3 貝氏體等溫淬火

3.1 貝氏體淬火的組織與力學(xué)性能

高碳鉻軸承鋼經(jīng)下貝氏體淬火后，其組織由下貝氏體、馬氏體和殘余碳化物組成。其中貝氏體為不規(guī)則相交的條片，條片為碳過飽和的α結(jié)構(gòu)，其上分布著與片的長軸成55~60°的粒狀或短桿狀的碳化物，空間形態(tài)為凸透鏡狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)纏結(jié)，未發(fā)現(xiàn)有孿晶亞結(jié)構(gòu)。貝氏體的數(shù)量及形態(tài)因工藝條件不同而各異。隨淬火溫度的升高，貝氏體條變長；等溫溫度升高，貝氏體條變寬，碳化物顆粒變大，且貝氏體條之間的相交的角度變小，逐趨向于平行排列，形成類似與上貝氏體的結(jié)構(gòu)；貝氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)與等溫轉(zhuǎn)變時(shí)間有關(guān)的過程，等溫淬火后的貝氏體量隨等溫時(shí)間的延長而增加[5,19]。

高碳鉻軸承鋼下貝氏體組織能提高鋼的比例極限、屈服強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷面收縮率，與淬回火馬氏體組織相比，具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性及尺寸穩(wěn)定性，表面應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力。

高的門坎值ΔKth和低的裂紋擴(kuò)展速度da/dN則代表貝氏體組織不易萌生裂紋，已有的裂紋或新萌生的裂紋也不易擴(kuò)展[2,19,20]。

一般認(rèn)為,全貝氏體或馬/貝復(fù)合組織的耐磨性和接觸疲勞性能低于淬火低溫回火馬氏體，與相近溫度回火的馬氏體組織的耐磨性和接觸疲勞性能相近或略高。但潤滑不良條件下(如煤漿或水這類介質(zhì))，全BL組織呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，具有比低溫回火的M組織還要高的接觸疲勞壽命，如水潤滑時(shí)全BL組織的L10=168h，回火M組織的L10=52h[21]。

3.2生產(chǎn)應(yīng)用

3.2.5應(yīng)用效果

BL組織的突出特點(diǎn)是沖擊韌性、斷裂韌性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性好，表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。因此適用于裝配過盈量大、服役條件差的軸承，如承受大沖擊負(fù)荷的鐵路、軋機(jī)、起重機(jī)等軸承，潤滑條件不良的礦山運(yùn)輸機(jī)械或礦山裝卸系統(tǒng)、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼BL等溫淬火工藝已在鐵路、軋機(jī)軸承上得到成功應(yīng)用，取得了較好效果。

(1)擴(kuò)大了GCr15鋼應(yīng)用范圍，一般地GCr15鋼M淬火時(shí)套圈有效壁厚在12mm以下，但BL淬火時(shí)由于硝鹽冷卻能力強(qiáng)，若采用攪拌、串動(dòng)、加水等措施，套圈有效壁厚可擴(kuò)大至28mm左右。

(2)硬度穩(wěn)定、均勻性好:由于BL轉(zhuǎn)變是一個(gè)緩慢過程，一般GCr15鋼需4h，GCr18Mo鋼需5h，套圈在硝鹽中長時(shí)間等溫，表面心部組織轉(zhuǎn)變幾乎同時(shí)進(jìn)行，因此硬度穩(wěn)定、均勻性好，一般GCr15鋼BL淬火后硬度在59～61HRC,均勻性≤1HRC，不象M 淬火時(shí)套圈壁厚稍大一些就出現(xiàn)硬度低、軟點(diǎn)、均勻性差等問題。

(3)減少淬火、磨削裂紋:在鐵路、軋機(jī)軸承生產(chǎn)中，由于套圈尺寸大、重量重，油淬火時(shí)M組織脆性大，為使淬火后獲得高硬度常采取強(qiáng)冷卻措施，結(jié)果導(dǎo)致淬火微裂紋；由于M淬火后表面為拉應(yīng)力，在磨加工時(shí)磨削應(yīng)力的疊加使整體應(yīng)力水平提高，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。而BL淬火時(shí)，由于BL組織比M組織韌性好得多，同時(shí)表面形成高達(dá)-400～-500MPa的壓應(yīng)力，極大地減小了淬火裂紋傾向[19]；在磨加工時(shí)表面壓應(yīng)力抵消了部分磨削應(yīng)力，使整體應(yīng)力水平下降，大大減少了磨削裂紋。

