轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料及熱加工的改進

尤蕾蕾

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

因轉(zhuǎn)盤軸承具有結(jié)構(gòu)緊湊，引導旋轉(zhuǎn)方便，安裝簡便和維護容易等特點，廣泛用于起重運輸機械、采掘機械、建筑工程機械、港口機械和導彈發(fā)射架等大型回轉(zhuǎn)裝置上。而轉(zhuǎn)盤軸承套圈的材料及熱處理對軸承的質(zhì)量和使用壽命有極大影響，文中論述了轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料和熱處理對軸承質(zhì)量和壽命的影響，并探討未來的發(fā)展趨勢。

1 原材料

目前，轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料以42CrMo為主，執(zhí)行GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》[1]的標準。若特大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料完全采用符合標準中42CrMo的化學成分，套圈在調(diào)質(zhì)和中頻表面淬火后，淬硬層深度和硬度難以滿足軸承用戶越來越高的要求。另外，要嚴格控制鋼中有害元素S，P的含量以及非金屬夾雜物級別，避免給軸承質(zhì)量和壽命帶來隱患。

1.1 化學成分中主要元素含量的調(diào)整

通過調(diào)整鋼中的化學成分，可提高轉(zhuǎn)盤軸承壽命。制定特大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈材料的訂貨技術(shù)條件時，在GB/T 3077—2015中42CrMo化學成分的基礎上，調(diào)整了對軸承壽命影響較大的合金元素和有害元素的含量。

1.1.1 適當提高C，Mn，Cr等元素的含量

為提高轉(zhuǎn)盤軸承調(diào)質(zhì)熱處理和中頻淬火后的淬硬層深度和硬度，適當提高C，Mn，Cr等合金元素含量(表1)，以提高材料淬透性，達到提高轉(zhuǎn)盤軸承淬硬層深度和硬度的目的。

表1 調(diào)整前后42CrMo化學成分對比

1.1.2 降低對軸承壽命有嚴重影響的S，P含量

S在鋼中以FeS形式存在[2]，F(xiàn)eS熔點為1 193 ℃，而Fe和FeS組成共晶體，其熔點只有985 ℃。液態(tài)Fe和FeS可無限互溶，但FeS在固態(tài)鐵中的溶解度很小，僅為0.015%～0.020%。所以當鋼中硫含量超過0.020%時，鋼水在冷卻、凝固過程中Fe-FeS以低熔點的共晶體呈網(wǎng)狀分布于晶界處，鋼的熱加工溫度為1 150～1 200 ℃，在此溫度下晶界處的共晶體已熔化，鋼受壓后造成晶界的破裂，這是鋼的熱脆性。鋼中氧含量較高時，F(xiàn)eO與FeS形成的共晶體熔點更低，只有940 ℃，加劇鋼的“熱脆”。所以，建議GB/T 3077—2015中增加氧含量的技術(shù)要求，不大于0.002%。

P是鋼中的有害元素，在鋼中易產(chǎn)生偏析，與Fe形成Fe3P。Fe3P能增加鋼的強度和硬度，但使塑性和韌性顯著下降，脆性增大。特別是鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇升高，引起鋼的冷脆性[3]。

為提高轉(zhuǎn)盤軸承壽命，將轉(zhuǎn)盤軸承用鋼的S，P含量控制在GB/T 3077—2015中高級優(yōu)質(zhì)鋼的范圍內(nèi)，以提高軸承質(zhì)量、壽命和可靠性。

1.2 非金屬夾雜物的控制

非金屬夾雜物對鋼的強度、塑性、斷裂韌性、切削、疲勞、熱脆性以及耐蝕性等有很大的影響[4]。夾雜物成分、數(shù)量、形狀、分布以及在基體中的空間分布等均會對鋼的性能產(chǎn)生影響。由于脆性夾雜物不會發(fā)生彈性和塑性變形，軸承在接觸疲勞應力作用下，次表層的脆性夾雜物將會成為疲勞源，因此，脆性夾雜物對軸承的接觸疲勞壽命影響極大。

隨著冶金技術(shù)的高速發(fā)展，我國冶金企業(yè)的鋼鐵冶煉過程采取LF爐外精煉技術(shù)+RH(VD)真空脫氣技術(shù)，冶金質(zhì)量得到較大幅度提升，鋼中夾雜物得到有效控制。為提高轉(zhuǎn)盤軸承壽命，可對轉(zhuǎn)盤軸承材料的非金屬夾雜物提出高于GB/T 3077—2015標準的要求，見表2(表中數(shù)據(jù)表示級別)。

