回收軸承改進(jìn)淬火介質(zhì)提高GCrl5鋼制軸承套圈淬火質(zhì)量
上傳更新：2014/4/20
我公司在90年代初將氮基可控氣氛鑄鏈爐自動(dòng)生產(chǎn)線應(yīng)用于GCr15鋼制軸承套圈淬、回火。淬火介質(zhì)主要用N32機(jī)械油。隨著套圈尺寸的增大，有時(shí)出現(xiàn)淬火硬度嚴(yán)重不均和畸變等問題，采用今禹Y15T快速淬火油添加劑對(duì)N32機(jī)械油進(jìn)行改性處理后，解決了套圈硬度不均，有效地控制了畸變。
我公司鑄鏈爐生產(chǎn)線自1993年投產(chǎn)至1999年初已累計(jì)淬火工件7000余t，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定控制在JB／T1255-1991標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，淬火介質(zhì)以N32機(jī)械油為主，冬季也部分補(bǔ)充N15機(jī)械油，對(duì)淬火介質(zhì)除嚴(yán)格控制水分含量外未采取其他檢測(cè)手段，多年來也未出理淬火質(zhì)量問題。1999年初，因舊油老化，工件淬火后表面光亮度下降，生產(chǎn)時(shí)油煙較大，遂將鑄鏈爐淬火油槽整槽換用新的N32機(jī)械油，其后不久即發(fā)現(xiàn)厚壁大尺寸套圈(外徑>100mm、有效壁厚>10mm)淬火后易出現(xiàn)部分套圈(約占5%-20%)厚端面表面硬度不均勻、局部硬度不合格，出現(xiàn)6級(jí)(JB／T1255-1991第二級(jí)別圖)以上淬火組織。如圖1a所示，個(gè)別套圈出現(xiàn)如圖1b所示的硬度分布。
圖中硬度合格區(qū)域金相組織為2級(jí)，殘留碳化物量適合，但顆粒較粗；硬度不合格區(qū)域主要為6級(jí)、8級(jí)、偶見>8級(jí)，屈氏體形狀為塊狀，大塊狀，塊狀屈氏體中部可見殘留碳化物顆粒。
1質(zhì)量問題分析
1.1原始組織均勻性較差是產(chǎn)生淬火不合格組織的原因之一
據(jù)查，上述問題出現(xiàn)期間球化退火溫度超過820℃，退火組織評(píng)級(jí)為4級(jí)(JB／T1255-1991第一級(jí)別圖)，雖屬合格，但由于部分碳化物顆粒較粗且分布不均，造成淬火工藝調(diào)整困難。為此對(duì)退火工序立即進(jìn)行了糾正，但此前生產(chǎn)的退火坯已難以返工。
1.2淬火溫度是否偏低
JB/T1255-1991標(biāo)準(zhǔn)的編制說明，出現(xiàn)6級(jí)、8級(jí)淬回火組織顯示淬火溫度偏低。而提高淬火加熱溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間可提高奧氏體中碳、鉻含量，使奧氏體成分均勻化，晶粒增大，提高淬火時(shí)過冷奧氏體穩(wěn)定性，抑制珠光體類型轉(zhuǎn)變，提高GCr15鋼淬透性，降低臨界淬火速度。據(jù)此，我們將淬火加熱溫度提高8-10℃、總加熱時(shí)間延長(zhǎng)10-15min進(jìn)行批量生產(chǎn)試驗(yàn)，硬度不合格的問題可得以解決。但不少套圈同—零件硬度差較大，達(dá)2HRC，淬回火組織中仍不時(shí)發(fā)現(xiàn)局部有少量小塊狀屈氏體存在；同時(shí)也開始有細(xì)小針狀馬氏體出現(xiàn)，淬火變形量急劇上升。直徑變動(dòng)量超差率由平均不到10%上升到25%以上，零件力學(xué)性能相對(duì)劣化。由此可見，在原始組織均勻性較差的情況下單純提高淬火加熱溫度及時(shí)間以解決硬度不合格的問題并不是最佳途徑。
1.3淬火加熱爐爐膛保溫性能、爐溫均勻性是否下降，裝爐量是否合適 經(jīng)查，裝爐量均未超過工藝規(guī)范。如下規(guī)范檢測(cè)爐溫均勻性：空載，I、II、III區(qū)儀表設(shè)定溫度均為850℃并巳達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，用5支鎧裝熱電偶在鑄鏈帶工作空間內(nèi)同一橫斷面(590mm寬x100mm高)上同時(shí)測(cè)量左上、左下、中間、右上、右下5點(diǎn)溫度，從進(jìn)料震動(dòng)導(dǎo)槽在鑄鏈帶上開口處(進(jìn)料口)起至鑄鏈帶末端(落料口)止4750mm長(zhǎng)度上各橫斷面爐溫平均值如圖2所示。
