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轴承热处理技术及其装备

发布者::admin   发布时间: :2013-03-21 19:05 浏览次数: :

 一、轴承热处理技术的发展趋势
轴承热处理直接关系着后续的加工质量,以致最终影响零件的使用性能及寿命,同时轴承热处理又是轴承制造中的能源消耗大户和污染大户。轴承的热处理装备直接影响轴承热处理质量,以及能源消耗和污染。近年来,随着科技的进步,热处理技术的发展趋势主要体现在以下几个方面:
(1)清洁热处理热处理生产形成的废水、废气、废盐、废油及电磁辐射等均会对环境造成污染。解决热处理的环境污染问题,实行清洁热处理(或称绿色环保热处理)是热处理技术发展的方向之一。这对于热处理的气氛、淬火油和清洗设备都提出了高要求。
(2)精密热处理精密热处理就是充分保证优化工艺的稳定性,实现产品质量分散度很小(或为零)、热处理畸变为零,减少磨削留量提高生产效率,节约材料。实现精密热处理必须有良好的炉温均匀性、控温准确性,以及淬火剂良好的冷却性和稳定性。实现轴承的精密热处理可以走整体淬火和感应淬火两条路。
(3)节能热处理选用新型的保温材料以提高热处理装备的能源利用率;优化热处理工艺,提高工艺产量,充分发挥设备的能力。现阶段各轴承厂家都在做这方面的试验,例如充分利用废热、余热,有些厂家已利用锻造余热进行轴承零件的球化退火;采用耗能低、周期短的工艺替代周期长、耗能大的工艺等;下贝氏体淬火工艺在一定程度上、一定范围内,用较短的贝氏体淬火工艺替代了周期长、耗能大的渗碳工艺。
(4)少无氧化热处理由采用保护气氛加热替代氧化气氛加热到精确控制碳势、氮势的可控气氛加热,热处理后零件的性能得到提高,热处理缺陷如氧化、脱碳和裂纹等大大减少,热处理后的精加工留量减少,提高了材料的利用率和机加工效率。真空加热气淬、真空或低压渗碳、渗氮、氮碳共渗及渗硼等可明显地改善工件质量,减少畸变,提高寿命。
二、轴承热处理装备
1.退火设备
现阶段我国的退火设备是氧化炉和保护气氛炉共存,氧化炉多于保护气氛炉;周期炉和连续炉共存,且周期炉多于连续炉。美国、英国、日本等国家早在20世纪六七十年代就已全面推广推杆式和辊底式等温球化退火炉,缩短退火周期,节约能源,并提高退火质量。随着轴承零件加工技术的发展,以及精密锻造和精密辗扩(冷辗)工艺的采用,零件毛坯的加工精度越来越高,由此带来了对保护气氛退火的需求。轴承行业应迅速推广保护气氛球化退火,以减少退火后的氧化脱碳,提高加工效率,节材节能,降低成本。
2.常规马氏体淬火的工装设备
现阶段我国轴承行业常规马氏体淬火的工装设备参差不齐,从保护介质上可分为无保护介质的氧化炉、可控气氛炉和真空炉。无保护介质的氧化炉占轴承热处理装备的25%左右,有保护介质的少无氧化炉占轴承热处理装备的50%左右,可控气氛炉占轴承热处理装备的20%左右,真空炉占轴承热处理装备的5%左右。从生产周期上可分为周期炉和连续炉。
近几十年来,马氏体淬火的工装设备发展主要集中在以下几个方面:
(1)自动化生产线目前,国内采用的自动生产线按其结构(或工件在炉中的运动方式)可分为:有马弗网带炉、无马弗网带炉、铸链炉、辊底炉、滚筒炉网带炉和转底炉系列生产线,上料、前清洗、保护气氛(或可控气氛)下加热、淬火、后清洗(有时还进行二次深冷辊底炉进行二次深冷)及回火均自动完成。生产线自动化程度及控制精度高,处理后工件的质量均匀,整条热处理生产线可作为轴承自动生产线的一部分使用。不同的热处理生产线根据其结构特点适用于不同类型和尺寸的轴承零件的热处理,如网带炉适用于中小型轴承套圈;转底炉适用于小批量轴承套圈;辊底炉配有自动升降淬火装置,适用于壁厚较大的轴承零件;滚筒炉适用于滚动体及小型套圈。
