軸承套圈的球化組織對切削性能的影響

張博威，肖琪，張新生，趙彥偉，楊斌

1.天津緊固連接技術科技企業重點實驗室 天津 300300

2.航天精工股份有限公司 天津 300300

3.空軍裝備部駐北京地區軍事代表局 北京 100000

1 序言

工業三大基礎件之一的軸承，在機械工業中承擔著重要的作用。軸承在工作過程中承受極高的交變載荷、摩擦、腐蝕等危害，特別在滾道部位起到承受支撐、旋轉（或偏轉）和減小摩擦阻力等作用，其質量直接決定了軸承的游隙和摩擦力矩等基本性能，其尺寸精度和幾何公差對整個軸承的壽命起決定性的影響。

軍用軸承鋼（如GCr15Z，GJB 6484—2008《軍用高碳鉻軸承鋼規范》）的球化退火是重要的預備熱處理工藝。目前，常規出廠的軸承鋼產品均達到球化退火級別標準，對于那些有特殊尺寸要求的則可以提供非球化組織的鋼材或用戶將常規鋼料經改鍛后再進行球化退火。

鋼材經熱壓力（碾擴、鍛造）加工后的組織一般是細層片狀珠光體＋細的網狀碳化物，其硬度≥207HBW，這種組織對于車削加工很不利，易造成崩刀頭，影響表面粗糙度并產生應力集中現象。在淬火時容易出現淬火畸變大的問題，造成磨削困難，為此需要進行球化退火處理，其目的是使鋼中的不規則細層片狀珠光體＋網狀碳化物進行碳化物的完全球化，呈現細小、均勻的球粒狀碳化物而彌散分布于鐵素體基體上，獲得2～3級均勻組織（GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》），為最終熱處理做好原始組織的準備[1]。對于因熱壓力加工溫度偏高或冷卻速度很慢、堆冷而造成粗大網狀的組織，必須進行正火后再球化退火處理。

經球化退火的組織會使材料的切削性能變好，過熱敏感性降低，可降低刀具的磨損和車床的損耗，提高經濟效益。

本文以單列深溝球軸承的外圈溝道車削加工為例，在不完全球化退火（未球化）和獲得完全球化組織時對加工精度的影響進行分析。

2 球化退火不完全對車削加工的影響

根據套圈加工流程，改鍛后的套圈經球化退火后的外形尺寸、特別是滾道需要精確的車削加工，這為后續滾道的砂輪磨削和油石超精加工做好精度儲備。

在不同預備熱處理工藝條件下，對切削性能進行對比分析，在相同的切削條件下，即機床、刀具、切削參數相同時，不同球化退火組織對套圈的表面加工精度的影響。

2.1 對表面粗糙度的影響

球化退火不完全（未球化）的材料在車削后，表面質量和幾何公差不能滿足要求，外觀上明顯發暗和粗糙，圖1a所示為不完全球化退火的套圈滾道，圖1b所示為完全球化退火的套圈滾道。圖2、圖3所示為不完全球化退火套圈和完全球化退火套圈表面粗糙度檢測結果。從圖2、圖3可看出，表面粗糙度值差異明顯，分別為Ra=2.88μm（未球化組織）和Ra=0.82μm（球化組織）。

圖1 套圈車削加工后套圈滾道

圖2 不完全球化退火套圈滾道表面粗糙度

圖3 完全球化退火套圈滾道表面粗糙度

2.2 對圓度和輪廊度的影響

對套圈滾道用圓度儀進行圓度檢測，在相同加工條件下加工出的套圈圓度差異較大。不完全球化退火組織加工出來的套圈圓度達到18.51μm（見圖4），而完全球化退火組織加工出來的套圈圓度僅為4.82μm（見圖5）；輪廓度對套圈的影響也較大，不完全球化退火組織加工出來的套圈輪廓度達到20.04μm（見圖6），而完全球化退火組織加工出來的套圈輪廓度僅為5.8μm（見圖7）。

