轴承钢热处理工艺及组织分析

【摘　要】本试验采用GCr15钢，分别对其进行了不同的热处理工艺试验，对其处理后的组织观察与分析，并进行了试样硬度的测定。

【关键词】GCr15钢；正火；等温球化退火；淬火

轴承钢是指用于制作在不同环境中工作的各类滚动套圈和滚动体的钢的统称。高碳铬轴承钢自上世纪初问世至今已有100多年的历史。从它诞生至今，化学元素的含量几乎没有变化，但其疲劳寿命却成倍甚至几十倍的提高，原因就在于轴承材料的纯净度提高了。轴承钢纯净度的提高，主要依赖于冶金工艺的现代化、炉外精炼技术的普遍采用[2]。

热处理是通过加热和冷却的方法使金属内部组织结构（有的包括表面化学成分）发生变化，以获得预期性能的工艺方法。这些性能包括工艺性能、力学性能和化学性能，在现代机械制造工业中主要指材料的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性等。因此进行热处理是提高零件使用性能、保证产品质量、改造加工工艺性、发挥材料潜力和节约原材料的重要途径。

本试验针对GCr15钢制订不同的热处理工艺并采用RSX-2.5-10实验箱式电阻炉对其进行处理，然后制备金相试样，对磨抛后的试样用4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，在光学金相显微镜上对其组织进行观察与分析，在硬度试验计上测定试样硬度，最后将实验结果进行综合分析。

一、试验材料

本实验用材为供货态GCr15钢棒材。将其加工成Φ15×25（mm）试样，其化学成分和临界点。

表1

二、试验设备

采用UJ-37型测温直流电位差计进行炉温校核，热处理加热设备采用RSX-2.5-10型箱式电阻炉，在M3225型台式砂轮机上进行试样打磨，分别用200#、400#、600#、800#、1000#帆船牌水砂纸磨制金相试样，在P-2型抛光机上进行抛光，用4%的硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，在OLYMPUS PMG3型光学金相显微镜上进行显微组织观察与分析，在HB-3000型布氏硬度试验机和HRD-150型电动洛氏硬度试验计上测定试样的硬度值。

三、参数拟定

GCr15钢完全退火、正火、高温淬火工艺，都是将工件加热到单相奥氏体区，然后根据不同性能的需求进行冷却，其具体工艺见下表。

表2

GCr15钢的正常淬火工艺是将工件加热到Ac1以上50～80℃、等温球化退火工艺是将工件加热到Ac1以上20～30℃然后在Ar1以下10～20℃等温一定时间[1]，根据钢的临界点及试验目的要求，其具体工艺见表2。

四、试验结果分析

（一）供货态组织、完全退火组织的分析

GCr15钢供货态组织为索氏体＋断续细网状渗碳体。GCr15钢经930℃×40min退火的组织为粗大片状珠光体和网状二次渗碳体。与T10钢的完全退火组织相比，珠光体片间距减小，沿晶界析出的网状渗碳体变细，主要原因是GCr15中含有碳化物形成元素Cr，在随炉冷却过程中碳原子扩散受阻，因此从奥氏体中析出量减少，而形成片间距较细的珠光体及沿其晶界析出的细网状渗碳体[4]。

（二）正火组织、等温球化退火组织的分析

GCr15钢经930℃×40min正火处理后的组织与T10钢相比，除屈氏体外＋沿晶界分布的渗碳体颗粒更细小而又少。其原因是冷速快，该钢的C曲线与T10钢相比右移，实际相变速度减缓，在相同的冷速下碳从过冷奥氏体中的析出量少所致。

等温球化退火所得组织为球状珠光体，其组织中的碳化物颗粒与T10钢相比更细小。原因是钢中含有铬元素，碳原子聚集长大倾向较T10钢小，故形成的颗粒状渗碳体较小。

（三）正常淬火组织、高温淬火组织的分析

正常淬火的组织为细小针状马氏体和残余奥氏体及未溶的颗粒状的碳化物。

轴承钢淬火温度虽比T10钢高出50℃左右，但该组织中的马氏体针却很短。因为轴承钢中含有碳化物形成元素Cr，Cr有抑制奥氏体晶粒长大的作用，故在加热时形成的奥氏体晶粒细小，淬火后获得细小针状的马氏体。

高温淬火组织为粗大针状马氏体和比较多的残余奥氏体。与T10钢相比临界冷速较慢，也就是说过冷奥氏体的稳定性比较好，故淬火后得到粗大的马氏体和残余的奥氏体。

（四）不同回火温度下组织的分析

正常淬火+低温回火组织为隐针回火马氏体和细小粒状的未溶碳化物。

由此可看出，正常淬火+中温回火组织为回火屈氏体＋细小未溶的粒状碳化物。正常淬火+高温回火组织为回火索氏体＋细小粒状的碳化物。正常淬火+更高温回火组织为回火球状珠光体。

