3.4.3. 回火后的冷却

    回火后钢球在空气中冷却。以防止开裂。回火后应进行油冷,以抑制回火脆性。在防止开裂条件下,可进行油冷或水冷,然后进行一次低温补充回火,以消除快冷产生的内应力。

    3.5. 钢球表面热处理

    1.感应加热表面淬火

    定义:是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流,将零件表面迅速加热,然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。

    原理:如图所示,电磁感应产生同频率的感应电流即涡流。涡流在工件截面上的分布是不均匀的,心部几乎等于零,而表面电流密度极大,称为“集肤效应”,频率愈高,电流密度极大的表面层愈薄。依靠这种电流和工件本身的电阻,使工件表面迅速加热到淬火温度,而心部温度仍接近室温,然后立即喷水冷却,使工件表面淬硬。

    感应加热表面淬火示意图

    分类:感应加热可分为三类:

    (1)高频加热

    常用频率为(200~300)KHZ,淬硬层深度为(0.5~2.5)mm。

    (2)中频加热

    常用频率为(2500~8000)HZ,淬硬层深度为(2~10)mm。

    (3)工频加热

    电流频率为50HZ,不需要频设备,城市用交流电即可,硬层深度为(10~20)mm以上,城市用交流电即。

    优缺点:感应加热表面淬火加热速度快,生产率高,加热温度和淬硬层深度容易控制,钢球表面氧化和脱碳少,钢球变形小,可以使全部淬火过程实现机械化、自动化。

    2感应表面淬火后的性能
    1.表面硬度:经高、中频感应加热表面淬火的工件,其表面硬度往往比普通淬火高 2~3 个单位(HRC)。
    2.耐磨性:高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小,碳化物弥散度高,以及硬度比较高,表面的高的压应力等综合的结果。
    3.疲劳强度:高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高,缺口敏感性下降。对同样材料的工件,硬化层深度在一定范围内,随硬化层深度增加而疲劳强度增加,但硬化层深度过深时表层是压应力,因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降,并使工件脆性增加。一般硬化层深δ=(10~20)%D。较为合适,其中D为工件的有效直径。
    2.化学热处理

    渗碳:渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层,再经过淬火和低温回火,使工件的表面层具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。

    3.6. 钢球的力学性能测试

    试样件送力学性能测试室进行相应的力学性能测试。

    (1)用落球冲击试验机测试落球冲击寿命。

    (2)用压碎值试验仪测试钢球压碎负荷值δs= HRC。

    四.总结

    钢球在热处理过程中经可能采用油剂而不要轻易采用水剂;碱浴的冷却特性是理想的。淬火显微裂纹是伴随产物,通过对钢球大量实验和测定,证明显微裂纹是客观存在的,它是淬火状态下组织结构中不可忽视的组织之一。由于它的存在极大的影响着材料的性能。

    由于对显微裂纹疏忽,造成现行热处理工艺设计理论依据的不完整性,即缺乏统筹辩证地认识奥氏体中溶碳量的提高,是材料强度、硬度、抗磨性和回火稳定性的保证;而溶碳量的提高又促使孪晶马氏体的量和微裂纹的增高,而且材料的强度和韧性等下降。从工艺上不仅要认识到淬火温度的高低是抑制显微裂纹尺寸大小的有效途径,还要认识到淬火温度的高低、过冷奥氏体的冷却速度的快慢和回火温度的高低与急事性是孪晶马氏体的量、显微裂纹的量及材料强度高低的关键影响因素。

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