軸承零件鍛造常見的加熱缺陷及解決方法

汪英志

摘要：軸承零件常用鍛造工藝成型，特別是中大型尺寸的軸承，常用加熱鍛造的方法將軸承零件鍛造成需要的零件大致形狀。由于鍛造過程中不斷地分不同階段輾擴，成型后的零件既節約了材料成本，又能使內部組織更加均勻一致，綜合機械性能得到顯著改善，為后工序的加工尤其是熱處理工序提供了良好的基礎。由于鍛造工藝屬于熱加工范疇，在鍛造過程中不可避免產生氧化皮、脫碳、過熱等熱加工缺陷，這些缺陷對熱處理質量控制及軸承壽命影響較大。本文從生產實踐中總結出常見的幾種缺陷的產生機理，以及防止辦法，對控制軸承零件鍛造過程中常見缺陷，具有重要的現實意義。

Abstract： Bearing parts are commonly forged process molding， especially medium and large-sized bearings， commonly used heating forging methods to forge bearing parts into the required parts rough shape. Due to the continuous expansion of the forging process in different stages， the molded parts not only save material costs， but also make the internal organization more uniform and consistent， the comprehensive mechanical performance has been significantly improved， for the processing of the later process， especially the heat treatment process provides a good basis. As the forging process belongs to the category of thermal processing， in the forging process inevitably produces oxidizing skin， decarbonization， overheating and other thermal processing defects， these defects on heat treatment quality control and bearing life has a greater impact. In this paper， the production of several common defects from the production practice， as well as prevention methods， control bearing parts in the forging process of common defects， has important practical significance.

關鍵詞：軸承零件;鍛造;輾擴;加熱缺陷;始鍛溫度;終鍛溫度;脫碳

Key words： bearing parts;forging;expansion;heating defects;start forging temperature;end forging temperature;decarbonization

中圖分類號：TG306;TG506? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0116-02

0? 引言

中大型軸承零件制造工藝一般要經過鋼材下料→鍛造→去應力退火→金屬切削加工→熱處理→磨削加工→零件檢驗→成品裝配→成品檢測試驗等工序。而鍛造是軸承零件加工的首道工序，也是所有后工序基礎。鍛造質量的好壞，直接影響后工序加工和成品軸承的綜合機械性能和軸承使用壽命。軸承鋼（常用GCr15、GCr15SiMn）鍛造始鍛溫度為1050～1100℃之間、終鍛溫度為800～850℃之間。在這一區域溫度范圍內，軸承鋼塑性、鍛造工藝性、獲得的內部組織等關鍵性技術指標都較好。由于是在高溫狀態下加工，軸承套圈熱鍛件在加熱過程中不可避免地會產生氧化皮、脫碳、過熱、過燒、加熱裂開（內部裂紋）、折疊等缺陷，從而導致金屬材料損耗過多，甚至廢品。也為后工序加工留下的質量隱患，且某些隱患在后工序加工過程中是不可完全修復的或者是不可逆的。因此，理解上述加熱缺陷產生的機理，掌握正確的加熱工藝方法，盡最大可能減少或防止這些缺陷的產生，是提高鍛件質量和鍛造水平重要的有效途徑之一，也是衡量鍛造水平高低的重要技術指標之一。本文從生產實踐中總結出幾種常見的軸承鋼加熱缺陷及防止辦法如下：

1? 氧化皮

軸承鋼鍛件在加熱過程中很容易產生氧化皮，產生的氧化皮極有可能會隨著輾擴過程卷入到零件表面的輾擴流線方向，有的粗大，有的細如發絲，深淺不一，深度較深時，后工序不易及時發現，只有到成品零件才能看見。氧化皮的產生同時造成鍛件原材料的損耗，鍛件每加熱一次，便有1.5～3%的金屬被氧化燒損。另外氧化皮的產生降低了鍛件表面的質量，被壓入鍛件內部時表面形成了凹陷并影響鍛件的精度，如果氧化皮不處理，直接進行鍛打還會導致鍛件組織和性能的不均勻;如果氧化皮過硬就變相地降低了模具的使用壽命。嚴重影響鍛件的表面質量、鍛模的精度和壽命，特別是對軸承壽命危害極大。

產生氧化皮的主要原因是因為金屬表面的元素與爐氣中O2、CO2、H2O及SO2發生化學反應所致。軸承鋼在加熱過程中，氧化皮的產生隨著溫度的升高加劇，在570～600℃之前，氧化現象比較緩慢，從700℃開始氧化逐漸加快，當加熱溫度達到900～950℃時，氧化速度會迅速加快，如定義此時氧化速度為1，則到1000℃時氧化速度就為2，而達到1100℃時氧化速度為3.5。值得提出的是鋼在高溫時，氧化速度和加熱時間成正比。