关于挖掘机回转支承打齿的问题分析

引言

履带式液压挖掘机在挖掘时，铲斗受到地面的反作用力，由于回转支承内、外圈存在轴径向间隙、回转减速机驱动小齿与减速机壳体间隙，造成回转减速机驱动小齿与回转支承在轴向上相对倾斜。分析原因后，提出了更改了回转减速机齿形结构及回转支承内齿圈热处理条件的方案，能够有效减少打齿的现象。

(运转世界大国龙腾 龙出东方 腾达天下 龙腾三类调心滚子轴承 刘兴邦CA CC E MB MA)

1、问题背景和描述

履带式液压挖掘机在作业过程中，需在各个角度都可以作业。

就需要履带式液压挖掘机在360°转动。回转机构（图1）主要由回转减速机、回转支承组成。回转减速机与回转平台用螺栓固定，回转支承内齿圈与行走装置固定，外齿圈与回转平台固定。高压液压油作用回转马达，使得回转马达带动减速机驱动小齿转动，通过齿轮传动使得回转支承的内、外齿圈相对转动，从而实现履带式液压挖掘机在工作中可以实现3600转动。

当前技术系统存在的问题：履带式液压挖掘机在挖掘时，铲斗受到地面的反作用力，使得回转支承出现打齿（图2）现象。

2、问题分析

因挖掘机冲击载荷较大，故回转支承经常出现打齿的现象。造成挖掘机回转支承断齿的原因有多种，经对回转支承内齿圈断裂截面的调研和分析发现，断齿的作用力并非是轴向回转驱动力，而是与之啮合的驱动齿对其施加的径向挤压力，且挤压时驱动齿的轴线与回转支承的轴线不平行。

通过对回转支承内齿圈断裂截面的分析，回转支承内、外圈存在轴径向间隙、回转减速机驱动小齿与减速机壳体间隙、驱动齿轴的弹性变形，造成回转减速机驱动小齿与回转支承在轴向上相对倾斜。相对倾斜的回转减速机驱动齿，本应回转支承滚道承担的径向载荷却由齿轮承担，在齿轮机构啮合过程中对回转支承内齿圈向挤压力集中作用于齿宽的上部。开始时齿轮由塑性变形来补偿齿侧间隙的不足，随着回转支承滚道及回转减速机轴承等部件的进一步磨合，其径向间隙渐加大，而变形量确实有限的。通过受力分析可以看到：驱动齿对回转支承内齿圈的挤压法向力是地面对斗的发作用力的几倍甚至是十几倍。因此，造成打齿的主要原因是回转减速机驱动齿的轴线与回转支承的轴线相对倾斜，较大的冲击载荷集中作用于回转支承内齿圈齿宽的上部。

3、问题解决

基于以上原因的分析，可得到以下解决方案

方案一：为了使挖掘机回转传动过程中转动相对灵活，需要回转减速机驱动小齿与减速机壳体和回转支承内、外圈的间隙为“正”，但又为了挖掘机在挖掘作业时回转减速机驱动小齿与回转支承内齿圈不产生相对倾斜，需要回转减速机驱动小齿与减速机壳体和回转支承内、外圈的间隙为“负”，即，回转减速机驱动小齿与减速机壳体和回转支承内、外圈的间隙既要大又要小。将回转支承内齿圈每个齿进行分段热处理方式，热处理区包括正常硬度区、过渡区、软带区。回转减速机驱动小齿对回转支承的挤压会使回转支承内齿圈发生塑性变形而不至于将内齿圈挤断。

方案二：原回转减速机驱动小齿为直齿轮，将驱动小齿改进为鼓型齿：在轴向方向上直径不相等呈现上小下大的状态，且从齿轮下边到上边有半径为R的圆弧状方式。带锥度圆弧状齿轮形状，在冲击或重载荷下，回转减速机驱动小齿与回转支承相对倾斜时，齿轮啮合过程中能够平稳的过渡，不至于造成回转支承内齿圈局部受到较大的侧向挤压力而折断。

4、结论

对于分段热处理的回转支承内齿圈，软带区在回转减速机驱动小齿中心线与回转支承中心线相对倾斜时，回转减速机驱动小齿对回转支承的挤压会使回转支承内齿圈发生塑性变形而不至于将内齿圈挤断。能够有效的减少打齿的现象发生。

对比直型驱动小齿轮，这样带锥度圆弧状齿轮形状，在冲击或重载荷下，回转减速机驱动小齿与回转支承相对倾斜时，齿轮啮合过程中能够平稳的传动。而不会因轴承、回转支承内外齿圈的间隙引起回转减速机驱动小齿中心线与回转支承中心线相对倾斜造成对回转支承内齿圈的侧向挤断。