轴承钢材料及热处理.ppt

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1、张志宏 20100720,Materals&Heattreatment for bearing steel,轴承材料及热处理,轴承钢的牌号及用途轴承钢的生产轴承零件的热处理轴承钢的热处理检验常见质量问题及处理,主要内容,轴承钢分类:轴承钢一般可分为高碳铬轴承钢，渗碳轴承钢,不锈轴承钢,回转支承轴承用钢和特殊性能钢.,一:轴承钢的牌号及化学成分,轴承钢材料,常用轴承钢世界主要国家的牌号(化学成分相近):,一:轴承钢的牌号及化学成分,轴承钢材料,中外高碳铬轴承钢化学成分比较（重量%）,轴承钢材料,中外高碳铬轴承钢化学成分比较（重量%）,轴承钢材料,常用轴承钢的化学成分（重量%）,轴承钢材料,回转支

2、承轴承用钢,各国编号对照:,轴承钢材料,冶炼 浇铸 扩散退火 清理 开坯 轧制(球化退火)我国轴承钢材料的主要生产厂家有:兴澄特钢、东北特钢、大冶钢厂、上钢五厂、郑州永通、西宁特钢、无锡特钢、重钢、本钢等。,二:轴承钢的生产过程,轴承钢材料,材料及热处理标准主要有GB/T18254-2002,JB/T1255-2001,JB/T8881-2001等.高碳铬轴承钢棒材交货状态主要有热轧退火棒材/热轧不退火棒材(锻件)/冷拔退火棒材等，渗碳轴承钢是热轧（正火）材。,二:轴承钢的生产过程,轴承钢材料,高碳铬轴承钢制造的零件：套圈：热轧不退火棒材 锻造 球化退火 车削 热处理淬回火（贝氏体淬火）磨削

3、附加回火 磨削 装配滚动体：热轧不退火棒材 热冲（锻造）球化退火 车削 热处理淬回 火 磨削（附加回火）磨削 装配 退火棒材 冷冲 车削 热处理淬回火 磨削（附加回火）磨削 装配渗碳轴承钢制造的零件：套圈及滚动体：棒材 锻造（冷热冲）正火 车削 渗碳淬回火（高温回火+热处理淬回火）磨削 装配,二:轴承钢的生产过程,轴承钢材料,热处理:将金属材料加热至一定的温度,保温一定的时间,然后以一定的 速度冷却下来的工艺方法.金属材料通过正确的热处理方法,可以获得所需的性能.T 保温 冷却 加热 0 t,轴承零件热处理,一.热处理概念,1.退火:定义:将材料加热到一定温度,保温一定时间,然后缓慢冷却下来的

4、方法.目的:消除内应力,降低硬度,便于车削加工;改善组织,为最终热处理做组织准备.工艺方法:扩散退火,去应力退火,再结晶退火,（等温）球化退火,时效处理等.特别要注意等温球化退火的快冷阶段，防止网状碳化物的析出及退火组织的不均匀。79010 72010 炉冷650 GCr15轴承钢球化退火工艺 0 t,二.热处理工艺(1),轴承零件热处理,锻造组织500X 球化退火组织500X片状珠光体 球状珠光体,球化退火组织转变,轴承零件热处理,2.正火:定义:将金属材料加热到较高（Ac3或Acm以上）的温度,保温一定时间,然后空冷下来的一种工艺.目的:便于车削加工;改善组织.对于高碳钢轴承零件,一般用正

5、火来消除网状组织或消除退火过热的片状组织,在球化退火前进行正火处理可以细化晶粒。对于渗碳钢轴承零件，锻造后的正火便于切削加工；对于要求较高的轴承零件，一般渗碳后正火，然后高温回火，再进行淬火及低温回火处理。,二.热处理工艺(2),轴承零件热处理,3.淬火:定义:将金属材料加热到Ac1以上温度,保温一定时间,然后快速冷却下来的一种工艺.目的:提高硬度,强度,耐磨性，对于冶金轴承还要有较高的韧性.高碳铬轴承钢淬火分为马氏体淬火和贝氏体淬火。工艺：马氏体淬火：显微组织为隐晶或细小结晶马氏体,残留碳化物和残留奥氏体.贝氏体淬火：显微组织为下贝氏体,残留碳化物和残留奥氏体.,二.热处理工艺(3),轴承零