為了盡量減少氧化皮，應采取以下幾個措施加以控制：①在保證加熱質量的前提下，盡量提高鋼材的加熱速度，縮短加熱時間，特別是減少高溫階段的加熱時間。②采用“少而勤”工藝方法，使鍛件快進快出。③在保證充分加熱的情況下，嚴格控制送風量，減少爐膛內的過剩氧氣，以更好地控制軸承鋼表面氧化。④合理地調整膛心壓力，使之不要過大，防止冷空氣吸入爐膛內產生氧化。

2? 脫碳

脫碳是指鋼加熱時表層含碳量降低的現象。脫碳的過程就是鋼中的碳在高溫下與氫或氧發生化學反應生成甲烷或一氧化碳。脫碳也是軸承鋼加熱中的常見缺陷，在高溫條件下，軸承鋼表面的碳和爐內的O2或H2發生化學反應，產生CO或甲烷，從而使鋼表面的含碳量減少甚至失去，造成鍛件表面變軟，強度和耐磨性降低，嚴重時可產生龜裂。脫碳時，一方面是氧向鋼內擴散。另一方面鋼中的碳向外擴散。脫碳層只有在脫碳速度超過氧化速度時才能形成，當氧化速度很大時。可以不發生明顯的脫碳現象，即脫碳層產生后，鐵即被氧化而生成氧化皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可形成較深的脫碳層。脫碳層含碳量較正常組織低，滲碳體（Fe3C）的數量較正常組織少，故其強度由高變低。對大多數鋼來說，脫碳會降低其性能。尤其是對高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼來說，脫碳是一種嚴重的失效。GCr15軸承鋼含碳量在0.95～1.05%，屬高碳鋼范疇，軸承鋼脫碳會給熱處理工序帶來極大困難，軸承鋼套圈零件熱處理后的硬度為60HRC～64HRC。由于鍛造中產生的脫碳現象，會造成熱處理后的零件局部軟點，硬度達不到規定的要求，且局部軟點處造成應力集中。軸承在使用過程產生疲勞點蝕損壞，嚴重影響軸承的使用壽命。

鍛造過程中產生的脫碳層深淺與鋼材加熱時間有著密切關系。一般來說，加熱時間越長，脫碳深度越深。據文獻記載，如高速鋼在1000℃時加熱30分鐘，脫碳深度達0.4mm。當加熱在供氧不足的狀態下，爐氣中會產生大量的H2，它是金屬表面脫碳最強烈的氣體，因此，適當的加入過剩的氧氣，對軸承鋼減少脫碳有著積極的作用。

減少脫碳的方法應采取：①在不違反軸承鋼加熱規范的前提下，采用盡可能快的加熱速度。②減少高溫階段加熱時間。③對已加熱好的坯料盡快出爐鍛造。④條件許可情況下，加熱前坯料涂上保護層（如玻璃粉等）。

3? 過熱

所謂過熱是指Gcr15軸承鋼在加熱至1150～1180℃，并在該溫度下保溫時間過長時，導致奧氏體晶粒粗化。主要特征是晶粒粗大，有明顯的魏氏組織。或者終鍛溫度過高，停鍛之后，鍛件內部晶粒會繼續長大，形成粗晶組織。鍛后奧氏體晶粒將再次粗化。此時若空冷，在較快的冷卻速度下，魏氏組織容易在粗大晶粒的奧氏體中產生，它是由在一定晶面析出的滲碳體和珠光體所構成。魏氏組織是軸承鋼產生過熱的組織特征，若魏氏組織特別嚴重時，僅用退火或正火也難以完全消除，必須再次鍛造予以矯正。軸承鋼的過熱組織不僅給熱處理工序帶來困難，而且使軸承鋼的綜合機械性能顯著降低和變脆，從而影響軸承是使用壽命。因此，應該避免過熱組織產生。

因鋼的過熱完全是人為因素，避免過熱的方法就是①嚴格按照工藝要求加熱，鋼材不在高溫階段停留過長時間。②鍛造后的鍛件散放到指定區域時，不允許接觸到水或者接觸到使冷卻速度加快的介質。堆放零件的指定區域至少要有簡易的防雨措施。使之自然冷卻。做到上述二點，基本上就不會發生過熱現象。