(2)多用炉即可在可控气氛下渗碳或碳氮共渗,又可在保护气氛下淬火,完成工件的无氧化淬火工艺过程。它是一种周期炉,主要适用于小批量、多品种的轴承零件热处理。
(3)感应加热淬、回火设备感应加热具有加热速度快、节能和变形小等优点,处理后的工件具有一些常规加热所没有的性能。我国现阶段轴承热处理应用主要集中在转盘轴承和轿车轮毂轴承上,而在GCr15钢上基本没有应用。
(4)真空炉真空状态下加热可减少或避免工件的氧化,配合高压气淬可控制工件的冷却及变形,避免了油淬带来的环境污染问题,实现清洁热处理。另外,真空热处理后,工件的显微组织更加细小均匀,表面与心部组织一致,硬度均匀,有利于轴承疲劳寿命的提高。真空炉主要应用在特殊钢的热处理(加热温度在1 000℃以上)和一些要求较高的GCr15钢制的轴承零件的淬火上,在我国轴承热处理领域应用较广。真空炉的发展趋势是超高压气淬火代替油淬火,以及应用真空渗碳炉等以解决新钢种在轴承领域的应用。
(5)淬火冷却介质及装备淬火介质可分为三大类:油基、水基和气体淬火介质。油基淬火介质是最常用的淬火介质。普通的淬火油是N32或N22全系统损耗用油,为提高其冷却性能、抗老化性能、光亮性能和高温性能等分别加入催冷剂、清洗剂、光亮剂和抗氧化剂,形成了快速油、快速光亮油和高温分级等温油等系列淬火油,以应用于不同尺寸和要求的轴承零件的淬火;另外,还有低挥发性的真空淬火油。油基淬火介质的缺点是在淬火过程中产生油烟造成空气污染,在随后的清洗过程中造成水污染。
水基淬火介质是由有机聚合物、抗腐蚀剂和其他添加剂组成的水溶液。通过改变有机聚合物的类型和浓度可得到不同的冷却特性,以适合于不同轴承零件的淬火冷却要求。在淬火冷却过程中,有机物附着在零件表面,可减少零件淬火开裂的危险性,且不产生油烟,清洗方便,无污染,是淬火介质的发展方向。
气体淬火是采用惰性气体为介质(常用的氮气),把压缩气体通过特殊设计的喷嘴喷射到工件表面,以实现工件的淬火冷却。通过调节气体的压力和喷嘴的结构可以控制冷却特性和变形。气体淬火比水基淬火更洁净,且成本更低,其关键技术是喷嘴的结构设计。我国气体淬火在轴承领域还处于起步阶段,在喷嘴的结构设计技术方面还有一定差距。
淬火冷却装备是除淬火介质外影响工件淬火效果的另一大因素。我国现阶段淬火冷却装备控制参数较少,一般只对油温和油的循环进行控制。国外对常用的淬火油槽实行多参数控制,如油温、油的冷却特性、油的循环与搅拌的方向,以及速度、工件入油的方式等,以求得到最佳的淬火组织与性能,同时把变形减小到最小程度。我国一些轴承厂家也在尝试多参数控制,特别是通过对圆锥轴承进行工件入油方式的控制来解决轴承零件淬火过程中角度的变化。
多工位自动淬火压床在我国已应用,但自动化程度赶不上国外。
(6)清洗设备清洗通常是油淬后的必备工序。连续生产线所用的清洗设备一般完成热皂水浸泡、清水喷淋和热风烘干等过程,并带有油水分离装置。在先进的清洗设备中,烘干前还加有二次冷却装置(配有制冷设备,温度在5~10℃之间可调),以减少残留奥氏体的含量,提高尺寸的稳定性。我国现阶段的清洗设备主要采用高压清洗液清洗,这种清洗对不通孔和小的油沟无效,往往造成回火油烟多、污染大,有时还造成着火。
