表面淬火工藝對(duì)大型軸承套圈用42CrMo鋼淬硬層的影響

魏世同　吳長(zhǎng)江　鄭雷剛　胡小強(qiáng)　陸善平

（1.中國(guó)科學(xué)院 金屬研究所 沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心，遼寧沈陽(yáng) 110016:2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

摘　要:對(duì)42CrMo中碳軸承鋼進(jìn)行不同溫度中頻感應(yīng)加熱及淬火介質(zhì)的表面淬火外理，并使用洛氏硬度計(jì)、光學(xué)顯微鏡、掃描申鏡及透射電鏡對(duì)淬火試樣不同區(qū)域組織及硬度進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明，經(jīng)表面淬火外理后，按硬度由大到小試樣可分為淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體3個(gè)區(qū)域，隨著表面淬火加熱溫度的升高，表面淬硬層的深度增加，并目相對(duì)干水淬,油淬的淬硬層深度顯著減少。組織分析表明，水淬淬硬區(qū)組織均為馬氏體，而油淬工藝由干冷速較慢，淬硬層組織為馬氏體+鐵素體組織,不同表面淬火工藝條件下過渡區(qū)組織均為馬氏體+回火索氏體，基體為原始調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體。淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體的組織差異導(dǎo)致不同區(qū)域的硬度差異。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)所需淬硬層深度選擇合適的水淬加熱溫度。

大型軸承被廣泛應(yīng)用在風(fēng)電、船舶、航空航天等領(lǐng)域,尤其是連接動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，使用過程中軸承需承受較大力和力矩，受載情況復(fù)雜。由干一些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件在既定使用環(huán)境中不容許失效，因此其軸承的壽命和可靠性直接影響整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用安全性，幾乎等同于整個(gè)機(jī)構(gòu)或部件的壽命。隨著各領(lǐng)域大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用量的增加，對(duì)于其中大型軸承的要求也越來(lái)越高。我國(guó)自有大型軸承的研制起步較晚,無(wú)論從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是制造工藝上都缺少系統(tǒng)研究，其壽命和可靠性與國(guó)外同類產(chǎn)品相比仍存在很大差距,導(dǎo)致國(guó)內(nèi)大型軸承仍依賴進(jìn)口【4】。但由于國(guó)外產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)且價(jià)格昂貴,極大地增加了我國(guó)大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及部件的制造成本,并嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)大型軸承技術(shù)的發(fā)展,成為制約我國(guó)大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和部件制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此為滿足我國(guó)大型工程項(xiàng)目的需求,應(yīng)加快我國(guó)大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)制造技術(shù)的研究進(jìn)展，其中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵軸承的國(guó)產(chǎn)化，將成為促進(jìn)或制約我國(guó)大型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵因素【5、6、7】。

表面淬火是軸承制造過程中的主要工藝，其目的是獲得高硬度的表面層和有利的內(nèi)應(yīng)力分布，以提高軸承的耐磨和抗疲勞性能，同時(shí)又保證整體具有良好的塑性和韌性。表面淬火工藝首先通過不同的熱源對(duì)工件進(jìn)行快速加熱,當(dāng)工件表層溫度達(dá)到臨界點(diǎn)以上(此時(shí)工件心部溫度處于臨界點(diǎn)以下)時(shí)迅速冷卻，使工件表層得到淬硬組織而心部仍保持原始組織，為達(dá)到只加熱工件表層的目的,要求所用熱源具有較高的能量密度。根據(jù)加熱方法不同，表面淬火可分為感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電子束表面淬火等,每種加熱方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，也會(huì)得到不同的淬火質(zhì)量,因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇加熱方法，目前感應(yīng)淬火是生產(chǎn)大型軸承套圈、實(shí)現(xiàn)套圈外強(qiáng)內(nèi)韌而保證軸承壽命的主要熱處理方式【8-10】。

42CrMo鋼淬火回火處理后具有高的屈強(qiáng)比、較高的彈性極限和耐磨性能、良好的抗疲勞和抗多次沖擊性能,且經(jīng)表面淬火后表面硬度高，以及心部韌性好，可使大尺寸的軸承套圈具有良好的綜合力學(xué)性能，近年來(lái)42CrMo鋼在大型軸承套圈中得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)者對(duì)于中頻感應(yīng)表面淬火工藝對(duì)42CrMo鋼淬硬層深度的影響進(jìn)行了研究，但對(duì)于淬硬層組織和性能關(guān)系的研究還比較少【13-15】。

本文以大型軸承套圈用42CrMo鋼為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析不同表面感應(yīng)淬火工藝參數(shù)對(duì)42CrMo軸承鋼淬硬層組織及硬度分布的影響規(guī)律，以此確定合適的表面淬火溫度及冷卻介質(zhì),研究結(jié)果能為中碳軸李鋼表面淬火工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和淬硬層組織性能控制提供理論參考。