（4）軸承使用壽命提高:對(duì)于承受大沖擊載荷的鐵路、軋機(jī)軸承等，經(jīng)M淬火后使用時(shí)主要失效形式為：裝配時(shí)內(nèi)套開裂，使用過程中受沖擊外圈擋邊掉塊、內(nèi)圈碎裂，而等溫淬火軸承由于沖擊韌性好、表面壓應(yīng)力，無論裝配時(shí)內(nèi)套開裂，還是使用過程中外套擋邊掉塊、內(nèi)套碎裂傾向性大大減小，且可降低滾子的邊緣應(yīng)力集中。因此，經(jīng)等溫淬火后比M淬火后平均壽命及可靠性提高。

SKF公司把高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝主要應(yīng)用于鐵路軸承、軋機(jī)軸承以及在特殊工況下使用的軸承，同時(shí)開發(fā)了適合于貝氏體淬火的鋼種（SKF24、SKF25、100Mo7）[19]。其淬火時(shí)采用較長的等溫時(shí)間，淬后得到全下貝氏體組織。近來SKF又研制出一種新鋼種775V[22]，并通過特殊的等溫淬火得到更均勻的下貝氏體，淬后硬度增加的同時(shí)其韌性比常規(guī)等溫淬火提高60%，耐磨性提高了3倍，處理的套圈壁厚超過100mm。部分等溫后得到M/BL復(fù)合組織的性能尚有爭議，如BL的含量多少為最佳等。即使有一最佳含量，在生產(chǎn)實(shí)際中如何控制，且復(fù)合組織在等溫后還需進(jìn)行一次附加回火，增加了生產(chǎn)成本。FAG公司主要采用貝氏體分級(jí)淬火工藝，其具體的工藝狀況不詳。

4 滲碳、滲氮及碳氮共滲

4.1 低碳鋼滲碳、滲氮及碳氮共滲

滲碳是傳統(tǒng)的表面化學(xué)熱處理工藝，滲碳鋼（低碳低合金鋼、低碳高合金高溫滲碳鋼）經(jīng)滲碳淬火后表面高硬耐磨、心部強(qiáng)韌。滲碳工藝發(fā)展一方面是滲碳介質(zhì)的改進(jìn)，如加入增加滲速的添加劑，采用強(qiáng)滲--擴(kuò)散的交替循環(huán)工藝提高滲速、改善滲層組織等。

隨著真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空低壓滲碳及等離子滲碳。易普森等公司[23]開發(fā)的乙炔低壓滲碳工藝是在10mbar以下的低壓下，以乙炔為滲碳介質(zhì)在真空爐內(nèi)進(jìn)行。其特點(diǎn)是滲速快、滲層均勻、碳黑少、滲后工件光亮；另外，對(duì)滲層要求較薄的沖壓滾針軸承類零件碳氮共滲或滲碳而言，滲層深度、成分的控制及如何提高滲速更是一大難題，采用真空低壓滲碳技術(shù)將有利用解決這些問題。

對(duì)高合金滲碳鋼進(jìn)行等離子滲碳可提高滲速、減少表面粗大碳化物的形成[24]。對(duì)低碳鋼制滾針軸承內(nèi)外圈及保持架采用滲氮或碳氮共滲，可提高其耐磨性及耐蝕性、降低摩擦系數(shù)。

4.2高碳鉻軸承鋼的滲碳或碳氮共滲

高碳鉻軸承鋼一般是整體淬硬，淬后的殘余應(yīng)力為表面拉應(yīng)力狀態(tài)，易造成淬火裂紋、降低軸承的使用性能。通過對(duì)其進(jìn)行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點(diǎn)，在淬火過程中表面后發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成表面壓應(yīng)力，提高耐磨性及滾動(dòng)接觸疲勞性能[25，26]。最近的研究還表明：高碳鉻軸承鋼經(jīng)滲碳或碳氮共滲后還可提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命[25~27]。一般，在淬火加熱時(shí)，通過控制氣氛的碳（氮）勢(shì)，可達(dá)到以上目的。但如果對(duì)高碳鉻軸承鋼進(jìn)行超常滲碳（碳勢(shì)>2%），則必須加大加工余量，去除滲碳淬火后表層的粗大碳化物。

4.3 工藝控制

滲碳（滲氮或碳氮共滲）氣氛的檢測(cè)和控制是關(guān)鍵參數(shù)，最早是采用露點(diǎn)儀、CO2紅外分析儀，目前主要采用氧探頭來檢測(cè)碳勢(shì)（或氮?jiǎng)荩浞磻?yīng)速度快，可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，配合CO2紅外分析儀或其他測(cè)量措施（如易普森開發(fā)的HydroNit探頭[28]）可對(duì)碳勢(shì)（或氮?jiǎng)荩?shí)行精確控制。