其中I區(qū)因靠近進(jìn)料口且測(cè)溫時(shí)進(jìn)科口敞開，平均溫度較低，為840℃，II區(qū)平均溫度846℃，III區(qū)平均溫度854℃，整個(gè)加熱長(zhǎng)度內(nèi)爐溫波動(dòng)平緩。對(duì)于連續(xù)式淬火加熱爐尤為重要的是工作空間內(nèi)同—橫斷面上各點(diǎn)的溫差，實(shí)測(cè)圖示c點(diǎn)至d點(diǎn)間同—橫斷面上各點(diǎn)溫差土4℃之內(nèi)，爐溫均勻性尚屬良好。實(shí)測(cè)爐殼溫升<40℃。因此，可以排除加熱爐性能與裝爐量影響均勻加熱奧氏體化的因素。
1.4淬火介質(zhì)冷卻能力是否不足
因質(zhì)量問題出現(xiàn)在鑄鏈爐淬火抽槽換用新N32機(jī)械油之后，而同期在箱式爐加熱用舊油淬火的同類型工件未出現(xiàn)硬度不合格的問題，由此分析—方面可能舊油(如前所述，因摻有部分N15機(jī)械油，其成分與老化程度巳難以追溯)冷卻能力好于新油；另一方面，在箱式爐加熱淬火時(shí)工件用鉤串或手提鐵絲淬火籃在油中搖動(dòng)冷卻，工件與淬火介質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均勻且充分，而鑄鏈爐淬火油槽雖然容積大，具有淬火油自動(dòng)控溫裝置及兩臺(tái)齒輪油泵、一臺(tái)油攪拌機(jī)使淬火槽內(nèi)油溫均勻并穩(wěn)定控制在60-90℃之間，循環(huán)良好。但由于淬火槽深度大，油攪拌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的油流對(duì)淬火工件表面的沖刷不均勻，油攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速越高工件淬火變形越大，并且齒輪油泵與油攪拌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的油攪動(dòng)區(qū)主要在油槽工件落料導(dǎo)槽的上、中部，赤熱工件垂直落入油槽時(shí)瞬間通過油攪動(dòng)區(qū)后即停置在油槽下部緩慢運(yùn)行的提升網(wǎng)帶上，工件與淬火油之間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢且部分工件可能互相重疊，此時(shí)如淬火油自身的冷卻能力不足，工件局部冷連低于臨界淬火速度而產(chǎn)生屈氏體轉(zhuǎn)變可能是造成部分套圈淬火后局部硬度不合格的主要原因。其后采用ISO9950標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新舊油樣的冷卻特性檢測(cè)證實(shí)了這—分析，新舊油樣的冷卻特性曲線見圖3e、f。
2淬火介質(zhì)改進(jìn)及其效果
根據(jù)以上分析，我們認(rèn)為N32機(jī)械油用于自動(dòng)生產(chǎn)線上厚壁大尺寸套圈淬火時(shí)其冷卻能力有所不足，鑒于淬火油槽的結(jié)構(gòu)緊湊難以更改，現(xiàn)在N32機(jī)械油油質(zhì)尚可，決定單純?cè)诟倪M(jìn)淬火油的冷卻特性方面進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)對(duì)比測(cè)試，我們選用北京華立精細(xì)化工公司生產(chǎn)的今禹Y15T快速光亮淬火油添加劑對(duì)該槽N32機(jī)械油進(jìn)行改性處理，加人10%添加劑后油品的冷卻特性曲線見圖3g。改性后淬火油冷速提高，最大冷速提高了20℃／s，蒸汽膜階段時(shí)間縮短近一半，最大冷速所在溫度提高了50℃，有利于抑制淬火組織出現(xiàn)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。