原材料發(fā)展趨勢：控制材料中O，Ti，Ca，Sn，As等有害元素的含量，提高大規(guī)格原材料成分，高低倍組織的均勻性、一致性和致密性；降低不同爐次的材料成分波動，提高不同冶煉爐次的材料成分一致性，減少材料夾雜物，尤其是宏觀夾雜物的數(shù)量；開發(fā)并推廣使用超聲波等新夾雜物檢測和評估方法，滿足高潔凈度軸承用鋼的檢測要求。

表2 非金屬夾雜物調(diào)整前后對比

2 鍛件質(zhì)量控制

2.1 鍛造

目前國內(nèi)鍛造工序普遍采用天然氣、城市煤氣和液化石油氣加熱，大型壓力機制坯+大型輾環(huán)機輾擴成形的加工工藝，較好地滿足了轉(zhuǎn)盤軸承用鍛件的要求。

大型鍛件一般采用大型連鑄坯、鋼錠或鋼錠經(jīng)一次開坯后的坯材。原材料比較疏松，為保證鍛件質(zhì)量，要合理設計鍛造工藝，嚴格保證鍛造比。

鍛造工序改進建議：優(yōu)化設計加熱爐，鍛造加熱爐有效加熱區(qū)的爐溫均勻性達到±10 ℃，控溫儀表準確度達到0.5級，為提高鍛件質(zhì)量奠定良好的加熱基礎。

減少鍛件的氧化脫碳和磨削留量，提高鍛件的尺寸精度，從而提高材料利用率并盡可能保留鍛件次表面“優(yōu)質(zhì)層”(鍛件的致密層)。鍛造過程中表面和次表面受到的沖擊力和變形量最大，也最致密，但鍛件表面為氧化皮和脫碳層，所以，去除表層的氧化脫碳層，鍛件的次表層為“優(yōu)質(zhì)層”。

2.2 鍛件的預備熱處理

轉(zhuǎn)盤軸承套圈毛坯屬于大型鍛件。鍛件越大，鍛造時鍛件內(nèi)部的溫度和變形越不均勻，鍛件內(nèi)部組織和性能的不均勻性就越嚴重。套圈鍛造后，鍛件的化學成分不均勻，且存在不均勻、粗大的鍛造組織，這些缺陷不僅容易導致淬火裂紋的產(chǎn)生，還會大幅度降低鍛件調(diào)質(zhì)后的力學性能。

為改善鍛件中嚴重的成分偏析及組織粗大的缺陷，可采用鍛后等溫正火工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍛后熱處理工藝，以有效防止正火組織中先共析鐵素體的析出及帶狀碳化物的形成。科學選擇等溫溫度，確保鍛件正火后得到細小、均勻的珠光體組織，為后續(xù)調(diào)質(zhì)處理提供良好的組織基礎。

改進建議：充分利用鍛造余熱，進行等溫正火+調(diào)質(zhì)處理，處理后的力學性能檢驗結(jié)果應符合JB/T 6396—2006《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件 技術(shù)條件》的技術(shù)要求，在保證熱處理質(zhì)量的前提下節(jié)約能源。

2.3 鍛件粗車后的探傷

鍛件內(nèi)部質(zhì)量是影響軸承壽命的重要因素，如果鍛件中存在嚴重的非金屬夾雜、裂縫、縮孔、白點、分層等缺陷，將會大幅降低軸承壽命，甚至會造成軸承早期突發(fā)性失效。鍛件粗車加工后，建議進行超聲波探傷。

超聲波探傷是檢查金屬內(nèi)部缺陷最有效的無損檢測方法。為確保轉(zhuǎn)盤軸承的內(nèi)部質(zhì)量，建議制定嚴格的鍛件探傷技術(shù)標準。

探傷方面改進建議:區(qū)分制定工作面(區(qū)域)和非工作面(區(qū)域)的不同探傷技術(shù)要求，例如距工作面10 mm以內(nèi)探傷要求為Ⅰ級，其余部位工作面探傷要求為Ⅱ級，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下盡量降低加工成本。

3 中頻感應淬火

軸承中頻感應淬火質(zhì)量是決定其壽命和可靠性的關鍵因素。由于表面感應淬火工序中的測溫、間隙調(diào)整、感應器制作等均依靠操作人員的經(jīng)驗完成，因此，與整體淬火熱處理相比，淬火質(zhì)量的穩(wěn)定性較難控制。轉(zhuǎn)盤軸承感應淬火的質(zhì)量與工藝和工裝的穩(wěn)定性以及操作人員的責任心、工作經(jīng)驗有很大關系，控制中頻淬火質(zhì)量是轉(zhuǎn)盤軸承制造的重點和難點。