6、件热处理,淬火注意事项：淬火组织一定不能粗大，加热时间要保证；可采用低温慢速的办法。加热气氛的碳势要维持在1.0%C左右，保证零件表面没有脱贫碳。优化工艺参数，尽量减少变形；要认识到淬回火再整形是不得已 的措施，整形后会留下质量隐患。贝氏体淬火一定要保证在盐浴中的淬火时间(GCr15最低4小时，GCr18Mo最低5小时),以保证组织的转变时间。淬火介质对产品的质量非常重要。,轴承零件热处理,P M+K+A,淬火组织转变,轴承零件热处理,4.冷处理:由于残留奥氏体不稳定,为减少它,需要把工件冷到室温以下继续淬火,这种方法就是冷处理.由于马氏体转变终了点在-70左右,因此,冷处理温度一般是-70-

7、90.由于马氏体转变的不完全性,冷处理后仍保留有少量的残留奥氏体.冷处理必须在淬火后马上进行，一般不能超过30分钟，更不能回火后冷处理，不然冷处理的效果会大大降低；冷处理后，要自然冷到室温马上回火。如需要继续减少残留奥氏体,可采用:冷处理+活化处理+冷处理+回火 对于冶金轴承，除非有很高的尺寸稳定性要求，一般不进行冷处理。,二.热处理工艺(4),轴承零件热处理,5.回火:定义:将淬火后的零件加热到一定温度,保温一定时间,然后冷却下来的一种工艺.目的:减少内应力,稳定组织和尺寸,获得所需要的性能.工艺方法:低温回火,中温回火,高温回火.注意事项：轴承零件通常采用低温回火,一般为150200,对于

8、尺寸稳定性较高要求的可采用多次回火的办法,或适当提高回火温度的办法(行业内常称高温回火).附加回火：在粗磨后进行回火，附加回火的温度要低于原回火温度，目的是为了减少或消除磨削应力，进一步稳定组织和尺寸。,二.热处理工艺(5),轴承零件热处理,5.渗碳处理:定义:在一定温度,一定气氛,一定时间下,将工件表面层渗入碳原子,提高工件表面含碳量,通过适当的热处理工艺,获得所需性能的工艺.目的:提高表面硬度和耐磨性,心部仍保持高的韧性.工艺方法:气体渗碳,固体渗碳,液体渗碳./(浅层,中层,深层).化学热处理的基本过程主要由介质分解表层吸收扩散三个基本步骤组成。注意:渗碳温度一般比较高(90090).渗

9、碳时间一般比较长(0.050.10mm/Hr).渗碳介质一般为甲醇，煤油,乙醇,苯,丙烷等等.渗碳钢一般为低碳（合金）钢。,二.热处理工艺(6),轴承零件热处理,820-840(GCr15)800-820(GCr15SiMn)150200 油冷 0 t-70-80,三.典型零件的热处理-马氏体淬火,轴承零件热处理,850-880(GCr18Mo)840-860(GCr15)A P A B Ms 230-240 盐浴 A M 0 t,三.典型零件的热处理-贝氏体淬火,轴承零件热处理,910-940 890 150200 油冷 0 t,三.典型零件的热处理-渗碳淬火,轴承零件热处理,原材料（锻件）

10、的检验项目:化学成分,氧含量。表面缺陷（裂纹/折叠/结疤/气泡等）低倍组织（偏析/缩孔/疏松/白点/发纹等）显微组织（非金属夹杂物/碳化物网状,碳化物带状,碳化物液析/脱碳/退火组织等）退火硬度尺寸,一:轴承钢检验,轴承热处理检验,热处理检验项目:尺寸：圆度/(翘曲/锥度)/留量/硬度：表面硬度/硬度均匀性/硬度稳定性/心部硬度组织：马氏体/贝氏体/屈氏体/脱贫碳(/碳化物网状/碳化物带状/非金属夹杂物)/残余奥氏体等裂纹：软点：断口：,轴承热处理检验,二:热处理检验,三:标准硬度值,轴承热处理检验,金属材料的机械性能一般有强度,硬度,塑性,韧性等.1.硬度:定义:金属材料抵抗外力压入的能力.

11、一般常用的硬度试验有:布氏硬度:HB 用一定的负荷P,将淬硬钢球压入金属表面,卸载后留下一直径为d的球面压痕.生产上一般测得压痕直径,可直接查表.布氏硬度一般使用在硬度较低的材料检验.,轴承热处理检验,四:机械性能（1）,洛氏硬度:HR 根据压头和载荷不同,可分为HRC,HRB,HRA等等.洛氏硬度试验与布氏硬度试验原理相同,但不同的是:洛氏硬度是测量压痕的深度,并以0.002mm深度作为一个硬度单位.HR=(K-h)/0.002 生产上洛氏硬度的值直接在硬度计刻度盘上指示出来.HRC:一般是测量硬度较高的材料.HRB:一般是测量硬度较低的材料,可以代替HB.HRA:一般是测量硬度较高的材料或

