軸承鋼的感應淬火

鄒磊，陳坤，王錫樵

南京科潤工業介質股份有限公司 江蘇南京 211100

1 序言

高碳鉻軸承鋼（以下簡稱軸承鋼）在機械系統和生活中占有重要地位。根據GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》和GB/T 38885—2020《超高潔凈高碳鉻軸承鋼通用技術條件》中規定的軸承鋼包括：GCr15、GC15SiMn、G8Cr15、GCr15SiMo和GCr18Mo等5個牌號。按鋼的冶金質量分類為：優質鋼、高級優質鋼（牌號后面加符號“A”）和特級優質鋼（牌號后面加符號“E”）3類。而GB/T 38885—2020規定的化學成分更為合理和潔凈，達到國外先進水平[1]。

1905年，G C r15軸承鋼誕生于德國，為了促進技術國際交流和發展，1976年國際標準化組織（ISO）將一些通用的軸承鋼號納入國際標準，ISO將軸承鋼分為：全淬透型軸承鋼、表面硬化型軸承鋼、不銹軸承鋼和高溫軸承鋼，共4大類17個鋼號。有的國家增加一個類別為特殊用途軸承鋼。

我國已納入標準的軸承鋼分類與ISO相似，分為高碳鉻軸承鋼（即全淬透型軸承鋼）、滲碳軸承鋼（即表面硬化型軸承鋼）、不銹耐腐蝕軸承鋼、高溫軸承鋼等共4大類。目前，我國現已頒布的9個主要軸承鋼標準和一個軸承鋼淬火冷卻介質標準都在實施中。其中，GCr15（SKF3、100Cr6、SUJ3、52100、ЩX15）鋼的質量穩定、性價比高，國內外在使用中的占比均達到80%以上，這是一個物美價廉的優質鋼種。

軸承鋼的熱加工都能滿足它的性能要求，而感應加熱的方法很多，并且得到很好的應用，如軸承鋼的真空感應熔煉（VIM）、用中（工）頻加熱棒料沖（擠）壓成軸承的內外套圈及感應熱處理等[2]。本文主要從工藝方面來簡述感應熱處理的先進性。

2 軸承套圈的毛坯感應快速球化退火

為提高鋼材的利用率和質量，希望在球化退火及淬回火后直接進行磨加工，這就需要制件的金相組織是細粒球狀珠光體且表面沒有脫碳層。

在常規的等溫球化退火爐中退火的時間需要20～30h，若沒有氮氣+甲醇+丙烷組成的可控氣氛的保護，僅用氮氣+甲醇作為保護氣氛，則會造成表面嚴重脫碳。國內大多數退火爐采用的是氮氣+甲醇裂解保護氣氛，這種氣氛能達到套圈表面不被氧化，但是不能保證套圈表面不脫碳，甲醇裂解后的碳勢＜0.9%。然而，軸承鋼的wC＝0.95%～1.05%，套圈在780～800℃的溫度下進行20～30h長時間的等溫退火，其表面自然會發生嚴重脫碳。如果采用可控氣氛作為保護氣氛，則表面不會脫碳，這樣可以使車加工余量減少許多，節約了套圈的鋼材消耗和加工成本，同時可以避免因表面脫碳而影響套圈的淬火質量。這些問題有時在磨加工過程中或者成套產品出廠時沒有被發現，到了用戶處偶尓被發現，且在返回工廠進行質量分析時，才發現球化過程中因嚴重的表面脫碳沒有被去除干凈而造成套圈表面局部脫碳、硬度偏低的現象。

國外在軸承鋼淬火前的原始組織準備上，除了常規的可控氣氛等溫球化退火工藝外，還開發了采用感應快速球化退火工藝[3]。

（1）設備 功率100kW，頻率8kHz。

（2）產品 型號為380套圈，材料為Щ X15（GCr15），鍛后金相組織為片狀珠光體+細網狀碳化物組織，硬度341～363HBW。

（3）快速感應球化退火工藝 環形感應加熱器，以40℃/s快速加熱到850℃，保溫30s后快速冷卻到550℃等溫3min，使奧氏體完全轉變成細粒球狀珠光體（2～3級），硬度為220HBW。這種工藝表面只有≤0.001mm極微量氧化色，淬火后可以直接進行磨削加工。