1　試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用42CrMo中碳軸承鋼采用200 kg真空感應(yīng)熔煉爐制備,化學(xué)成分如表1所示,之后將鑄錠鍛造為+180 mm的圓棒,然后經(jīng)860℃油淬+670℃回火熱處理后加工為表面感應(yīng)淬火試樣，試樣為半徑80 mm、厚度40mm、圓心角60°的扇形。使用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備將試樣表面分別加熱到840、870、900及920℃并保溫 20 s后,分別進(jìn)行水淬和油淬,試樣加熱過程如圖1所示,具體表面淬火工藝參數(shù)如表2所示。

對(duì)不同表面淬火工藝所得試樣進(jìn)行組織及性能分析,首先使用線切割機(jī)切取金相試樣，試樣經(jīng)研磨、拋光及用體積分?jǐn)?shù) 4%硝酸酒精溶液腐蝕后，分別采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行微觀組織觀察，并使用透射電鏡分析表面淬火試樣不同區(qū)域組織結(jié)構(gòu)及析出相情況，之后使用洛氏硬度計(jì)測(cè)試試樣不同區(qū)域的硬度，由試樣表面淬火面開始向內(nèi)部方向進(jìn)行連續(xù)硬度測(cè)試,間隔2mm。根據(jù)結(jié)果確定表面淬火工藝參數(shù)與組織和硬度的關(guān)系，為合理制定 42CrMo 中碳軸承鋼表面淬火工藝提供理論參考和實(shí)?指導(dǎo)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面淬火工藝對(duì)洛氏硬度的影響

根據(jù)硬度值的差異，表面淬火試樣可分為3個(gè)區(qū)域,按硬度中大到小依次為淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體，不同表面淬火工藝參數(shù)條件下42CrMo鋼的硬度分布如圖2 所示,結(jié)果表明,隨著表面淬火加熱溫度的升高，表面淬硬層的深度增加,并且相對(duì)于水淬,油淬的淬硬層深度顯著減小,因此實(shí)際應(yīng)用中為保持一定量的淬硬層深度,應(yīng)采用水淬方式。為分析不同表面淬火工藝對(duì)試樣硬度分布的影響原因，需要對(duì)不同表面淬火工藝試樣不同區(qū)域的組織進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.2 表面淬火工藝對(duì)微觀組織的影響

不同表面淬火工藝條件下42CrMo鋼淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體顯微組織如圖3~圖5所示。由圖3(a~d)可知,在840~920℃水淬(1~4號(hào))工藝條件下，淬硬區(qū)組織均為馬氏體組織，而870℃油淬(5號(hào))工藝對(duì)于水淬工藝,冷速較慢,部分奧氏體發(fā)生了鐵素體轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致淬硬層組織為馬氏體+鐵素體組織(見圖3(e))。不同表面淬火工藝條件下過渡區(qū)組織均為馬氏體+回火索氏體組織,如圖4所示，基體仍保持原始調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體組織,如圖5所示。淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體的組織差異也反應(yīng)出硬度的差異，840~920℃水淬(1~4號(hào))試樣淬硬區(qū)為全馬氏體組織，導(dǎo)致該區(qū)域硬度很高，而且隨著淬火溫度的升高,試樣表面奧氏體化區(qū)域的深度增加,導(dǎo)致淬火后表面淬硬層的深度增加,對(duì)于870 ℃油淬(5號(hào))試樣,由于冷速較慢，淬硬區(qū)為馬氏體+鐵素體,導(dǎo)致該區(qū)域硬度相對(duì)于水淬試樣有所降低。不同表面淬火工藝試樣的過渡區(qū)加熱溫度均處于兩相區(qū)(Ac~Ac;)，保溫過程中組織為奧氏體+原始的回火索氏體,在隨后的淬火過程中,奧氏本轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,形成馬氏體+回火索氏體復(fù)相組織,因此其硬度相對(duì)于淬硬層有所降低,而且隨著過渡區(qū)深度的增加,加熱溫度降低,奧氏體化程度降低，將導(dǎo)致組織中馬氏體含量降低，因此硬度也逐漸降低,直至加熱溫度低于Ac,進(jìn)入基體區(qū)，硬度降為,深度繼續(xù)增加,組織和硬度均保持穩(wěn)定。