3.1 提高熱處理設備的自動化程度和加工精度

大型轉(zhuǎn)盤軸承的感應熱處理均采用連續(xù)法(掃描法)進行淬火加工。在普通淬火機床淬火過程中，感應器與工件的耦合間隙會發(fā)生變化，間隙的變化會造成加熱溫度發(fā)生變化，最終導致淬火后滾道的硬化層深度不均勻。所以，配備自動化程度較高且系統(tǒng)控制較好的淬火機床非常重要，該類機床具有人機界面編程功能，可對輸入的工藝參數(shù)進行自動控制。工件平移和感應器上下移動均采用伺服電動機自動控制。機床上配置自動跟蹤系統(tǒng)，可保證感應器與工件的耦合間隙均勻一致，解決滾道硬化層深度不均勻的問題。此外，該類設備還需配備淬火介質(zhì)過濾系統(tǒng)和淬火介質(zhì)的溫度監(jiān)控裝置。

3.2 提高熱處理操作人員的技術(shù)水平

感應淬火的特殊性在于感應淬火溫度只依靠操作人員根據(jù)專用鋼材加熱后顏色和溫度的對照表進行目測，無法測量和控制。普通淬火機床的感應器與工件的耦合間隙也僅依靠操作人員肉眼實時觀察進行監(jiān)控。

因此，淬火質(zhì)量和操作者的技術(shù)水平有很大關系，同樣的零件、工藝和工裝，不同人員操作，得到硬化層的深度差別較大。為將操作者的人為因素對淬火質(zhì)量的影響降到最低，需對操作人員進行系統(tǒng)培訓，提高其專業(yè)技術(shù)能力。

3.3 改進淬火感應器的結(jié)構(gòu)

感應器是決定感應淬火質(zhì)量的關鍵因素。由于傳統(tǒng)感應器的結(jié)構(gòu)不合理，同一位置的滾道淬火后會出現(xiàn)硬化層深度不均勻，其主要原因有：

1)感應淬火的加熱原理決定了結(jié)構(gòu)較復雜滾道面上的渦流加熱溫度不易達到均勻一致。

2)傳統(tǒng)感應器的結(jié)構(gòu)不合理，造成滾道面的加熱溫度不均勻。

為保證淬火硬化層的均勻性，感應器的結(jié)構(gòu)需根據(jù)零件滾道的結(jié)構(gòu)進行改進，對感應溫度低的部位進行強化加熱。如在感應溫度低的部位增加一定尺寸的“П”導磁體，其主要功能是將線圈的電流集中到線圈朝向工件的區(qū)域，使磁場局限在工件需要加熱的區(qū)域，從而達到感應加熱局部硬化的效果，獲得較深的加熱層深度，最終達到滾道各個部位均具有相近的加熱層深度，使整個加熱面淬火后硬化層深度均勻。

3.4 轉(zhuǎn)盤軸承齒面淬火采用背冷工藝

目前，熱處理行業(yè)對模數(shù)不小于10的齒輪(或齒圈)感應淬火均采用單齒掃描加熱的方式，然后對加熱的齒面直噴冷卻介質(zhì)的淬火方法。實際生產(chǎn)中，這種方法常因直冷噴水器噴液的角度,掃描加熱的速度以及冷卻介質(zhì)濃度等調(diào)整不當致使部分齒面或齒根產(chǎn)生淬火裂紋，最終導致整個零件報廢。

針對此問題，將傳統(tǒng)的“在加熱面直接冷卻”變?yōu)椤霸诩訜崦娴谋趁胬鋮s”[5]。由于背冷的冷卻速度較直冷慢，因而對噴水器噴水角度、加熱掃描速度以及冷卻介質(zhì)濃度等參數(shù)的敏感性小，可有效防止淬火裂紋產(chǎn)生。

3.5 硬化層深度無損檢測儀器的應用

國內(nèi)外感應淬火零件均采用解剖法對淬火硬化層進行測量，轉(zhuǎn)盤軸承由于成本原因無法做到解剖檢查，而是完全依靠試驗工藝保證。由于感應淬火過程的特殊性，其硬化層深度受到淬火溫度、工件移動速度、操作人員的技術(shù)水平和責任心等諸多因素影響，僅依靠試驗工藝很難保證每件產(chǎn)品的淬火質(zhì)量，因此，對感應淬火后硬化層深度采用無損檢測的方法勢在必行。

建議引進淬硬層深度測量儀，該儀器采用超聲無損檢測的方法，利用背散射原理對感應淬火硬化層深度進行測量，與常規(guī)解剖法的檢測原理完全不同，檢測的數(shù)據(jù)與解剖法存在一定的偏差。解剖法能夠精確檢測硬化層深度，將儀器法和解剖法數(shù)據(jù)進行對比，得出二者之間的對應關系，即可用儀器法精確測定硬化層深度，實現(xiàn)采用無損檢測儀精確測定轉(zhuǎn)盤軸承中頻淬火硬化層深度的目的[6-7]。