如果快速感應退火后還需要車加工，則可以將等溫溫度提高到680℃等溫15～20m i n，硬度≤200HBW。這種工藝可以提高產品的質量和產量。

3 薄壁套圈的感應加熱模壓淬火

軸承鋼套圈的感應加熱在國內外使用得比較多，特別在日本、德國和俄羅斯等國家，使用得非常多。如中小型軸承套圈的中頻感應淬火+清洗+工頻感應回火生產線；φ12～φ15mm鋼球和φ12～φ22mm滾子中頻感應淬火+清洗+滾筒爐回火生產線；紡機20000～80000r/min的彈力絲假捻器軸承中的φ12mm心軸和10000～30000r/min的氣流紡軸承中的φ12mm心軸的溝道淬火生產線；汽車水泵軸承心軸生產線等。

薄壁套圈的淬火畸變是一個棘手的問題，為了提高套圈的疲勞強度和壽命，要求套圈表面呈現壓應力、熱處理后的錐度和圓度達到微變形，使磨加工量越少則產生的磨削應力就越小，套圈的疲勞強度和壽命也就越高。

用常規的熱處理工藝較難達到薄壁套圈的微變形，為此瑞典、德國、日本和俄羅斯等國家采用感應加熱模壓淬火工藝，很好地解決了此難題。

3.1 日本NTN公司的工藝

NTN公司規定直徑＞120mm的套圈全部采用自動化生產的模壓淬火工藝，直徑＜120mm的套圈感應淬火后，在線進行自動檢測畸變量及合格率，需要整形、報廢處理的檢測方法。生產現場沒有看到廢品件，說明產品的合格率是100%。模壓淬火車間擁有一個可觀的模具倉庫。

3.2 德國EMA公司的工藝

EMA的總部在瑞典SKF公司內，國內“艾瑪應泰科技（北京）有限公司”可以通過其在德國的EMA公司針對套圈模壓淬火技術進行交流。這是一種現代化精密軸承生產模式，因為設備價格問題，國內至今沒有企業使用，但是在齒輪行業采用該技術的比較多。現簡單介紹一下其工作原理。

圖1所示為一條氮氣保護多工位感應加熱淬火裝置及原理，設備功率100kW，頻率10～20kHz。套圈在氮氣保護氣氛下的淬火機床內進行感應加熱，然后在上下模的作用下進行水劑淬火液噴射，然后在原位置及時進行回火處理，整個過程為全自動操作。

圖1 氮氣保護多工位感應淬火裝置及原理

套圈模壓淬火和回火過程如圖2所示。

圖2 套圈模壓淬火過程

淬火過程：將套圈固定在非導磁性（不銹鋼）的定心軸和夾持裝罝上（步驟1）；通過電磁感應加熱到規定溫度（步驟2）；保溫均熱一定時間后，工件達到淬火溫度時上下壓模立即合攏（步驟3）；同時用淬火液噴射（步驟4）。

回火過程：將感應器移動到軸承套圈和校正芯模的組合位置（步驟5）；然后對套圈進行回火（步驟6）；隨著溫度升高，套圈發生脹大，雖然脹大量較少，但有很小的縫隙（步驟7）；套圈可以輕松脫模（步驟8）。

感應加熱淬火設備由IGBT變頻電源裝罝及淬火機床兩部分組成。淬火機床由芯軸、上壓模、下支撐模、加熱感應圈、淬火噴液圈（水劑淬火冷卻介質）及氮氣保護罩組成。

艾瑪應泰感應科技（北京）有限公司生產的感應模壓淬火機床如圖3所示。它是將套圈自動進入機床內的芯軸中→下支撐模上升→進入感應加熱圈內→氮氣保護罩合上通入氮→感應加熱開始、完成→同時上壓模下降、下支撐模上升→壓緊軸承套圈→淬火（水劑淬火冷卻介質）完成→質量檢測→淬火畸變量：圓度＜0.05mm、平行度＜0.08mm、垂直度＜0.05mm；硬度61～64HRC。

圖3 艾瑪感應模壓淬火機床

國內北京億磁電熱科技有限公司也能生產此類設備（見圖4），且性價比較高，可為用戶量身定制專用設備。

圖4 單工位模壓淬火機床

4 大型軸承套圈無軟帶感應淬火技術

大型環形制件的感應加熱以前一直是個難題，在感應淬火的銜接處都會產生一個軟帶區，從而影響機械構件的性能和壽命，為此經常用生產成本較高的滲碳、滲氮等化學熱處理工藝來解決淬火軟帶區的問題，現在通過感應器結構的改革，能很好地解決軟帶區問題。

關于制作大型環形圈的材料，考慮鍛造工藝等技術問題，習慣上用42CrMo鋼較多，但是該鋼材的疲勞強度和耐磨性沒有高碳鉻軸承鋼好，為此建議用GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo軸承鋼來解決，這樣可以提高制件的使用壽命。