12、薄壁材料或宽度小的零件.维氏硬度:HV里氏硬度:HL几种硬度的换算可以查表.,轴承热处理检验,四:机械性能（2）,2.强度与塑性:金属材料抵抗变形或断裂的能力.一般有抗拉强度/抗压强度/抗弯强度/抗扭强度等.测量材料的抗拉性能采用静拉伸试验 抗拉试验:b（Rm)抗拉强度,s（Re)屈服强度;(A)延伸率,(Z)截面收缩率 它们是衡量材料强度和塑性的重要指标.3.韧性:材料的韧性可以通过做冲击试验来获得,一般用k(KV)表示.k=Ak/F,轴承热处理检验,四:机械性能（3）,检验仪器-布氏硬度计,轴承热处理检验,轴承热处理检验,检验仪器-维氏硬度计,检验仪器-显微镜,轴承热处理检验,不合格组织-

13、片状珠光体,轴承热处理检验,光学显微镜500X,扫描电子显微镜2500X,不合格组织-碳化物网状,轴承热处理检验,X,不合格组织-碳化物带状,轴承热处理检验,500X 100X,不合格组织-碳化物液析,轴承热处理检验,不合格组织-晶界氧化(过烧),轴承热处理检验,100X,不合格组织-锻造折叠,轴承热处理检验,500X,不合格组织-脱贫碳,轴承热处理检验,500X,不合格组织-马氏体粗大,轴承热处理检验,不合格组织-非金属夹杂物,轴承热处理检验,1.硬度：退火硬度：热处理前要检验退火状态的零件硬度及组织。GCr15:179-207HB(88-94HRB),其他为179-217HB(88-97H

14、RB).若硬度不合格（过高、过低或不均匀），都要认真分析原因，可能对淬火产生影响（如，硬度不够，脱碳，过热，椭圆大等）。,应注意的几个问题,淬回火硬度：壁厚不大于12mm时，淬火后63HRC，回火后60-65HRC；可能会遇到客户提出特殊的硬度要求，如61-64HRC等，但回火后硬度公差范围要大小于3HRC；正常淬火时，硬度值主要取决于回火温度。硬度均匀性：标准规定，同一零件硬度均匀性一般为1HRC；外径大于200mm，不大于400mm时为2HRC；大于400mm时为3HRC.硬度不合格的表现：硬度高：淬火温度高或加热时间长，冷速过快，碳势（氧势）高（有增碳）。硬度低：淬火温度低或加热时间短，

15、冷速慢，碳势（氧势）低（有脱碳），材料脱碳。硬度不均匀：淬火温度低或加热时间短，冷速慢，材料脱碳，棍棒阴影。,应注意的几个问题,2.金相组织：马氏体：正常情况下，GCr15的淬火温度为840 左右，一般不超过850.GCr15SiMn的淬火温度为820 左右，一般不超过835.过高或过低的温度会造成马氏体的过热或欠热。标准规定马氏体15级合格（微型零件13级）。加严为14级，对于壁厚小（一般6-7mm以下）的产品可以13级。马氏体粗细主要与加热温度和加热时间有关。,应注意的几个问题,贝氏体:贝氏体等温淬火一般使用的材料为GCr15 和GCr18Mo，GCr15钢加工的零件有效厚度多是控制在30

16、mm内，GCr18Mo可以扩展到65mm。加热温度：不论是GCr15还是GCr18Mo，温度多865890 淬火等温温度：不论是GCr15还是GCr18Mo，其Ms点一般为225，所以在实际应用中，等温温度为235-245。保温时间一般不应小于4小时。按JB/T1255标准评定1-3级合格。贝氏体主要与加热温度和加热时间，等温温度及时间有关,应注意的几个问题,屈氏体：屈氏体是在加热或淬火时产生的非马氏体或贝氏体组织，一般我们不希望它存在，标准中规定有效壁厚不大于12mm，心部不大于12级；大于12mm时，表面3mm外心部不控制，表面3mm内允许少量屈氏体。屈氏体的产生主要是冷却不良或加热不足产

17、生，主要是冷却不良的原因。油淬火一般心部不出现屈氏体有效壁厚为8mm左右。盐淬火一般心部不出现屈氏体有效壁厚为15mm左右。加强介质的流动，提高淬火温度，增加零件间或零件与工装的间隙，盐中加水等都能减少屈氏体的产生。有时能发现表面有屈氏体，而心部没有，一般是介质中含水量太多造成的。,应注意的几个问题,残余奥氏体：残余奥氏体是马氏体转变不完全性造成的，适量的残余奥氏体对零件的寿命有利。一般淬回火有710%。深冷处理后会有4%左右，冷水处理后58%。特殊要求时可以达到1530%。一般有减少奥氏体要求的，要增加冷水处理（线上装冷冻机），温度越低，残奥就越少，减少在淬火介质中的停留时间，也会减少残奥。

