常 洪，陳廣勝，付 玲，買 潔

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

滲碳軸承套圈的心部硬度不僅影響套圈的靜載強度，而且也影響表面殘余應(yīng)力的分布，從而影響彎曲疲勞強度。若心部硬度過高，會降低其沖擊韌度；心部硬度過低，承載時易出現(xiàn)心部屈服和滲碳層剝落。因此滲碳軸承套圈的心部硬度都有一定的要求［1］。

在實際生產(chǎn)中，對于有效壁厚不太大的滲碳軸承套圈通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)等即可很好地控制其心部硬度，但對于某些有效壁厚大的滲碳軸承套圈由于受淬透性、表面組織等因素的影響，如果遇到鋼材成分差異太大的情況，只靠調(diào)整工藝參數(shù)就很難達(dá)到要求，這就需要尋求其他解決途徑。文中從滲碳軸承鋼中化學(xué)元素的含量入手，研究其對心部硬度的影響程度，以在符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，調(diào)整材料中某個或某些元素的含量，在正常加工工藝過程下，穩(wěn)定高效地達(dá)到控制滲碳軸承套圈心部硬度的目的。

灰色系統(tǒng)理論（Grey System）是本分析研究的主要手段和支撐［2］，它是以系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本、貧信息”的灰色系統(tǒng)為主要研究對象，緊緊地抓住表征信息，通過對部分已知信息的生成和開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為的正確認(rèn)識（找規(guī)律）和有效控制（實踐應(yīng)用）。灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的基本內(nèi)容，事實上是動態(tài)發(fā)展態(tài)勢的量化分析。信息不完全、不確定性系統(tǒng)的普遍存在，決定了灰色系統(tǒng)理論具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 試驗過程

1.1 化驗原材料成分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集

針對某個大壁厚的軸承型號，取不同材料爐號的套圈9件，依次編號為Ⅰ～Ⅸ，在工裝設(shè)備、工藝參數(shù)和路線、操作人員等不變的條件下，對試驗套圈進(jìn)行滲碳、二次淬、回火等熱處理加工，然后破碎、取樣，檢驗其有效硬化層深度、心部硬度及心部硬度處的化學(xué)成分，從中選擇可能對心部硬度有影響的8種元素，其結(jié)果見表1。

表1 心部硬度與各化學(xué)成分的檢驗結(jié)果

1.2 利用“灰色系統(tǒng)理論”將各化學(xué)成分與心部硬度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析

1.2.1 建立各項指標(biāo)的對應(yīng)代號

為便于計算關(guān)聯(lián)系數(shù)，將各原材料成分元素與心部硬度等指標(biāo)建立代號，見表2。

表2 各項指標(biāo)對應(yīng)代號

1.2.2 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

設(shè)參考數(shù)列（心部硬度）為：

將各化學(xué)成分的關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行計算，列于表3。

表3 各化學(xué)成分與心部硬度的關(guān)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果

關(guān)聯(lián)度的計算公式：

按照關(guān)聯(lián)度公式經(jīng)計算，原材料化學(xué)成分中C，S，P，Mn，Si，Ni，Cr，Mo與心部硬度的關(guān)聯(lián)度分別為γ1＝0.761，γ2＝0.641，γ3＝0.628，γ4＝0.740，γ5＝0.856，γ6＝0.824，γ7＝0.855，γ8＝0.841。

1.2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

可以看出，成分中Si，Ni，Cr，Mo與心部硬度的關(guān)聯(lián)度值較高，其中Si含量與心部硬度的關(guān)聯(lián)度γ5＝0.856為最大，且其數(shù)據(jù)處于成分要求含量0.15～0.40的下限者較多，有提高其含量的余地。S含量X2和P含量X3對心部硬度X0的影響較小。

1.3 利用“曲線趨勢圖”分析

根據(jù)1.2的分析結(jié)果，對影響心部硬度較大的化學(xué)成分C，Mn，Si，Cr，Ni和Mo的含量數(shù)據(jù)擴(kuò)大一定的倍數(shù)與心部硬度數(shù)據(jù)繪制成如圖1所示的曲線圖。

圖1 心部硬度值與各化學(xué)成分曲線趨勢圖

從圖中直觀分析可知：Si含量曲線與心部硬度曲線的幾何形狀最接近，且心部硬度值隨著Si含量的增減而增減；其次是Cr含量曲線等，這與1.2中量化分析的結(jié)果相吻合。

