轉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)

因轉盤軸承具有結構緊湊，引導旋轉方便，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、港口機械和導彈發射架等大型回轉裝置上。而轉盤軸承套圈的材料及熱處理對軸承的質量和使用壽命有極大影響，文中論述了轉盤軸承套圈材料和熱處理對軸承質量和壽命的影響，并探討未來的發展趨勢。

1 原材料

目前，轉盤軸承套圈材料以42CrMo為主，執行GB/T 3077—2015《合金結構鋼》[1]的標準。若特大型轉盤軸承套圈材料完全采用符合標準中42CrMo的化學成分，套圈在調質和中頻表面淬火后，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，避免給軸承質量和壽命帶來隱患。

1.1 化學成分中主要元素含量的調整

通過調整鋼中的化學成分，可提高轉盤軸承壽命。制定特大型轉盤軸承套圈材料的訂貨技術條件時，在GB/T 3077—2015中42CrMo化學成分的基礎上，調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

為提高轉盤軸承調質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，達到提高轉盤軸承淬硬層深度和硬度的目的。

表1 調整前后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]，FeS熔點為1 193 ℃，而Fe和FeS組成共晶體，其熔點只有985 ℃。液態Fe和FeS可無限互溶，但FeS在固態鐵中的溶解度很小，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，FeO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要求，不大于0.002%。

P是鋼中的有害元素，在鋼中易產生偏析，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。特別是鋼的脆性轉折溫度急劇升高，引起鋼的冷脆性[3]。

為提高轉盤軸承壽命，將轉盤軸承用鋼的S，P含量控制在GB/T 3077—2015中高級優質鋼的范圍內，以提高軸承質量、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生影響。由于脆性夾雜物不會發生彈性和塑性變形，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。

隨著冶金技術的高速發展，我國冶金企業的鋼鐵冶煉過程采取LF爐外精煉技術+RH(VD)真空脫氣技術，冶金質量得到較大幅度提升，鋼中夾雜物得到有效控制。為提高轉盤軸承壽命，可對轉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(表中數據表示級別)。

原材料發展趨勢：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量；開發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 非金屬夾雜物調整前后對比

2 鍛件質量控制

2.1 鍛造

目前國內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+大型輾環機輾擴成形的加工工藝，較好地滿足了轉盤軸承用鍛件的要求。

大型鍛件一般采用大型連鑄坯、鋼錠或鋼錠經一次開坯后的坯材。原材料比較疏松，為保證鍛件質量，要合理設計鍛造工藝，嚴格保證鍛造比。

鍛造工序改進建議：優化設計加熱爐，鍛造加熱爐有效加熱區的爐溫均勻性達到±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“優質層”(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“優質層”。

2.2 鍛件的預備熱處理

轉盤軸承套圈毛坯屬于大型鍛件。鍛件越大，鍛造時鍛件內部的溫度和變形越不均勻，鍛件內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生，還會大幅度降低鍛件調質后的力學性能。

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傳統鍛后熱處理工藝，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，為后續調質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+調質處理，處理后的力學性能檢驗結果應符合JB/T 6396—2006《大型合金結構鋼鍛件 技術條件》的技術要求，在保證熱處理質量的前提下節約能源。

2.3 鍛件粗車后的探傷

鍛件內部質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部缺陷最有效的無損檢測方法。為確保轉盤軸承的內部質量，建議制定嚴格的鍛件探傷技術標準。

探傷方面改進建議:區分制定工作面(區域)和非工作面(區域)的不同探傷技術要求，例如距工作面10 mm以內探傷要求為Ⅰ級，其余部位工作面探傷要求為Ⅱ級，在保證產品質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、間隙調整、感應器制作等均依靠操作人員的經驗完成，因此，與整體淬火熱處理相比，淬火質量的穩定性較難控制。轉盤軸承感應淬火的質量與工藝和工裝的穩定性以及操作人員的責任心、工作經驗有很大關系，控制中頻淬火質量是轉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

大型轉盤軸承的感應熱處理均采用連續法(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生變化，間隙的變化會造成加熱溫度發生變化，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，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過濾系統和淬火介質的溫度監控裝置。

3.2 提高熱處理操作人員的技術水平

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控。

因此，淬火質量和操作者的技術水平有很大關系，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量的影響降到最低，需對操作人員進行系統培訓，提高其專業技術能力。

3.3 改進淬火感應器的結構

感應器是決定感應淬火質量的關鍵因素。由于傳統感應器的結構不合理，同一位置的滾道淬火后會出現硬化層深度不均勻，其主要原因有：

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

2)傳統感應器的結構不合理，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，感應器的結構需根據零件滾道的結構進行改進，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域，使磁場局限在工件需要加熱的區域，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 轉盤軸承齒面淬火采用背冷工藝

目前，熱處理行業對模數不小于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的淬火方法。實際生產中，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濃度等調整不當致使部分齒面或齒根產生淬火裂紋，最終導致整個零件報廢。

針對此問題，將傳統的“在加熱面直接冷卻”變為“在加熱面的背面冷卻”[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濃度等參數的敏感性小，可有效防止淬火裂紋產生。

3.5 硬化層深度無損檢測儀器的應用

國內外感應淬火零件均采用解剖法對淬火硬化層進行測量，轉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品的淬火質量，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，與常規解剖法的檢測原理完全不同，檢測的數據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據進行對比，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，實現采用無損檢測儀精確測定轉盤軸承中頻淬火硬化層深度的目的[6-7]。

3.6 轉盤軸承感應淬火發展趨勢及建議

3.6.1 感應淬火介質

感應淬火冷卻介質從水、乳化液、聚乙烯醇水溶液到新型聚合物淬火冷卻介質，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

目前，特大型轉盤軸承的感應淬火均采用連續法(掃描法)淬火，會在淬火的起始點留有一段未淬火區域(即軟帶區)，該區域在軸承工作時就成了低承載區域。為解決軟帶問題，國外設備生產廠家已研發了一種環形零件無軟帶淬火的新技術和淬火機床：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 小模數齒圈整體感應加熱淬火技術

對于模數小于8的齒圈,國內采用單齒淬火技術，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。

模數小于8的齒圈，國外已采用同步雙頻齒輪淬火技術，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。該技術具有加熱時間短，生產效率高，變形小和自動化程度高的優點。

3.6.4 感應器制造的專業化

絕大多數企業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無法滿足用戶越來越高的技術要求。

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，感應器制造走專業化的道路已成為發展趨勢，目前，許多專業制造感應器廠家應運而生。

3.6.5 具有控制系統和能量監控的淬火機床

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

3.6.6 建立感應淬火技術專家庫

感應淬火加工參數均是通過反復試驗確定，耗費大量的人力、物力和時間。隨著感應淬火技術研究的深入和感應淬火經驗的積累，應逐步建立感應淬火技術專家庫，指導感應淬火加工參數的確定。

3.6.7 研究感應淬火溫度的測量和控制技術

感應淬火溫度主要通過目測憑經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量波動大。開發感應淬火溫度的測量和控制技術是感應淬火技術研究的重要方向。

4 結束語

通過對轉盤軸承原材料化學成分的調整，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等措施，促進轉盤軸承質量及壽命的提升。但轉盤軸承壽命的影響因素很多，如轉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、環境等，生產過程中需要提升的方面還有很多，期待更多軸承行業及相關科技工作者共同研究這些問題，促進轉盤軸承的發展。