轧钢机用G20Cr2Ni4钢制轴承外圈渗碳热处理工艺
发布时间：2013-09-10黄晓辉1 李茂成2
（1.哈尔滨轴承集团公司技术中心，哈尔滨 150036；2.黑龙江省医用氧气总公司技术部，哈尔滨 150046）
（1.哈尔滨轴承集团公司技术中心，哈尔滨 150036；2.黑龙江省医用氧气总公司技术部，哈尔滨 150046）
摘 要：针对用G20Cr2Ni4渗碳钢以深层渗碳制造的大型轧钢机用NNCF41104160Y轴承外圈，介绍了其渗碳热处理工艺和淬、回火工艺的制定与控制，渗碳+淬、回火后质量检验表明：各项性能指标均达到标准要求。
关键词：轧机轴承；渗碳钢；渗碳；淬火；回火；质量控制
G20Cr2Ni4渗碳轴承钢用于制作轧钢机和承受重载荷冲击的特大型轴承，渗碳处理后材料表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而其心部碳含量较低，具有良好的韧性，可承受较大的冲击载荷。
NNCF41104160Y背衬轴承外圈外径为520mm，内径为362mm，根据用户要求，该轴承经渗碳热处理后要达到如下技术要求：成品套圈表面硬度要求为57～60HRC，表面含碳量达到1.3%，有效渗碳层深度大于5.0mm。由于套圈渗碳热处理后还需进行磨加工，因此其渗碳后的硬化深度要达到6.0～6.5mm，这就为该轴承的生产增加了技术难度。同时由于该轴承属于特大型轴承，加热时间较长，因此在热处理过程中变形量、渗碳层均匀度控制困难，热处理后易产生软点等缺陷。经过反复试验研究，轴承外圈工艺过程如下。
1 工艺过程
1.1 渗碳工艺
选用渗碳设备为RJJ-75-9T井式渗碳炉，采用甲醇+煤油作为渗碳剂，碳势采用计算机程序控制。
渗碳前将套圈上的油污或锈蚀擦试干净，避免污物对渗碳效果产生影响。套圈分5层摆放在渗碳支架上，每2个套圈之间用支撑架隔开。随炉放入用于检测显微组织、硬度等各项指标的试样，在试样架上、下位置固定2个剥层试样，剥层试样于渗碳结束时取出检测化学成分；同时放入2个Ø25mm×50mm随炉试样，用于Z终有效硬化层深度的检验。G20Cr2Ni4钢制轴承外圈渗碳工艺曲线如图1所示。
关键词：轧机轴承；渗碳钢；渗碳；淬火；回火；质量控制
G20Cr2Ni4渗碳轴承钢用于制作轧钢机和承受重载荷冲击的特大型轴承，渗碳处理后材料表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而其心部碳含量较低，具有良好的韧性，可承受较大的冲击载荷。
NNCF41104160Y背衬轴承外圈外径为520mm，内径为362mm，根据用户要求，该轴承经渗碳热处理后要达到如下技术要求：成品套圈表面硬度要求为57～60HRC，表面含碳量达到1.3%，有效渗碳层深度大于5.0mm。由于套圈渗碳热处理后还需进行磨加工，因此其渗碳后的硬化深度要达到6.0～6.5mm，这就为该轴承的生产增加了技术难度。同时由于该轴承属于特大型轴承，加热时间较长，因此在热处理过程中变形量、渗碳层均匀度控制困难，热处理后易产生软点等缺陷。经过反复试验研究，轴承外圈工艺过程如下。
1 工艺过程
1.1 渗碳工艺
选用渗碳设备为RJJ-75-9T井式渗碳炉，采用甲醇+煤油作为渗碳剂，碳势采用计算机程序控制。
渗碳前将套圈上的油污或锈蚀擦试干净，避免污物对渗碳效果产生影响。套圈分5层摆放在渗碳支架上，每2个套圈之间用支撑架隔开。随炉放入用于检测显微组织、硬度等各项指标的试样，在试样架上、下位置固定2个剥层试样，剥层试样于渗碳结束时取出检测化学成分；同时放入2个Ø25mm×50mm随炉试样，用于Z终有效硬化层深度的检验。G20Cr2Ni4钢制轴承外圈渗碳工艺曲线如图1所示。
渗碳工艺规范中的关键点是对碳势的严格控制，并且随着阶段不同要对碳势作相应调整。具体方法为：排气阶段采用甲醇作为裂解气，碳势控制在0.4%，甲醇量根据碳势自动调整，直至达到所设定碳势值为止，排气阶段至少要1h；排气结束后甲醇和煤油同时滴入，应控制碳势在1.1%-1.15%；强渗阶段后进人扩散阶段，控制碳势在0.9%-1.0%。在渗碳过程中，强渗以及扩散阶段甲醇和煤油滴入的速度以及时间由电脑程序根据设定的碳势值进行自动调整。
