圆锥轴承外圈淬火畸变的综合控制

　　摘　要：通过开展全面质量管理，对淬火前和淬火过程中各方面的影响因素进行分析和评估，有针对性地采取纠正和预防措施，持续改进，达到在现有技术装备下减少畸变的目标。
　　关键词：淬火；变形；质量管理
　　圆锥轴承外圈壁厚沿轴向连续变化，两端面不对称，在淬火时变形量较大。变形量的控制水平直接影响到生产效率、成本和产品质量。自20世纪90年代以来，各种连续式淬、回火自动生产线、专用淬火油品已得到广泛的应用，装备技术、自动化水平的提高减少了人为因素的影响，淬火工序对畸变的影响趋于稳定，规律性增强。相比之下，淬火前因素的影响程度上升。因此，在加强热处理工序质量管理的同时，开展全面质量管理，确定适用的统计工具对圆锥轴承外圈淬火畸变的测量结果进行分析，对淬火前和淬火过程中“人机料法环”诸因素的影响进行全面的分析和评估，有针对性地采取纠正和预防措施，持续改进，能够在一定程度上减少圆锥轴承外圈的淬火畸变。
　　1　淬火前影响因素控制
　　1.1严格控制外圈生产用真空精炼GCr15热轧圆钢质量
　　对进厂钢材严格按GB/T18254—2002《高碳铬轴承钢》标准验收，同时选择其中碳化物带状、中心疏松、非金属夹杂物级别较优的钢材用于生产外圈特别是薄壁易变形外圈，以减少碳化物不均匀性和组织致密度差异产生的各向异性，减少由此产生的淬火畸变。对于质量要求较高的产品，建议仍使用优质模铸轴承钢生产。
　　1.2细化锻造组织，提高锻坯质量
　　（1）细化锻造组织。根据锻造生产节拍调节各种型号工件的始锻温度，控制终锻温度在850℃以下，锻后工件经过一快速运行的输送带对输送带上的锻坯根据其大小、厚度进行鼓风、喷雾，使之迅速均匀冷却至700℃左右，随后摊开空冷，简便有效地细化锻造组织。
　　（2）适当压缩锻坯垂直差、壁厚差和尺寸公差工艺规程。锻坯垂直差、壁厚差及尺寸超差易造成外圈车削应力分布不均，内外径、滚道车加工面与锻造形成的金属流线相切，造成热处理后畸变加剧。经调整冲床及模具并进行工艺验证，压缩锻坯垂直差、壁厚差及尺寸公差20%～30%，提高锻坯尺寸精度。
　　（3）改善锻坯低倍组织。冲床吨位不足、模具质量低时，钢材原组织中疏松、非金属夹杂物、碳化物不均匀分布等得不到应有的改善，锻坯中内径周边材料缺陷分布不对称，造成淬火变形量成倍上升。对淬火后严重畸变的套圈纵向剖切后进行热酸洗长时间浸蚀，可发现剖切面上出现图1所示的低倍缺陷，酸蚀较深时外滚道相应部位也出现低倍缺陷并显示其走向。 　　经优选钢材、适度减小钢材料径、提高锻造比、改用较大吨位的冲床、提高模具设计制作质量、加强锻造工序质量控制，可有效消除工件中材料缺陷分布不对称导致的异常淬火畸变。
　　1.3提高锻坯球化退火质量
　　锻坯球化退火时，如采用周期式加热炉或普通推杆式电炉退火，存在一次装炉量大、工艺周期长、同炉（盘）工件加热状态差异大等因素的影响，同批工件球化退火组织不均匀，往往同时存在2～4级（JB/T1255—2001级别图）退火组织，且退火返工率高，而重复退火容易产生粗大碳化物颗粒。同批退火工件上下限组织共存造成淬火工艺调整困难，淬火后同一工件和同批工件硬度均匀性较差，淬火时组织应力分布不均，产生较大畸变，如造成淬火返工则废品率急剧上升。从优化热处理工艺、减少畸变的角度出发，套圈退火组织应尽可能控制在2级或细点状球化组织，超过3级已不可取。
　　我公司对原推杆炉进行等温球化退火改造，与锻坯锻后控制冷却相配合，加强退火工序质量控制，退火加热温度Z高不超过810℃，在此基础上调节退火进料节拍，将球化退火组织稳定控制在2级，细小均匀的退火组织为提高车加工和淬火质量控制水平作好了准备，同时退火生产率提高50%、吨电耗降低32%。有条件的厂家如采用锻造余热淬火加快速等温退火双细化工艺，可进一步细化组织并降低能耗。
　　1.4提高车加工工序质量管理
　　在淬火前影响畸变的因素中，车加工的影响波动较大。车加工多为单机操作，由于机床状态、液压力调整、模具、刀架调整、刀具修磨及进给量等因素的变化，批产品中切削应力差异很大，车坯的端面、外径软磨后往往掩盖了车削时的精度状况。一般企业难以进行车坯残余应力的检测，采用去应力退火或再结晶退火检验其退火前后尺寸变化，判断也较为粗略，且不可能进行大量的试验。因此，车坯质量的管理主要在于加强工序质量管理，严格控制夹具夹紧、刀架进给液压力，控制刀具修磨和切削参数，软磨前外径直径变动量、尺寸分散度与车坯成品按同等控制水平进行工序检验，加强车坯巡检抽查、工艺纪律检查和验收检验，提高车坯质量。加强车加工工序质量管理后，变形超差率稳步降低。
　　2　淬火影响因素控制
　　2.1淬火加热的影响因素