關于軟帶區的問題，國內感應加熱專家已經解決了這個問題。如EFD公司制造的無軟帶感應加熱設備分別提供給SKF和Schaeffler軸承公司，用于軸承圈的溝道淬火。南京高速齒輪制造有限公司（簡稱南高齒）、薩伊感應系統（上海）有限公司、洛陽軸承研究所、上海恒精感應科技有限公司等企業都有較好辦法解決軟帶的問題。

4.1 軸向穿過式感應器（南高齒方案）

對于外徑和內徑比值≤1.143的超輕或特輕42CrMo鋼軸承圈應用軸向穿過式感應加熱方式，可以解決出現淬火畸變和軟帶問題。

南高齒在外徑740m m、內徑710m m、高度140mm的42CrMo鋼軸承圈上（內外徑比值1.042）進行感應淬火取得成功，很好地解決了生產難題。

（1）內徑淬火技術要求（外徑沒有淬硬要求）及設備 淬火硬度52～58HRC，淬硬層深度3～5mm，淬火畸變：相鄰點跳動＜0.50mm，端面圓跳動＜0.10mm。

感應加熱設備：功率500kW、頻率1～10kHz的IGBT全固態晶體管電源，在φ1500mm×5000mm的淬火機床上進行淬火。感應器由3部分組成：感應加熱、淬火噴淋及固定裝置。

（2）感應加熱工藝參數 加熱方式是沿套圈內孔軸向掃描，感應器固定，套圈隨工件盤的轉動而進行連續緩慢上升并加熱。通過調節電流、電壓來控制比功率，從而控制感應加熱速度。感應加熱工藝參數見表1。

表1 感應加熱工藝參數

（3）檢測結果

1）在經淬火后的套圈中部切取一塊實物作為試樣，采用JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》規定進行有效淬硬層深度、表面硬度和金相組織檢測，結果見表2。

表2 檢測結果

變形測量結果：相鄰點跳動為0.30mm，端面圓跳動0.05mm，符合技術要求。

2）電耗對比。感應加熱電耗為0.120kW·h/kg，整體淬火電耗為0.306kW·h/kg，氣體滲氮電耗為0.844kW·h/kg。

3）生產率。感應加熱比整體淬火生產率提高3倍，比氣體滲氮提供30倍。

4.2 預加熱線圈法

薩伊感應設備（上海）有限公司在大型風電軸承圈加熱方面有豐富的經驗，其開發的帶獨立電源、可調整加熱速率的預加熱線圈法是很成功的技術，可達到無軟帶淬火的目的。

他們的做法是：采用2個加熱組件，每個加熱組件配2個感應器，分別為預熱感應器和加熱感應器。每個感應器有1個獨立的電源，可以設置為加熱工藝所需要的功率輸出。這2個加熱組件能夠圍繞軸承滾道移動，每個組件覆蓋半個軸承圓環。預熱和加熱感應器均設置為與軸承滾道表面平行，并通過安裝在加熱組件上與感應器連接的旋轉數控芯軸，保證感應器和輥道在任何情況下均保持平行。每個噴淋裝置上配1個主噴淋和1個輔助冷卻噴淋。主噴淋提供實現馬氏體相變所需要的快速冷卻，而輔助冷卻噴淋有助于完成相變，并將材料冷卻到室溫。需注意的是，必須根據軸承輥道幾何結構專門設計感應器和冷卻噴淋裝置。

圖5所示為不同工藝步驟中加熱感應器的位置[4]。加熱從環形工件的1個點開始，2個加熱組件相互靠近，在該區域加熱過程中，旋轉平臺在一定范圍內帶動工件擺動，稱為起始區（見圖5a）；此時所有感應器緊靠在一起進行加熱。當起始區達到工藝淬火溫度時，感應器停止加熱，2個獨立的感應器朝反方向移動，這時主噴淋器打開，開始快速冷卻起始區表面。在穩定掃描模式下加熱時，每個加熱組件將圍繞軸承圓周一半的圓環移動（見圖5b）。根據工藝要求設置掃描速度和功率獲得所需的淬硬層深度。2個加熱組件沿軸承滾道相對方向移動，達到與起始區域相對的位置，該區域稱為結束區。當2個加熱組件相互靠近時，兩對預熱感應器彼此緊鄰（見圖5c）。此時，第一加熱組件預熱感應器的電源供應中斷，該預熱感應器從輥道表面移開。移開1個感應器為2個加熱組件創造了更近的加熱空間。當第二個加熱組件的預熱感應器與第一個加熱組件的感應加熱器相鄰時，再次關閉第二個預熱感應器的電源，同時該感應器離開輥道表面。第二個預熱感應器覆蓋滾道表面，隨后兩個相互靠近的加熱感應器進行加熱（見圖5d）。當2個感應器彼此相鄰靠近時，電源關閉，并快速移動轉動平臺，使其中1個輔助噴淋器覆蓋最后1個加熱輥道部分。

