提高渗碳钢轴承套圈心部硬度的方法

发布时间：2015-11-13

张玲，沈伟毅，仵永刚，宋华华，王云广，杨争，梁志强

（洛阳LYC轴承有限公司，河南洛阳　471003）

　　摘　要：以末端淬透性较低的20CrNi2Mo钢制超重载铁路货车轴承套圈为研究对象，选择多种热处理方案进行工艺试验。试验结果表明，通过选择合理的淬火介质，可以解决20CrNi2Mo钢制大壁厚轴承套圈由于渗碳合金钢材料淬透性偏低而导致的心部硬度不足的质量问题，成功地挽救了由此类问题导致的废品。

　　关键词：20CrNi2Mo钢；淬火介质；超重载轴承

　　1　存在问题

　　随着我国铁路轴承承载能力的提高，重载轴承及超重载轴承市场需求稳定增长。铁路轴承用G20CrNi2MoA材料是严格按照铁路部门制订的材料标准并经过认证的国内钢铁厂家提供的。但在轴承制造过程中发现某些个别炉号的渗碳材料，当渗碳工序、二次淬回火工序及淬火介质没有异常的情况时，会出现铁路轴承心部硬度偏低的质量问题。往往伴随着有效渗碳硬化层深度偏浅，影响产品的性能和使用寿命。因此针对铁路轴承套圈心部硬度不足的问题，开展原因分析，并进行了一系列的热处理工艺试验，Z终制订出了一套可行的措施对此类产品进行挽救。

　　2　原因分析及试验

　　2.1铁路货车轴承套圈热处理工艺流程

　　铁路套圈正常热处理工艺流程为：套圈装料→渗碳→一次淬火→回火→渗碳质量检验→二次淬火→回火→热处理质量检验。

　　2.2某批铁路货车轴承热处理质量检验情况

　　某批超重载轴承套圈经渗碳热处理后，对该炉次的同一热处理状态内、外圈，随机取样破碎磨平套圈断口面，对其各项技术指标进行检验。套圈心部硬度及表面硬度在HR-150型洛氏硬度试验机上检测；硬化层深度用维氏硬度计测定；表层组织及心部组织用金相显微镜观察。本批产品的主要项目检验结果见表1。抽检外圈1和内圈1进行热处理质量检验，发现该产品的心部硬度未达到标准值（≥32HRC）^[1]。重新随机取样按照相同的检查规则，检查外圈2、内圈2的技术指标，其心部硬度仍未达到标准值（≥32HRC）。从表1的样件检验结果可以看出，存在二次淬回火后的套圈有效渗碳硬化层深度偏下限，心部组织粗大。对热处理工序设备进行校温检查，没有发现热处理设备异常；对渗碳质量检验进行复检，检查渗碳试样Z终检验结果符合渗碳工序的要求；其余零件任意抽取内外圈各一只，按照原二次淬回火工艺返工后，检验结果见表1，心部硬度仍不合格。说明该批产品心部硬度偏低具有普遍性。并对套圈断面的硬度沿其中心线位置由大端往小端进行了检测，大端截面心部硬度比小端截面心部硬度低1～2HRC。

表1 心部硬度偏低的套圈主要项目检验结果

　　2.3化学成分分析

　　试制铁路超重载货车轴承套圈所用的原材料是渗碳钢20CrNi2Mo，为国内某钢厂提供的，炉号为08123020123，规格直径分别为外圈150mm、内圈为130mm，出厂状态为热轧退火态。采用化学分析法对两种规格的进厂原材料进行成分检验，也对心部硬度不够的内外圈材料进行了成分检验，找出原材料化学成分的差异性，其结果见表2。