3.6 轉(zhuǎn)盤軸承感應淬火發(fā)展趨勢及建議

3.6.1 感應淬火介質(zhì)

感應淬火冷卻介質(zhì)從水、乳化液、聚乙烯醇水溶液到新型聚合物淬火冷卻介質(zhì)，使感應淬火零件的廢品率降低，并且容易控制。

3.6.2 無軟帶感應淬火技術(shù)

目前，特大型轉(zhuǎn)盤軸承的感應淬火均采用連續(xù)法(掃描法)淬火，會在淬火的起始點留有一段未淬火區(qū)域(即軟帶區(qū))，該區(qū)域在軸承工作時就成了低承載區(qū)域。為解決軟帶問題，國外設備生產(chǎn)廠家已研發(fā)了一種環(huán)形零件無軟帶淬火的新技術(shù)和淬火機床：2個感應器沿各自起點向相反方向掃描，最后2個感應器匯合，在匯合點由噴液器進行噴液淬火[8]。

3.6.3 小模數(shù)齒圈整體感應加熱淬火技術(shù)

對于模數(shù)小于8的齒圈,國內(nèi)采用單齒淬火技術(shù)，該方法加熱時間長，變形大，且每個齒的淬火硬度及硬化層深度均不一致。

模數(shù)小于8的齒圈，國外已采用同步雙頻齒輪淬火技術(shù)，即將1個感應器安裝在1套頻率分別為(10～15) kHz和(200～400) kHz的雙頻電源上，在極短時間內(nèi)完成全部齒的淬火過程，得到硬化層仿齒形分布的淬火效果。該技術(shù)具有加熱時間短，生產(chǎn)效率高，變形小和自動化程度高的優(yōu)點。

3.6.4 感應器制造的專業(yè)化

絕大多數(shù)企業(yè)中頻淬火感應器均由熱處理操作人員采用通用模具手工制作而成。雖然制造成本低，但感應器精度較低，并且存在同品種感應器一致性差等問題，因此，采用手工制作的感應器已經(jīng)無法滿足用戶越來越高的技術(shù)要求。

為解決手工制造淬火感應器制造精度低和一致性差的問題，感應器制造走專業(yè)化的道路已成為發(fā)展趨勢，目前，許多專業(yè)制造感應器廠家應運而生。

3.6.5 具有控制系統(tǒng)和能量監(jiān)控的淬火機床

為減少人為因素的影響，保證淬火質(zhì)量，近年來，國內(nèi)中頻淬火機床廠家不斷開發(fā)和研制淬火機床的控制系統(tǒng)和能量監(jiān)控器。與國外先進淬火機床相比，國內(nèi)研制的淬火機床控制系統(tǒng)和能量監(jiān)控器存在自動化水平低(停留在半自動階段)，工件調(diào)整時間長，故障多等缺點。

3.6.6 建立感應淬火技術(shù)專家?guī)?/p>

感應淬火加工參數(shù)均是通過反復試驗確定，耗費大量的人力、物力和時間。隨著感應淬火技術(shù)研究的深入和感應淬火經(jīng)驗的積累，應逐步建立感應淬火技術(shù)專家?guī)欤笇Ц袘慊鸺庸?shù)的確定。

3.6.7 研究感應淬火溫度的測量和控制技術(shù)

感應淬火溫度主要通過目測憑經(jīng)驗控制或通過控制輸入感應圈的能量間接控制,控制精度和反應速度均不理想，導致工件感應淬火后質(zhì)量波動大。開發(fā)感應淬火溫度的測量和控制技術(shù)是感應淬火技術(shù)研究的重要方向。

4 結(jié)束語

通過對轉(zhuǎn)盤軸承原材料化學成分的調(diào)整，非金屬夾雜物的控制,對鍛造工序預先熱處理的研究及鍛后粗車件加嚴探傷,對中頻感應淬火中感應器進行改進，引進國外高端淬硬層檢測儀器，采用新型感應淬火技術(shù)等措施，促進轉(zhuǎn)盤軸承質(zhì)量及壽命的提升。但轉(zhuǎn)盤軸承壽命的影響因素很多，如轉(zhuǎn)盤軸承合理的設計和選型、加工精度、潤滑、軸承安裝、使用條件、環(huán)境等，生產(chǎn)過程中需要提升的方面還有很多，期待更多軸承行業(yè)及相關科技工作者共同研究這些問題，促進轉(zhuǎn)盤軸承的發(fā)展。