改進(jìn)后的淬火油用與改進(jìn)前相同的加熱工藝進(jìn)行厚壁大尺寸GCr15鋼制軸承套圈淬火時(shí)，硬度全部合格，同一零件硬度差在1HRC以內(nèi)，淬火金相組織等級(jí)提高，屈氏體徹底消失，套圈經(jīng)酸洗檢查無裂紋，唯淬火變形仍較大。考慮到改進(jìn)后淬火油冷卻性能的改善，可滿足工件在較低溫度下奧氏體化產(chǎn)生的晶粒較細(xì)、碳、鉻含量較低的奧氏體所需的臨界淬火速度，既保證淬火硬度，又細(xì)化馬氏體基體組織，避免淬火裂紋，可提高GCr15鋼淬回火后的力學(xué)性能，也可提高臨界淬火直徑，擴(kuò)大GCrl5鋼的使用范圍。經(jīng)過逐步試驗(yàn)，調(diào)整工藝，采用比正常加熱溫度低2-5℃，同時(shí)調(diào)減淬火油槽油攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，其后軸承套圈淬火硬度穩(wěn)定控制在64-65.5HRC，淬火金相2—3級(jí)，以2級(jí)為多，外徑100mm以上的套圈淬火后直徑變動(dòng)量超差率降至約7%，隨后淬火工件近3000t，其中GCrl5鋼制圓錐滾子軸承套圈最大有效壁厚達(dá)15mm、非標(biāo)滾輪軸承套圈最大有效壁厚達(dá)23mm，質(zhì)量全部合格，減少了廢品及返修損失。由于該槽N32機(jī)械油潔凈度尚好，改進(jìn)后工件淬火后表面光亮無污染，淬火時(shí)油煙少，改善了工件表面質(zhì)量和車間生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。
3結(jié)論
(1)根據(jù)零件材質(zhì)、原始組織、淬火方式選擇適當(dāng)冷卻特性的淬火介質(zhì)并定期監(jiān)測(cè)、調(diào)整其冷卻特性對(duì)保障零件淬火質(zhì)量至關(guān)重要；
(2)在允許的范圍內(nèi)改進(jìn)淬火介質(zhì)的冷卻特性，有利于提高零件淬火后硬度及均勻性，擴(kuò)大鋼種的使用范圍，并可通過加熱工藝的調(diào)整達(dá)到減少淬火變形的效果；
(3)選擇優(yōu)質(zhì)的專用淬火油配合控制氣氛加熱爐可得到淬火后光亮潔凈的外觀質(zhì)量，減少油煙揮發(fā)，有利于實(shí)現(xiàn)熱處理清潔生產(chǎn)。
我公司鑄鏈爐生產(chǎn)線自1993年投產(chǎn)至1999年初已累計(jì)淬火工件7000余t，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定控制在JB／T1255-1991標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，淬火介質(zhì)以N32機(jī)械油為主，冬季也部分補(bǔ)充N15機(jī)械油，對(duì)淬火介質(zhì)除嚴(yán)格控制水分含量外未采取其他檢測(cè)手段，多年來也未出理淬火質(zhì)量問題。1999年初，因舊油老化，工件淬火后表面光亮度下降，生產(chǎn)時(shí)油煙較大，遂將鑄鏈爐淬火油槽整槽換用新的N32機(jī)械油，其后不久即發(fā)現(xiàn)厚壁大尺寸套圈(外徑>100mm、有效壁厚>10mm)淬火后易出現(xiàn)部分套圈(約占5%-20%)厚端面表面硬度不均勻、局部硬度不合格，出現(xiàn)6級(jí)(JB／T1255-1991第二級(jí)別圖)以上淬火組織。如圖1a所示，個(gè)別套圈出現(xiàn)如圖1b所示的硬度分布。
圖中硬度合格區(qū)域金相組織為2級(jí)，殘留碳化物量適合，但顆粒較粗；硬度不合格區(qū)域主要為6級(jí)、8級(jí)、偶見>8級(jí)，屈氏體形狀為塊狀，大塊狀，塊狀屈氏體中部可見殘留碳化物顆粒。
1質(zhì)量問題分析
1.1原始組織均勻性較差是產(chǎn)生淬火不合格組織的原因之一
據(jù)查，上述問題出現(xiàn)期間球化退火溫度超過820℃，退火組織評(píng)級(jí)為4級(jí)(JB／T1255-1991第一級(jí)別圖)，雖屬合格，但由于部分碳化物顆粒較粗且分布不均，造成淬火工藝調(diào)整困難。為此對(duì)退火工序立即進(jìn)行了糾正，但此前生產(chǎn)的退火坯已難以返工。