圖5 加熱過程感應器的位置

加熱感應器和輥道表面之間的間隙恒定是獲得均勻加熱模式的基礎。淬火過程的快速冷卻和馬氏體轉變會在淬硬層中產生應力，這些應力將導致軸承圈產生畸變，使感應器與輥道之間的間隙在加熱過程中發生變化。為了避免這種情況，采用了機械跟蹤系統，每個加熱組件都配有跟蹤裝置，跟蹤裝置與輥道表面保持接觸。當加熱組件圍繞軸承套圈旋轉時，跟蹤系統測量軸承套圈表面位置，以保證間距恒定。

用這種方法對42CrMoA鋼軸承套圈輥道進行表面淬火時，可獲得≥10m m的淬硬層，硬度58～62HRC，晶粒度8.5級，沒有出現淬火軟帶區，對于直徑2.5m的大回轉軸承支承圈的淬火畸變≤0.5mm。

4.3 多個感應圈掃描加熱法

前期，洛陽軸承研究所在探討研究多頭加熱線圈的方法，用多臺電源裝置試圖解決大型環類軸承圈感應淬火的軟帶問題，這種方法是：選用3個感應加熱線圈（見圖6），開始時2個感應圈同時加熱，待達到淬火溫度時，2個感應圈隨后的冷卻器打開噴冷卻介質淬火，2個感應加熱線圈中一個逆時針、另一個順時針掃描淬火。鄰近結束部位，第3個感應加熱線圈開始加熱，冷卻器噴淋冷卻介質進行淬火，從而解決了軟帶問題。

圖6 3個加熱感應線圈

另外，還有一種方法是多個加熱線圈掃描法，如圖7所示。加熱方法是用6組或者根據軸承套圈尺寸確定更多組的加熱線圈、均勻地分布在套圈圓周方向。套圈高速旋轉，感應器開始加熱，當加熱到淬火溫度時，立即噴淋淬火冷卻介質，以達到獲得均勻淬硬層的目的。

圖7 多個加熱感應器

5 細長桿件的穿透感應加熱+機械淬火矯直機生產線

每臺紡織細紗機上有多于1000錠的錠子部件，其中錠桿是整套錠子中的一個關鍵零件，錠桿用G C r15軸承鋼制造，其品種很多，技術要求基本一樣[5]，如圖8、圖9所示。該錠桿要求全部整體淬透、淬硬，這種截面不同的錐形錠桿整體硬度要求是不一樣的，特別是下錠尖部分不能出現貧碳、脫碳現象，硬度必需達到≥61HRC，熱處理后還需要做彈性試驗，如圖10所示。術，但由于各種原因至今沒有實現生產模式。這種感應穿透加熱+機械矯直結構方式同樣適合于小直徑、大批量生產的中溫淬火鋼種。

圖8 D7103錠桿熱處理技術要求

圖9 D-6110E錠桿熱處理技術要求

圖10 錠桿的彈性試驗

錠桿的熱處理工藝：國外是在感應穿透加熱后，通過數控矯直機對錠桿感應熱處理產生的畸變進行矯直；國內的熱處理是在空氣電阻爐內加熱后，經機械傳動的矯直機進行邊淬火邊矯直，雖然矯直效果很好，但是錠桿的表面質量欠佳，爐子及傳動機構有些缺陷，其加熱圈等的制造和維修工作要求較高，如圖11所示。

圖11 圓形電阻加熱爐+五工位機械矯直機

2015—2017年錠桿熱處理專家蔡志強通過多次試驗，成功地對錠桿進行了感應穿透加熱試驗，并與機械矯直機聯合在一起（見圖12），完成加熱矯直一體化自動生產試驗，試驗錠桿的各項熱處理技術指標都達到標準要求，硬度≥62HRC，金相組織2～3級（GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術條件》），淬火畸變≤0.15mm，合格率≥90%，且當錠桿淬火畸變＞0.15mm時，用小榔頭輕輕一敲即合格，解決了人工矯直的繁重操作，提高了錠桿的熱處理質量。

圖12 感應穿透加熱+五工位臥式自動淬火生產線

目前，這種生產方式在國內外雖然屬于領先技

6 結束語

軸承鋼的感應淬火是節能環保的綠色熱處理方式之一。感應淬火的特點是可以實現自動化，其加熱時間短，淬火質量比常規淬火高，使用壽命可以提高10%～20%。對于幾何形狀簡單的軸承鋼制件，自動化感應淬火是理想的熱處理工藝方法之一，應該積極推廣使用。