工藝控制的另一方面是滲碳（滲氮或碳氮共滲）過程的計(jì)算機(jī)模擬控制。碳在鋼中傳遞和擴(kuò)散的計(jì)算機(jī)模擬開始于20世紀(jì)80年代，之后進(jìn)一步開發(fā)了人機(jī)對(duì)話軟件（Carb-o-Prof），使人們可以現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算不同鋼種在滲碳過程中任一時(shí)間碳的傳遞與擴(kuò)散速度。該軟件考慮了溫度、碳勢(shì)等工藝參數(shù)變化的影響，可以實(shí)現(xiàn)所需的表面碳含量及滲層深度的工藝參數(shù)的計(jì)算，并能根據(jù)工藝過程中的參數(shù)發(fā)生的變化或出現(xiàn)的干擾自動(dòng)調(diào)整碳勢(shì)、滲碳時(shí)間等工藝參數(shù)，以達(dá)到工件預(yù)定的要求。最近，又推出了“Carb-o-Prof-Expert”專家系統(tǒng)。該軟件集成了大多數(shù)滲碳鋼及滲碳淬火的物理冶金知識(shí)、設(shè)備性能、工件的技術(shù)要求等數(shù)據(jù)，只要向計(jì)算機(jī)輸入工件的鋼種、重量、幾何尺寸、淬透性、滲層要求及爐型等數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)便會(huì)輸出一個(gè)滲碳工藝，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)該工藝[29]。

5表面改性技術(shù)

5.2 離子注入

離子注人與其他表面強(qiáng)化技術(shù)相比，具有以下的顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)離子注人后的零件，能很好地保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，不需要再做其它表面加工處理,很適合于航空軸承等精密零件生產(chǎn)的最后一道工序；(2)原則上不受冶金學(xué)或平衡相圖的限制，可根據(jù)零件的工作條件和技術(shù)要求，選擇需要的任何注人元素，注人劑量和能量，獲得預(yù)期的高耐磨性或耐腐蝕性等特殊要求的軸承表面，靈活性大，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)基體材料的選擇也可以適當(dāng)放寬，從而可節(jié)省貴重的高合金鋼材和其它貴重金屬材料；(3)注入層與基體材料結(jié)合牢固可靠、無明顯界面，在使用中不會(huì)產(chǎn)生脫落和剝皮現(xiàn)象，這對(duì)提高軸承壽命和工作可靠性來說非常重要；(4)離子注人是一個(gè)非高溫過程，可以在較低的溫度下完成，零件不會(huì)發(fā)生回火、變形和表面氧化；（5）具有很好的可控性和重復(fù)性。歐美等國對(duì)離子注入進(jìn)行了大量的研究[30~37]。

美國海軍實(shí)驗(yàn)室從1979年起進(jìn)行了軸承零件離子注入的研究，英國、丹麥和葡萄牙等國從1989年開始進(jìn)行與美國海軍實(shí)驗(yàn)室類似的工作。結(jié)果表明：注入鉻離子能顯著提高M(jìn)50鋼的抗腐蝕性能，而且抗接觸疲勞性能也有所提高；此外還用注人硼離子來提高儀表軸承的抗磨損能力；對(duì)軸承鋼52100進(jìn)行氮等離子源離子注入（PSⅡ）后在表面形成薄層氮化物，可提高軸承鋼的耐蝕性，用于代替昂貴的不銹鋼；對(duì)SUS440C不銹鋼球軸承進(jìn)行氮、硼離子注入可減小球軸承微小擺動(dòng)的微振磨損及軸承的灰塵排放，另外，對(duì)不銹鋼進(jìn)行（Ti+N）或（Ta+N）等離子體浸沒離子注入（PSⅢ）可顯著提高其顯微硬度、耐磨性和壽命。

5.2 表面涂覆

表面涂覆技術(shù)包括：物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（Plasma spraying coating, PSC）、化學(xué)鍍等[38~42]。PVD與CVD相比，其工藝過程中被處理工件的溫生低，鍍后不需再進(jìn)行熱處理，再軸承零件的表面處理中得到較廣泛的應(yīng)用。100Cr6、440C等鋼制軸承零件經(jīng)PVD、CVD或RF鍍TiC、TiN、TiAlN等后，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，降低表面摩擦系數(shù)。