真空清洗是近年来发展起来的清洗设备。该类清洗设备的优点是:清洗效果好,尤其是对结构复杂零件的清洗效果更为显著,清洗后工件表面光亮;安全、清洁,清洗液为清水,不添加对环境有害的氯化物和石油类溶剂;自动化程度高,且可利用清洗加热替代低温回火,节省回火费用。近年来,超声波清洗、涡流清洗在热处理上的应用效果也很好。
3.贝氏体等温淬火装备
根据轴承加工的特点,所使用的设备主要有两大类:自动生产线和周期炉。
(1)自动生产线品种少、批量大的轴承适合自动化生产,如铁路轴承的生产多使用自动生产线。自动生产线主要由保护气氛加热炉和等温淬火槽组成,其中等温淬火部分所用设备按运送工件的动作又可分为三类:转底式、推盘式及输送带式。由爱协林公司开发的转底式、推盘式等温淬火设备是把转底或推盘机构置于等温盐浴中,工件按一定的节拍进出,记忆控制顺序出料,动作由PLC程序控制。该类设备自动化程度高,但投资大。
(2)周期式等温淬火设备轧机轴承由于品种多、批量小,中小型轧机轴承生产厂家多采用箱式炉或井式炉+淬火冷却槽+等温槽+清洗槽,也有采用箱式炉+多个等温槽。该配置投资少,适用性强,但劳动强度大,安全性差。目前,在贝氏体等温淬火大力推广之际,以贝氏体等温淬火替代渗碳钢用在负荷较小的轧机轴承上在我国已成功得到应用。
4.保护气氛及控制
随着对工件淬火后表面质量要求的提高,保护(可控)气氛加热越来越普及,包括退火在内的热处理均采用保护(或可控)气氛加热。20世纪70年代,主要采用吸热式气氛。吸热式气氛是原料气和空气的混合气体在催化剂的作用下部分反应形成一种含(CO)18%~23%、(H2)37%~42%、余量N2的保护气氛,这种气氛在我国轴承热处理领域还有应用。氮基丙烷气氛在我国轴承领域的热处理淬火线上应用最广,氮甲醇气氛的组份与吸热式气氛相近,以氮-甲醇为代表的氮基气氛在网带炉上应用较多。90年代,出现了把空气和碳氢化合物直接通入高于800℃炉膛内的产气方法,即直生式气氛。通过研究发现,这种含有高CH4成分的气氛,虽然其气体反应达不到类似于吸热式气氛的平衡程度,但其碳的传输能力还是由气氛中CO与H2的含量来控制,用氧探头结合CO2分析仪进行碳势控制是可以实现的。直生式气氛的主要优点是大量节省了原料气消耗量,据统计这种气氛无论用在周期式气氛炉还是连续性气氛炉上,其原料气消耗节省费用均可达70%左右。今天,全球约有300多台套气氛炉使用这种气氛进行渗碳、碳氮共渗和保护气氛淬火等多种热处理。直生式气氛在我国轴承领域多应用在渗碳领域。
近几年的实际应用表明,氧探头的使用寿命是不好确定的,氧探头测量的碳势与实际值之间差异也是不可预见的。因此,可控气氛有时因为氧探头的失效而不可控,造成脱碳氧化等缺陷。我国现阶段常采用定期校验其测量精度,不利于炉子实现全自动化,有时甚至会影响正常生产。
鉴于上述原因,国外开发了一个双重测量系统,其中一个带标准氧探头用于正常的控制碳势,另一个独立测量系统用于检测这个氧探头的工作状况,即这两个系统分别测量气氛的碳势,当结果出现很大偏差时,就会报警。第二个测量系统工作元件可以是CO2红外分析仪,也可以是一个微型氧探头(λ—探头)。迄今为止,已有许多气氛炉安装了这种双重测量系统。
综观整体,国内轴承热处理技术和装备较发达国家还有很大距离,特别是在退火装备上差距更大。轴承热处理技术和装备较其他行业也有一定距离,提高轴承质量关系到中国装备制造业的振兴。