套圈渗碳后进行一次淬火时，应迅速将套圈与支架整体淬入快速淬火油中，油温严格控制在50℃以下。
1.2 渗碳层碳含量分析
经过渗碳后，将随炉放置的剥层试样取下，去除氧化皮后，每隔0.3mm车取0.05mm厚铁屑，利用化学分析法对碳浓度梯度进行检测，碳浓度沿深度的分布如图2所示。由图可知，上、下层试样在碳浓度上差别不大，炉内碳势较均匀；经过渗碳后，试样的表层碳浓度可以达到2.0%左右，随着深度的增加，碳浓度逐渐降低；当深度达到7-8mm时，碳浓度仍可以保持在0.5%以上，保证了成品轴承外圈的有效硬化层深度。
套圈渗碳后进行一次淬火时，应迅速将套圈与支架整体淬入快速淬火油中，油温严格控制在50℃以下。
1.2 渗碳层碳含量分析
经过渗碳后，将随炉放置的剥层试样取下，去除氧化皮后，每隔0.3mm车取0.05mm厚铁屑，利用化学分析法对碳浓度梯度进行检测，碳浓度沿深度的分布如图2所示。由图可知，上、下层试样在碳浓度上差别不大，炉内碳势较均匀；经过渗碳后，试样的表层碳浓度可以达到2.0%左右，随着深度的增加，碳浓度逐渐降低；当深度达到7-8mm时，碳浓度仍可以保持在0.5%以上，保证了成品轴承外圈的有效硬化层深度。
1.3 高温回火工艺
为满足轴承零件的使用性能要求，将渗碳淬火后套圈再采用RJJ-75-9T井式炉对其进行高温回火，回火工艺曲线如图3所示。
为满足轴承零件的使用性能要求，将渗碳淬火后套圈再采用RJJ-75-9T井式炉对其进行高温回火，回火工艺曲线如图3所示。
2 二次淬、回火及稳定工艺
2.1 二次淬、回火工艺
渗碳淬火及高温回火工艺后要进行二次淬、回火，采用的淬火设备为RJJ-75-9T II号井式渗碳炉，回火设备为箱式电阻炉。为保证轴承零件的尺寸稳定性，回火时间要足够长。二次淬、回火工艺曲线如图4所示。
2.2 稳定回火工艺
为保证轴承零件质量，防止裂纹等缺陷的产生，在粗磨工序之后要进行稳定化回火，稳定回火工艺曲线如图5所示。
2.1 二次淬、回火工艺
渗碳淬火及高温回火工艺后要进行二次淬、回火，采用的淬火设备为RJJ-75-9T II号井式渗碳炉，回火设备为箱式电阻炉。为保证轴承零件的尺寸稳定性，回火时间要足够长。二次淬、回火工艺曲线如图4所示。
2.2 稳定回火工艺
为保证轴承零件质量，防止裂纹等缺陷的产生，在粗磨工序之后要进行稳定化回火，稳定回火工艺曲线如图5所示。
3 结果分析
G20Cr2Ni4轧钢机用轴承外圈经过二次淬、回火后渗碳层显微组织为细小隐晶马氏体、细小粒状碳化物及少量残余奥氏体，心部组织为板条马氏体及少量贝氏体。按JB/T 8881-2001《滚动轴承 零件渗碳热处理技术条件》进行检验，套圈组织、渗碳层深度、硬度、粗大碳化物等各项指标均达到要求，检验结果见表1。其中渗碳层深度分别采用了显微组织分析法及硬度法进行检验，同时，渗碳后对G20Cr2Ni4轴承外圈进行100%酸洗检查，无脱碳、软点及裂纹等缺陷。
G20Cr2Ni4轧钢机用轴承外圈经过二次淬、回火后渗碳层显微组织为细小隐晶马氏体、细小粒状碳化物及少量残余奥氏体，心部组织为板条马氏体及少量贝氏体。按JB/T 8881-2001《滚动轴承 零件渗碳热处理技术条件》进行检验，套圈组织、渗碳层深度、硬度、粗大碳化物等各项指标均达到要求，检验结果见表1。其中渗碳层深度分别采用了显微组织分析法及硬度法进行检验，同时，渗碳后对G20Cr2Ni4轴承外圈进行100%酸洗检查，无脱碳、软点及裂纹等缺陷。
为了掌握轴承在热处理过程中的变形量，对渗碳前、后的套圈分别抽取，测量精度。通过大量数据统计分析，其相对标样尺寸平均胀缩情况如表2所示。其中，“+”表示尺寸有所胀大；“-”表示尺寸缩小。可见，经过热处理后，套圈的整体尺寸虽有一定量的增加，但完全可以满足下道磨加工工序要求。
4 结束语
该种渗碳热处理工艺生产的NNCF41104160Y外圈，通过合理地控制各生产工序，解决了由于套圈尺寸大、要求的有效硬化层深等方面的问题，使其各项性能指标均达到了标准要求。
该种渗碳热处理工艺生产的NNCF41104160Y外圈，通过合理地控制各生产工序，解决了由于套圈尺寸大、要求的有效硬化层深等方面的问题，使其各项性能指标均达到了标准要求。
来源：《轴承》2009年4期