SKF公司近年來開發(fā)了兩種涂鍍技術(shù)：一是采用PVD在軸承套圈及滾動(dòng)體表面鍍硬度極高的金剛石結(jié)構(gòu)的碳（Diamond-Like Carbon, DLC），表面硬度比淬硬軸承鋼高40~80%、摩擦系數(shù)類似于PTFE或MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結(jié)合良好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正常工作，被稱為“NoWear bearing”[38]; 二是采用PSC在軸承的外圈外圓面噴涂一層100μm后的氧化鋁，使軸承的絕緣能力高達(dá)1000V以上，通過增加氧化鋁的厚度使軸承具有更高絕緣能力。涂鍍的氧化鋁與基體結(jié)合牢固，還可提高軸承的耐蝕性，鍍后的軸承（INSOCOATTM bearing）可像一般軸承一樣進(jìn)行安裝[39]。

低溫離子滲硫是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的表面改性技術(shù)。其基本原理與離子滲氮相似，在一定的真空度下，利用高壓直流電使含硫氣體電離，生成的硫離子轟擊工件表面，在工件表面與鐵反應(yīng)生成以FeS為主的10μm左右厚的硫化物層。硫化物是良好的固體潤滑劑，有效地降低鋼件接觸表面的摩擦系數(shù)，且隨載荷增大，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，因此可以大大提高重載下軸承的耐磨性，軸承的壽命可提高3倍左右。

低溫磷化與滲硫的作用相似。通過把工件放置于40℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸滲4h可在工件表面獲得0.05~0.25μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面層，降低摩擦系數(shù)、提高耐磨性。經(jīng)磷化的M50鋼軸承在短期斷油的情況下不出現(xiàn)卡死，提高了軸承的可靠性[36]。

擴(kuò)散滲鉻是用氣體方法（粉末法）在850~1100℃進(jìn)行，時(shí)間為1~9h，根據(jù)零件所用鋼種（ШХ15、95Х18、55СМ5ФА）及性能需要選用相應(yīng)的溫度和時(shí)間，在軸承生產(chǎn)及修復(fù)中均可使用。滲后擴(kuò)散層由Cr2(NC)3、(Cr,Fe)23C6及(Cr,Fe)7C3組成，層深16~27μm，硬度1650~1900HV。滲鉻并進(jìn)行常規(guī)熱處理后，耐熱性、耐蝕性、耐磨性及接觸疲勞強(qiáng)度均明顯提高[42]。

6 表面加熱淬火

感應(yīng)加熱表面淬火是使用較為廣泛的方法之一，原蘇聯(lián)對(duì)對(duì)這一工藝的理論和生產(chǎn)應(yīng)用開展了較多的研究[43~48]，其主要應(yīng)用場(chǎng)合分兩類：一是鐵路軸承的表面感應(yīng)加熱淬火，采用新材料ШХ4鋼制的套圈經(jīng)感應(yīng)加熱淬火后，表面為硬而耐磨的馬氏體組織，心部為韌性較好的索氏體、屈氏體，表面為高達(dá)500Mpa的壓應(yīng)力，其使用壽命比ШХ15СГ制軸承高1倍，并且完全消除了套圈使用時(shí)突然脆斷的現(xiàn)象，提高了軸承的可靠性，性能與低碳鋼滲碳淬火相似，但成本遠(yuǎn)低于后者。同時(shí)，也開發(fā)出相應(yīng)的專用感應(yīng)器和淬火設(shè)備，并把這一材料及感應(yīng)淬火的成果推廣到要求耐磨和高韌性的軋機(jī)軸承等重載軸承；感應(yīng)加熱表面淬火的另一應(yīng)用是特大型軸承的熱處理，減少大型軸承套圈的淬火變形和硬度不均勻性，同時(shí)節(jié)省設(shè)備的投資費(fèi)用。日本[47]把表面感應(yīng)加熱淬火成功地應(yīng)用于汽車等速完向節(jié)的熱處理，包括階梯軸、殼體內(nèi)表面及滾道的淬火均由特制的感應(yīng)圈一次加熱完成。高頻熱處理和冷鍛技術(shù)的應(yīng)用使生產(chǎn)成本大大降低，產(chǎn)品的可靠性也大幅度提高。

激光等高能束表面熱處理是近年來開發(fā)的新的熱處理方法[49~50]，使用較多的CO2激光束。通過激光加熱可獲得0.25~2.0mm的硬化層，與其他表面硬化方法相比，其具有硬化層深度及位置控制精確、無變形等優(yōu)點(diǎn)。高碳鉻軸承鋼零件經(jīng)表面激光硬化后淬硬層的馬氏體極細(xì)小、碳化物分布更均勻、殘余奧氏體極少，比一般淬回火具有更高硬度和滑動(dòng)耐磨性。另外，激光等高能束還可作為表面涂覆工藝的熱源，一次可完成表面淬火和涂覆過程，尤其是近年來納米技術(shù)的發(fā)展，這一復(fù)合工藝過程在精密軸承零件的表面處理中將有廣闊的應(yīng)用前景。