　　淬火加热的工艺状态决定工件奥氏体化程度，与淬火原始组织、装料方式、炉温均匀性、冷却条件密切相关。原始组织细小均匀、装料均匀、炉温均匀及冷却条件较好时淬火加热温度和保温时间可适当降低，减少淬火时热应力、组织应力和淬火变形。反之则需提高淬火加热温度、延长保温时间，淬火时热应力特别是组织应力急剧上升，淬火变形剧增。单就淬火加热而言，重点应控制以下三个方面：
　　（1）提高炉温均匀性。淬火加热炉有效加热区内的炉温均匀性直接影响工件的加热状态。应在新热处理炉正式投产前、使用中炉况发生变化时以及长期生产过程中定期（三个月至半年）进行炉温均匀性检测，掌握炉内各处的温度变化，以指导工艺调整，在必要时采用适当的方式提高炉温均匀性。为较好地控制工件的加热状态，周期式炉炉温均匀性至少应保持在±8℃以内，连续式炉应保持在全长±10℃以内、均温保温区同一截面±5℃以内，有效加热区内炉温变化应平缓，防止因炉内气氛直接冲刷工件或炉膛破损导致局部炉温突变。
　　（2）提高炉内工件装料均匀性。采用合适的排叠料、进炉方式或布料机构保证工件装料均匀，使得周期式炉中工件均匀排放在有效加热区内，连续式炉中工件连续均匀通过有效加热区，防止炉内工件出现不规则堆叠，炉内工件的排放方式应保证工件不因热膨胀而互相挤压变形。
　　（3）提高工艺制订水平。制订淬火加热工艺时应关注退火原始组织，在保证淬火工件硬度及硬度均匀性、金相组织合格的前提下采用较低的淬火加热温度和适中的保温时间。加热温度过低时奥氏体组织中合金浓度低且不均，同一工件硬度差大，变形量增大；加热温度过高则淬火时组织应力急剧上升，淬火变形剧增。采用较低的加热温度、适中的休温时间比采用较高的加热温度、较短保温时间的工艺更能保证批产品加热状态的一致性，稳定淬火质量，提高工艺调控水平。通常有效壁厚8mm以内的外圈淬火后马氏体组织控制在1～3级（JB/T1255—2001第二级别图），以2级为主；有效壁厚8～15mm的外圈淬火后马氏体组织控制在3～4级，以3级为主；且有效壁厚12mm以内的外圈淬火后组织中不出现屈氏体时淬火变形控制较好。
　　2.2淬火冷却的影响因素
　　与淬火加热的控制精度相比，国内淬火冷却的控制水平尚有较大的差距。主要表现在淬火介质的质量和监控、工件与淬火介质之间运动的控制等。
　　2.2.1关注淬火用油的冷却特性及其变化
　　轴承钢奥氏体非马氏体转变的不稳定温度约为650℃和450℃，但轴承套圈淬火时出现的质量缺陷多为屈氏体组织超差导致的硬度不足、硬度不均和逆硬化。因此，要求淬火用油有较短的蒸汽膜阶段和较高的高温段冷却速度，Z大冷速点应在550℃以上，防止淬火时出现非马氏体转变。低温段冷速要低，使工件在马氏体转变区内缓冷，减少组织应力和淬火变形。一般而言，当正常加热工艺和在用淬火用油不能保证轴承套圈淬火时不出现超差屈氏体组织时，改进淬火用油的冷却特性比提高淬火加热温度更能有效地消除组织缺陷、减少淬火畸变。淬火用油的改进或换用应注意循序渐进，冷速过快同样会增加淬火变形。在换用油品或添加新油比例较大以及正常生产过程中定期（不超过三个月）进行淬火用油冷却特性检测，以维护、保持淬火用油的冷却能力。
　　2.2.2改善工件和冷却介质的相对运动
　　工件和冷却介质之间均匀平缓有规律（冷却开始时运动较快，然后逐渐减慢）的运动有助于工件均匀冷却，减少工件淬火冷却过程中各部位温差，减少热应力和组织应力，相应减少淬火变形。反之，如相对静止则可能造成工件整体或局部冷却不良，硬度不足或硬度差超标，运动过快则冷速过高变形加剧，冲剧不均匀则工件各部位冷却速度差异大同样加剧变形。根据油槽机构特点对淬火油槽实施改造，在工件淬火冷却区域内形成全面均匀的油流和温度场，油流速度可调，取消产生小范围油流直接冲刷工件的油搅拌机或喷射管，有助于减少工件淬火变形。
　　2.2.3改进淬火工件入油方式
　　赤热工件入油时如与下料通道内构件发生碰撞，容易引起部分工件异常畸变。在工件变形检测时发现各批次产品均存在少量工件变形量极大时，重点排查这一因素。对下料通道进行检查，对发现有明显碰撞痕迹的构件作局部尺寸、结构调整，防止碰撞或减轻撞击有效减少了此类变形。
　　3　应用效果
　　通过开展全面质量管理活动，提高员工对影响轴承外圈淬火变形各方面因素的认识，转变观念，从源头开始加强质量管理，取得明显的效果。如我公司中大型（外径120～200mm）圆锥轴承外圈淬火由箱式炉转移至保护气氛铸链炉、网带炉生产线时，由于淬火入油方式的改变，刚开始时变形超差率大幅上升，生产线的适应能力备受怀疑。在加强上述各道环节的质量管理，特别是开展细化套圈原始组织、提高车坯质量、改善淬火用油冷却特性和油循环三项攻关后，淬火畸变得到了有效地控制，变形超差下降50%以上。部分大批量生产的产品如32216外圈已实现淬、回火后直径变动量变形无一超差（按JB/T1255—2001附录F）。同时较为准确地掌握了各种型号圆锥外圈淬、回火锥度变形的规律，合理调整车坯余量，达到了提高磨削效率、降低废品率和生产成本的目标。