使用掃描電鏡觀察870℃水淬(3號(hào))和油淬(5號(hào))試樣不同區(qū)域的顯微組織，結(jié)果如圖6所示，與光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果一致，水淬試樣淬硬區(qū)組織為馬氏體如圖6（a)所示，而油淬試樣淬硬區(qū)組織為馬氏體+鐵素體，如圖6(d）所示，水淬和油淬試樣的過渡區(qū)均為馬氏體+回火索氏體組織，如圖6（b,e）所示基體均為原始的回火索氏體組織，如圖6（c,f）所示。

為了進(jìn)一步分析表面淬火試樣的微觀機(jī)構(gòu)特征，使用投射電鏡對(duì)基體和淬硬層組織進(jìn)行對(duì)比研究（見圖7）結(jié)果表面，基體表面內(nèi)部包含大量大尺寸的析出相,衍射分析表明析出相為M23C 6碳化物，EDS分析表明M23C 6主要含有Fe、Cr、Mo、C元素。利用TEM組織觀察及衍射分析淬硬區(qū)，表明該區(qū)域?yàn)槿R氏體組織。

3　結(jié)論

1)對(duì)42CrMo中碳軸承鋼進(jìn)行不同溫度及淬火介質(zhì)的表面淬火處理,根據(jù)硬度值的差異,表面淬火試樣可分為3個(gè)區(qū)域,按硬度由大到小依次為淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體,隨著表面淬火加熱溫度的升高,表面淬硬層的深度增加,并且相對(duì)于水淬,油淬的淬硬層深度顯著減少。

2)水淬淬硬區(qū)組織均為馬氏體組織，而油淬工藝由于冷速較慢,淬硬層組織為馬氏體+鐵素體組織,不同表面淬火工藝條件下過渡區(qū)組織均為馬氏體+回火索氏體組織,基體為原始調(diào)質(zhì)態(tài)的回火索氏體組織。淬硬區(qū)、過渡區(qū)及基體的組織差異導(dǎo)致硬度的差異。

3)實(shí)際用中據(jù)所需淬硬層深度選擇合適的加熱溫度并水淬。

參考文獻(xiàn):

［1］公 平，陳雪騎，于慶杰，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介軸承流場(chǎng)與潤(rùn)滑影響因素分析[]].軸承，2021(8):16-21.

［2］霍新新，范壽孝，王森，等，大型抽水蓄能機(jī)組推力軸承運(yùn)行特點(diǎn)研究[J].黑龍江電力，2021-43(3):209-212，240.

［3］曾 志,馬德生.大型風(fēng)電機(jī)組變槳軸承套圈鍛件性能研究[J]風(fēng)能，2021(8): 64-70.

［4］黃旭就。關(guān)于國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)開發(fā)的探討[J]裝備制造技術(shù)，2006(2): 3-7,11.

［5］陳佳璋.大直徑(11.58m)盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置用回轉(zhuǎn)支承國(guó)產(chǎn)化的探討[J].傳動(dòng)技術(shù)，2010，24(3):25-28.

［6］尤紹軍.我國(guó)軸承鋼及熱加工技術(shù)的現(xiàn)狀和研究方向[J].金屬熱處理

［7］劉雅政，周樂育，張朝磊，等，重大裝備用高品質(zhì)軸承用鋼的發(fā)展及其質(zhì)量控制[]]. 鋼鐵,2013，48(8):1-8.

［8］李 欣,李曉峰.軸承零件表面淬火工藝探索[J].哈爾濱軸承，2015，36( 4): 20-21,28.

［9］王程,劉杰，顧彩香,等.兩種表面淬火方法對(duì)結(jié)構(gòu)鋼熱物性能的影響[]].金屬熱處理，2018，43(9):214-218

［10］賈士武,張愛茹.減少機(jī)床導(dǎo)軌表面淬火畸變的措施[1].金屬熱處理，2002，27(1):43-44.

［11］Huang W H,Zhong H G，Lei L P，et al.Microstructure and mechanical properties of multi-pass forged and annealed 42CrMo steel[J]. Materials Science and Engineering A2022831: 142191

［12］劉雅政,黃 斌，蔣 波，等.盾構(gòu)機(jī)軸承用鋼的開發(fā)與質(zhì)量控制[J].鋼鐵，2004，49(5):1-6，12.

［13］霍曉磊，史亞妮，李崇崇，等。大尺寸三排圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承滾道分面感應(yīng)淬火工藝[J].軸承，2019(2):23-26.

［14］霍曉磊，李崇崇，史亞妮，等。溝道位置不對(duì)稱四點(diǎn)接觸球軸承滾道表面淬火工藝研究[J].熱處理技術(shù)與裝備，2018，39(1):49-51.

［15］史亞妮，霍曉磊，朱戰(zhàn)旗，等。推力球軸承溝道表面感應(yīng)淬火工藝的改進(jìn)[J].軸承，2018(6):24-25.

來(lái)源：金屬熱處理

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）