1.2淬火溫度是否偏低
JB/T1255-1991標(biāo)準(zhǔn)的編制說明，出現(xiàn)6級(jí)、8級(jí)淬回火組織顯示淬火溫度偏低。而提高淬火加熱溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間可提高奧氏體中碳、鉻含量，使奧氏體成分均勻化，晶粒增大，提高淬火時(shí)過冷奧氏體穩(wěn)定性，抑制珠光體類型轉(zhuǎn)變，提高GCr15鋼淬透性，降低臨界淬火速度。據(jù)此，我們將淬火加熱溫度提高8-10℃、總加熱時(shí)間延長(zhǎng)10-15min進(jìn)行批量生產(chǎn)試驗(yàn)，硬度不合格的問題可得以解決。但不少套圈同—零件硬度差較大，達(dá)2HRC，淬回火組織中仍不時(shí)發(fā)現(xiàn)局部有少量小塊狀屈氏體存在；同時(shí)也開始有細(xì)小針狀馬氏體出現(xiàn)，淬火變形量急劇上升。直徑變動(dòng)量超差率由平均不到10%上升到25%以上，零件力學(xué)性能相對(duì)劣化。由此可見，在原始組織均勻性較差的情況下單純提高淬火加熱溫度及時(shí)間以解決硬度不合格的問題并不是最佳途徑。
1.3淬火加熱爐爐膛保溫性能、爐溫均勻性是否下降，裝爐量是否合適 經(jīng)查，裝爐量均未超過工藝規(guī)范。如下規(guī)范檢測(cè)爐溫均勻性：空載，I、II、III區(qū)儀表設(shè)定溫度均為850℃并巳達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，用5支鎧裝熱電偶在鑄鏈帶工作空間內(nèi)同一橫斷面(590mm寬x100mm高)上同時(shí)測(cè)量左上、左下、中間、右上、右下5點(diǎn)溫度，從進(jìn)料震動(dòng)導(dǎo)槽在鑄鏈帶上開口處(進(jìn)料口)起至鑄鏈帶末端(落料口)止4750mm長(zhǎng)度上各橫斷面爐溫平均值如圖2所示。
其中I區(qū)因靠近進(jìn)料口且測(cè)溫時(shí)進(jìn)科口敞開，平均溫度較低，為840℃，II區(qū)平均溫度846℃，III區(qū)平均溫度854℃，整個(gè)加熱長(zhǎng)度內(nèi)爐溫波動(dòng)平緩。對(duì)于連續(xù)式淬火加熱爐尤為重要的是工作空間內(nèi)同—橫斷面上各點(diǎn)的溫差，實(shí)測(cè)圖示c點(diǎn)至d點(diǎn)間同—橫斷面上各點(diǎn)溫差土4℃之內(nèi)，爐溫均勻性尚屬良好。實(shí)測(cè)爐殼溫升<40℃。因此，可以排除加熱爐性能與裝爐量影響均勻加熱奧氏體化的因素。
1.4淬火介質(zhì)冷卻能力是否不足
因質(zhì)量問題出現(xiàn)在鑄鏈爐淬火抽槽換用新N32機(jī)械油之后，而同期在箱式爐加熱用舊油淬火的同類型工件未出現(xiàn)硬度不合格的問題，由此分析—方面可能舊油(如前所述，因摻有部分N15機(jī)械油，其成分與老化程度巳難以追溯)冷卻能力好于新油；另一方面，在箱式爐加熱淬火時(shí)工件用鉤串或手提鐵絲淬火籃在油中搖動(dòng)冷卻，工件與淬火介質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)均勻且充分，而鑄鏈爐淬火油槽雖然容積大，具有淬火油自動(dòng)控溫裝置及兩臺(tái)齒輪油泵、一臺(tái)油攪拌機(jī)使淬火槽內(nèi)油溫均勻并穩(wěn)定控制在60-90℃之間，循環(huán)良好。但由于淬火槽深度大，油攪拌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的油流對(duì)淬火工件表面的沖刷不均勻，油攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速越高工件淬火變形越大，并且齒輪油泵與油攪拌機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的油攪動(dòng)區(qū)主要在油槽工件落料導(dǎo)槽的上、中部，赤熱工件垂直落入油槽時(shí)瞬間通過油攪動(dòng)區(qū)后即停置在油槽下部緩慢運(yùn)行的提升網(wǎng)帶上，工件與淬火油之間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢且部分工件可能互相重疊，此時(shí)如淬火油自身的冷卻能力不足，工件局部冷連低于臨界淬火速度而產(chǎn)生屈氏體轉(zhuǎn)變可能是造成部分套圈淬火后局部硬度不合格的主要原因。