2 化學(xué)元素對滲碳軸承鋼作用的定性分析

滲碳軸承鋼中，C含量對滲碳淬火后零件心部硬度和淬透性起著決定性作用，C含量過低，其淬透性差、心部硬度值低，且強度下降。

S在滲碳軸承鋼中是有害元素，應(yīng)嚴(yán)格控制。

P對鋼的低溫韌性不利，對沖擊韌性的影響非常大。在有耐沖擊要求的場合，P是有害元素，應(yīng)盡量減少。

Mn能溶于鐵素體而強化鐵素體基體，提高鋼的強度、硬度和淬透性，但會使鋼的塑性和韌性略有降低，另外Mn還會使鋼的耐腐蝕性能降低。控制鋼中Mn含量，使鋼的綜合性能達(dá)到最佳。Mn在滲碳軸承鋼中，控制含量應(yīng)不超過0.7%。

Si也能固溶于鐵素體而強化鐵素體基體，提高鋼的強度和硬度，還能提高屈強比及疲勞強度與抗拉強度的比值。鋼中加入適量的Si可以提高淬透性，改善抗回火軟化組織。在滲碳軸承鋼中，Si和Mn的復(fù)合作用能顯著提高滲碳層的抗回火穩(wěn)定性，Si含量越高，抗回火穩(wěn)定性能越好，控制Si含量不超過0.4%，這樣對鋼的韌性和塑性影響不大。

在滲碳軸承鋼中，Ni是作為合金元素加入的，在鋼中能降低表面吸收碳原子的能力，加速碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散，減少滲碳層中的碳濃度，Ni可以減慢滲碳速度，提高鋼的韌性。

Cr在滲碳軸承鋼中，可以提高淬透性、提高滲碳層耐磨性，并能改善鋼的力學(xué)性能，同時Cr還能使鋼的熱處理工藝穩(wěn)定。

Mo是使奧氏體化區(qū)域縮小的元素。在滲碳軸承鋼中，Mo的主要作用是提高淬透性，提高韌性、耐磨性和滲碳性能，改善力學(xué)性能。

結(jié)合前面的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，也可以看出，作為有害化學(xué)元素的S，P已經(jīng)在滲碳軸承鋼中得到有效控制，即使在各試樣的化學(xué)成分中，最高與最低含量S為4倍，Si為1.6倍，P為1.4倍，S和P對心部硬度的影響最小，與Si的影響相比仍差許多。

通過前面的分析可以得出：當(dāng)C，Mn，Ni，Cr，Mo等元素在材料成分合格范圍內(nèi)波動時，Si含量對心部硬度的影響成為最大因素，且心部硬度值隨著Si含量的增減而增減。同時，可預(yù)見到不管是進(jìn)口還是國產(chǎn)滲碳軸承鋼，如果Cr，Ni，Mo（關(guān)聯(lián)度較大者）僅在要求的下限，即使Si含量較大，也將制約心部硬度的提高。因此，對滲碳軸承鋼的化學(xué)成分進(jìn)行有效控制，心部硬度的問題將不再是加工生產(chǎn)中的一項難題。同時，對于有效壁厚較小的滲碳軸承套圈的心部硬度，也將會得到更充分地保證，從而對其有效硬化層深度、金相組織等也有一定的改善。

3 生產(chǎn)驗證

根據(jù)試驗分析結(jié)論，經(jīng)與鋼廠協(xié)商，對心部硬度影響較大的C，Cr，Si，Mn等元素成分按表4要求專門定制一爐鋼材，以便對試驗結(jié)論做進(jìn)一步驗證。

表4 專門定制鋼材的主要化學(xué)成分要求

材料入廠后，對應(yīng)質(zhì)保書進(jìn)行原材料檢驗，各成分含量見表5。根據(jù)關(guān)聯(lián)分析，可以預(yù)測本爐材料加工的套圈熱處理后的心部硬度將在35～40 HRC之間。

表5 定制材料入廠后的檢驗結(jié)果

在同樣的熱處理加工狀態(tài)下，本爐鋼材加工套圈分為3個滲碳批次，二次淬、回火后從3個批次中各隨機取1件產(chǎn)品，破碎、制樣，檢驗結(jié)果見表6。

表6 定制材料加工的套圈二次淬回火后的檢驗結(jié)果

由此可見，通過鋼材化學(xué)元素的合理組配，實現(xiàn)了滲碳軸承鋼二次淬火心部硬度的有效控制。