圖4 不完全球化退火套圈圓度

圖5 完全球化退火套圈圓度

圖6 不完全球化退火套圈輪廓度

圖7 完全球化退火套圈輪廓度

3 球化退火的機理和影響因素

3.1 球化退火的機理

軸承鋼的熱處理是為了改變碳化物形態，包括碳化物的形狀、大小、數量和分布情況，球化退火是為了獲得均勻、細小顆粒狀珠光體。球化退火工藝主要決定于奧氏體化工藝、冷卻工藝的確定，并與退火前的原始組織有很大的相關性[2]。隨著加熱的進行、碳化物的溶解，通過合理的工藝控制可獲得盡可能多且彌散分布的細小未溶碳化物顆粒。在冷卻階段通過控制冷卻速度，達到球化退火的目的。片狀珠光體球化退火過程機理如圖8所示[3]。

圖8 片狀珠光體球化退火過程機理示意

常用的球化退火工藝主要有兩種：一是常規球化退火工藝，如圖9所示；二是等溫球化退火工藝，如圖10所示，二者的主要區別在于冷卻速度和溫度控制方面。因此，應嚴格控制球化退火工藝，使碳化物球化完全，促進碳化物呈現細小、均勻的球粒狀，且均勻地分布在鐵素體基體上。這種組織可加工性好，經淬火、回火后畸變量小，硬度分布均勻性好，可得到隱晶、細小結晶或小針狀馬氏體，具有均勻分布的細小殘留碳化物和少量殘留奧氏體組織的特點[4]。兩種球化退火工藝比較，優先推薦采用等溫退火工藝。

圖9 常規球化退火常用工藝

圖10 等溫球化退火常用工藝

3.2 球化退火的金相組織

受熱壓力加工（碾擴、鍛造）后的組織影響，若球化退火溫度低或保溫時間不足時，則會出現網狀碳化物＞2級，層片狀珠光體沒有完全球化，不完全球化退火的金相組織如圖11所示； 完全球化的組織應是細小、均勻的碳化物分布在鐵素體基體上，如圖12所示。

圖11 不完全球化退火金相組織

圖12 完全球化退火金相組織

3.3 球化退火不完全的影響因素

球化退火在實際生產中的影響因素有很多，如熱壓力加工的質量、球化退火加熱溫度、冷卻速度等，均是影響球狀碳化物顆粒形態的關鍵因素。原始組織中片狀碳化物越細薄、相界面越多、擴散距離越短，奧氏體的形核和長大速度就越快，轉變溫度也就越低。同時，細片狀的碳化物更容易溶解和斷裂，有利于獲得彌散度大的未溶碳化物質點，促進碳化物的球化。

欠熱組織和過熱組織的影響，是能否達到球化退火的重要因素。若制件加熱溫度偏低或保溫時間太短，則會造成欠熱，雖然大部分區域奧氏體化，但是碳化物的溶解不充分，未溶碳化物數量過多，甚至仍然保留著片狀形狀，最后就形成細粒狀＋細片狀組織；若制件加熱溫度過高或保溫時間過長，則會造成過熱，也會形成較為粗大的球狀碳化物，且顆粒大小差異較大，片狀珠光體片層間距也較大，不利于后續的機加工和最終熱處理[5，6]。

因此，升溫速度、保溫時間和冷卻速度在整個球化退火過程中是影響球化質量的重要因素。

4 結束語

球化退火作為常用的預備熱處理環節，在熱處理中發揮著降低硬度、便于切削以及為最終熱處理做組織準備的重要作用，其熱處理質量的好壞不僅對產品的力學性能有較大的影響，還對產品機加工過程中表面質量、尺寸精度和重要的幾何公差有較大影響。因為球化退火的本質是獲得在鐵素體基體上分布細小、均勻、圓整的碳化物顆粒組織，所以碳化物的形狀、大小、數量和分布均對最終產品的性能有深遠影響。因此，應對材料球化退火工藝進行嚴格控制，尤其是冷卻速度方面，建議使用較為穩定的等溫球化退火工藝，還可以縮短總的退火時間。熱處理后的金相分析應重點關注片狀組織和網狀碳化物的存在和分布情況，對于沒有完全球化的材料，應根據實際情況進行正火后快冷、再重新等溫退火處理。

以上分析僅以單列深溝球軸承外圈滾道車削加工為例，在磨削加工中也有類似的情況出現，分析方法和解決措施與此類似。在實際生產中除軍用軸承鋼（如GCr15Z ）外，也適用于G8Cr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等類型軸承鋼。