其后采用ISO9950標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新舊油樣的冷卻特性檢測(cè)證實(shí)了這—分析，新舊油樣的冷卻特性曲線見圖3e、f。
2淬火介質(zhì)改進(jìn)及其效果
根據(jù)以上分析，我們認(rèn)為N32機(jī)械油用于自動(dòng)生產(chǎn)線上厚壁大尺寸套圈淬火時(shí)其冷卻能力有所不足，鑒于淬火油槽的結(jié)構(gòu)緊湊難以更改，現(xiàn)在N32機(jī)械油油質(zhì)尚可，決定單純?cè)诟倪M(jìn)淬火油的冷卻特性方面進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)對(duì)比測(cè)試，我們選用北京華立精細(xì)化工公司生產(chǎn)的今禹Y15T快速光亮淬火油添加劑對(duì)該槽N32機(jī)械油進(jìn)行改性處理，加人10%添加劑后油品的冷卻特性曲線見圖3g。改性后淬火油冷速提高，最大冷速提高了20℃／s，蒸汽膜階段時(shí)間縮短近一半，最大冷速所在溫度提高了50℃，有利于抑制淬火組織出現(xiàn)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。改進(jìn)后的淬火油用與改進(jìn)前相同的加熱工藝進(jìn)行厚壁大尺寸GCr15鋼制軸承套圈淬火時(shí)，硬度全部合格，同一零件硬度差在1HRC以內(nèi)，淬火金相組織等級(jí)提高，屈氏體徹底消失，套圈經(jīng)酸洗檢查無裂紋，唯淬火變形仍較大。考慮到改進(jìn)后淬火油冷卻性能的改善，可滿足工件在較低溫度下奧氏體化產(chǎn)生的晶粒較細(xì)、碳、鉻含量較低的奧氏體所需的臨界淬火速度，既保證淬火硬度，又細(xì)化馬氏體基體組織，避免淬火裂紋，可提高GCr15鋼淬回火后的力學(xué)性能，也可提高臨界淬火直徑，擴(kuò)大GCrl5鋼的使用范圍。經(jīng)過逐步試驗(yàn)，調(diào)整工藝，采用比正常加熱溫度低2-5℃，同時(shí)調(diào)減淬火油槽油攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速，其后軸承套圈淬火硬度穩(wěn)定控制在64-65.5HRC，淬火金相2—3級(jí)，以2級(jí)為多，外徑100mm以上的套圈淬火后直徑變動(dòng)量超差率降至約7%，隨后淬火工件近3000t，其中GCrl5鋼制圓錐滾子軸承套圈最大有效壁厚達(dá)15mm、非標(biāo)滾輪軸承套圈最大有效壁厚達(dá)23mm，質(zhì)量全部合格，減少了廢品及返修損失。由于該槽N32機(jī)械油潔凈度尚好，改進(jìn)后工件淬火后表面光亮無污染，淬火時(shí)油煙少，改善了工件表面質(zhì)量和車間生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境。
3結(jié)論
(1)根據(jù)零件材質(zhì)、原始組織、淬火方式選擇適當(dāng)冷卻特性的淬火介質(zhì)并定期監(jiān)測(cè)、調(diào)整其冷卻特性對(duì)保障零件淬火質(zhì)量至關(guān)重要；
(2)在允許的范圍內(nèi)改進(jìn)淬火介質(zhì)的冷卻特性，有利于提高零件淬火后硬度及均勻性，擴(kuò)大鋼種的使用范圍，并可通過加熱工藝的調(diào)整達(dá)到減少淬火變形的效果；
(3)選擇優(yōu)質(zhì)的專用淬火油配合控制氣氛加熱爐可得到淬火后光亮潔凈的外觀質(zhì)量，減少油煙揮發(fā)，有利于實(shí)現(xiàn)熱處理清潔生產(chǎn)。