4? 過燒

當軸承鋼加熱到固相線以上溫度，就會沿著晶界產生析出物，而雜質等偏析的晶界開始熔化，氧通過熔化了的晶界就會很容易侵入軸承鋼基體內部，并在晶界上形成氧化物。所謂過燒是指鋼在加熱溫度接近其熔點（軸承鋼Gcr15為1180℃），晶粒不僅長的相當大，而且晶界間開始局部熔化，這種組織現象稱之為過燒組織。軸承鋼材一旦過燒，各晶界間聯系就會遭到破壞，除晶粒粗大外，部分晶粒已趨于熔化，晶界極粗，導致金屬失去其應有的機械性能。軸承零件過燒，一般都是深深地侵入了軸承鋼內部，不易發現，常規的外觀檢查是不能完全挑出了的。出現過燒的鍛造套圈，除非用探傷方法一一分選，否則整批零件應該報廢。鍛造過燒對軸承使用的壽命及可靠性影響極大，過燒產生的孔洞、微裂紋可能會成為軸承疲勞失效的疲勞源，即使輕微過燒，危害也是顯而易見的。

軸承鋼鍛造過程的過燒，也是人為因素造成的。為了防止軸承鋼產生過燒組織，①嚴格按照工藝要求加熱，鋼材加熱不超過工藝上限溫度。②軸承鋼在加熱時的最高溫度應確保始鍛溫度不高于1100℃。

5? 加熱開裂

軸承鋼鍛件加熱開裂有兩種原因，①加熱過程中熱應力造成;②鍛造過程中變形量太大、終鍛溫度太低、始鍛、終鍛時用力過大、未及時去應力、鍛件結構不合理等原因均可造成鍛件開裂。本文討論的是熱應力造成的加熱開裂。鋼材在加熱過程中，熱量總是有表層向內部傳遞的，因表層溫度高于內層，形成了一定的溫度差，此時外層的膨脹大于內層膨脹，內、外層相互牽制就會產生溫度應力（熱應力）。當溫度應力大于此時鋼材的強度極限時，鋼材中心部位就會產生裂紋，這種現象稱為熱裂開。

加熱裂開是軸承鍛造中不能允許的致命缺陷。究其原因主要是加熱速度過快造成的，尤其是在800℃以下加熱，由于金屬的塑性差，更容易出現裂開。當軸承鋼加熱溫度達到900℃以上時，熱應力能夠被塑性變形抵消一部分，允許適當提高加熱速度，此時不僅不易產生裂開，而且對減少軸承鋼氧化有積極作用。

杜絕加熱開裂就是在800℃以下必須緩慢加熱（俗稱熱透），在工藝上規定加熱時長，沒有其他好的辦法。

6? 鍛造折疊

鍛造折疊是指軸承鋼套圈零件在輾擴過程中，由于零件長徑比不佳或操作不當等原因，輾擴后的零件平面（滾動面也可能產生）有時會產生凹心過深，不能被車、磨加工工藝留量所包容，成品零件平面上會出現長條或者弧形裂紋缺陷（裂紋周邊經熱酸洗檢查有脫碳現象）。外觀呈明顯黑色。鍛造折疊產生原因是軸承套圈鍛造過程中金屬對流匯合形成的，也可能是變形后的金屬彎曲回流形成，部分金屬變形后被壓入到另一部分金屬內也可發生鍛造折疊。鍛造折疊一般發生在零件表面，比較容易發現。

避免鍛造折疊的方法是①合理設計鍛件毛坯尺寸，使之優化，特別注意長徑比不佳的中大型產品工藝性。②提高模具的表面粗糙度，盡可能減少金屬和模具的摩擦力。③適當增大模具圓角半徑，注意潤滑。

7? 結束語

通過總結生產實踐中的軸承零件常見鍛造缺陷，分析了幾種常見鍛造缺陷產生的原因或機理，給出了基本的解決方法，對于從事軸承零件鍛造的專業人員來說，具有較好的參考價值。當然軸承零件鍛造缺陷不限于上述幾種形式，也有可能產生其他形式缺陷，有時是幾種缺陷的疊加，如大晶粒、晶粒不均勻、冷硬現象等鍛造缺陷在此不一一敘述。

參考文獻：

[1]軸承套圈鍛造[M].洛陽軸承研究所，1975.

[2]軸承鍛造工藝學[M].機械工業出版社，1989.

[3]鄒步.軸承套圈制造過程中的材料缺陷研究[J].科技創新與應用，2016（12）：5-6，7.