表2 铁路货车轴承用渗碳钢主要化学成分（质量分数，%）

　　可以看出，虽然钢中化学成分符合铁路部门运装货车【2006】220号中附件1《铁路货车轴承用电渣重熔渗碳钢技术条件》材料标准；但其淬透性元素C、Cr、Mn成分含量偏低，加上套圈本身的壁厚较大，导致轴承热处理后心部硬度偏低的质量问题，甚至影响有效渗碳硬化层深度。而同一热处理状态30B所用同一钢厂其它炉号的材料，其C、Cr、Mn化学成分较高，心部硬度等其它项目均符合要求。套圈热处理后正常心部组织应是板条马氏体，对于心部硬度低的该批次产品，由于所用材料的C、Cr、Mn化学成分偏低，使CCT曲线左移^[2]，导致心部组织呈现贝氏体、铁素体及板条马氏体混合组织，降低了材料的淬透性能。

　　2.4套圈热处理工艺试验

　　为了满足心部硬度的要求，欲通过更换设备，调整现有的二次淬火工艺，提高套圈的心部硬度^[4]。以内圈为试验对象，选用不同炉次的30B和32A两个型号的内圈进行比对工艺试验，共有五个试验方案，各类工艺试验的结果见表3。

表3 不同热处理试验状态下套圈心部硬度的变化

　　1）试验一：二次淬火仍采用转底炉，淬火温度由810℃调整到三个区825℃，加热120min；模拟正常加工时的装料方法为外圈套内圈，上面为352132A/02，下面为353130B/02，使用好富顿快速油淬火冷却。

　　2）试验二：采用ZC-65真空炉淬火；装料方法为同一料盘中放两个不同型号的内圈；650℃预热30min，淬火温度825℃，加热45min；采用好富顿真空淬火油冷却。

　　3）试验三：采用K-130淬火加热，装料方法为放两个不同型号的内圈，单层两列2×1；三个区温度均为825℃，加热50min；采用好富顿快速油，快速淬火机旋转冷却。

　　4）试验四：采用箱式H-75淬火炉；装料方法为放两个不同型号的内圈，单层两列2×1；加热温度825℃，加热50min；淬火介质采用6%F2000，介质使用温度为26℃进行冷却。

　　5）试验五：采用箱式H-45淬火炉，装料方法为放两个不同型号的内圈；加热温度825℃，加热50min；淬火介质采用10%8-20PAG淬火介质进行淬火冷却，介质使用温度为25℃。通过上述一系列的二次淬火热处理工艺试验，可以看出，通过调整二次淬火加热温度，该炉号的超重载轴承内外圈心部硬度仍然无法达到技术要求；通过增加套圈的淬火冷却速度，心部硬度有所增加。从表3的检验结果可以看出淬火冷却能力排序为试验五＞试验三＞试验四=试验二＞试验一。采用试验五的工艺，当采用8-20PAG淬火介质时，铁路轴承套圈所用渗碳钢材料的淬透性大大提高，材料心部硬度由原来的27HRC提高到33HRC，有效渗碳硬化层深度由原来的1.9mm提高到2.2mm。

　　3　结论

　　1）淬透性较低的渗碳钢一旦投料并加工成套圈后，只能通过改变热处理工艺进行挽救，满足此类产品的各项技术要求。通过利用现有的热加工设备，找到了一种提高产品的心部硬度或有效渗碳硬化层热加工方法。

　　2）通过对主要影响材料淬透性的元素进行严控，才能从根本上解决超壁厚套圈心部硬度不足的问题。

　　参考文献

　　[1]TB/T2235-2010铁道车辆滚动轴承[S].

　　[2]钟顺思，王昌生.轴承钢[M].北京，冶金工业出版社，2000.

　　[3]中华人民共和国铁道部运输局，运装货车【2006】220号中附件1《铁路货车轴承用电渣重熔渗碳钢技术条件》[Z].2006.

　　[4]沈伟毅，张中文，郝亚硕.G20CrNi2MoA钢代替G20Cr2Ni4A钢制造轴承滚子的热处理试验[J].金属热处理，2009，34（11）：81-82.