18、残余奥氏体要求低于5%以下的，要采用深冷处理（-70-90）。,应注意的几个问题,3脱碳：新标准中把脱碳和贫碳统称为脱碳，按照标准轴承零件允许有一定的脱碳，但许多工厂已经开始要求零脱碳。检验脱碳可以采用硬度法或 金相法，工厂一般常用金相法。一般来说设备厂是保证0.03mm,大的零件0.06mm以内.,应注意的几个问题,零件脱碳一般是气氛原因造成的，如炉体漏气，炉压低，碳势低，气体中含氧气多，甲醇中含水高等。有时可能是原材料脱碳的遗留，只要观察不同面就可以判定。,应注意的几个问题,4变形：轴承套圈的变形形态一般有椭圆、翘曲、锥度及尺寸涨缩。不论何种变形，都是由于加热、冷却不均匀或原始状态不好，造

19、成应力分布不均匀的反映。椭圆是工厂最关注的，造成淬火变形的原因很多.淬火时,从原材料/退火/车加工/热处理设备/工装/模具/装料方法/工艺/炉温均匀性/油槽/淬火介质/零件形状等等因素都会对变形产生影响.对于变形超差产品，不建议进行整形；变形很大时,需要进行整形；对尺寸稳定性要求高的产品，不允许进行整形，直接报废处理。在自动生产线上，整形往往采用模压淬火的办法，请大家考虑是否可以采用旋转淬火机的办法。可考虑改善盐流动的方向以改善椭圆变形及锥度。淬火介质温度越高，椭圆变形越小，但冷却能力会降低。,应注意的几个问题,一般情况下高碳铬轴承钢套圈采用回火后整形;渗碳轴承套圈用模具整形；均不允许砸形。回

20、火后的整形步骤:内撑 带顶回火 卸顶 回火 检验。决不能减少步骤.整形不正确会出现磨削变形或成品变形。不考虑其他因素，热处理设备（辊底炉)方面目前能够满足椭圆的要求（对于2，3，4类，不含冷挤压套圈）：外径不大于50mm的套圈，90%数量可以达到规定值的50%，外径50-120mm的套圈，90%数量可以达到规定值的70%，外径120-200mm的套圈，90%数量可以达到规定值的80%，要注意考虑个别产品（3%）异常的因素。也可以使用GB2828抽检及判定方案，一般按GB2828标准抽样判定，其中检验水平为，AQL 值为4.0,应注意的几个问题,尺寸涨缩：正常的尺寸涨缩是热处理的正常规律，若没有

21、外力约束，油淬火外径涨大0.81.2，盐淬火外径涨大1.01.5.壁厚越大涨大量越大，应取上限。壁厚很薄时，涨大量很小，甚至不涨或缩小。要注意调整车削留量。,应注意的几个问题,5零件外观：影响零件的外观因素很多，如气氛均匀性，气氛纯度，炉压，碳势，炉体结构，炉体密闭性，清洗防锈性，淬火介质等等。一般油淬火后工件是银灰色，盐淬火后蓝褐色。外观不好一般表现有：花脸，花斑，生锈，颜色不正等。花脸：前清洗不干净，炉压低，甲醇流量过大，甲醇含水，氮气纯度差，油淬下料口密闭性差，炉体局部漏气。花斑：前清洗不干净，甲醇流量过大，油淬下料口密闭性差，油幕帘不好，炉体局部漏气，盐槽上部积盐，盐中杂质。生锈：碳势

22、（氧势）过高，炉内积碳，后清洗防锈性差。,应注意的几个问题,关于SEP1520 SEP1520是德国的标准，目前在欧洲大多使用该标准，用于评价碳化物的组织，只有标准图片及检验方法，无判定界限；一般情况2、3、4、5与退火有关，基本与淬火无关。1类 铁素体含量（Amount of Ferrite FA)1.01.9 100X2类 碳化物尺寸（Size of Carbide CG)2.02.5 1000X3类 珠光体含量（Amount of Perlite PA)3.03.9 1000X4类 网状碳化物(Carbide Network CN)4.04.9 1000X5类 网状碳化物(Carbide Network CN)5.05.9 200X(淬火后）6类 带状碳化物(Carbide Streaks ZN Closed form)6.06.9 100X（液析）7类 带状碳化物(Carbide Streaks ZN Looser form)7.07.9 100X（带状）,应注意的几个问题,