高碳铬轴承零件表面化学热处理工艺

摘要

本发明公开了一种高碳铬轴承零件表面化学热处理工艺，包括设定工艺流程及工艺参数、前清洗、预氧化、加热、碳氮共渗、降温扩散、淬火、回火等步骤；本发明从钢材表面改性的角度，采用目前用于汽车及摩托车齿轮渗碳或碳氮共渗加工的热处理设备，即多用炉或推杆式碳氮共渗生产线，通过渗入碳、氮两种元素，使高碳铬轴承零件表面层淬火后形成一层特殊的组织，从而达到提高轴承接触疲劳强度及表面硬度的目的。

说明书

                           技术领域

本发明涉及一种金属材质零件的表面处理方法，尤其是高碳铬轴承零件表面化学热处理工艺。

                           背景技术

对高碳铬轴承零件如内圈、外圈的淬回火处理，目前通常是采用连续式网带炉直接加热淬回火工艺。套圈常规热处理的典型工艺过程如下：

冷辗件(或车加工件)→(淬回火生产线)→前清洗→加热→保温→淬火→后清洗→回火→磨加工，热处理曲线如图1所示。

由于用户对轴承寿命的要求在不断提高，而轴承寿命直接受到钢材质量的制约，采用常规方法大幅提高轴承接触疲劳强度、耐磨性及表面硬度很困难。

研究表明，原材料质量的好坏对轴承寿命具有重大影响。然而，我国轴承钢的冶炼技术及质量水平与国外发达国家相比还有较大的差距。因此，要通过改善钢材质量来提高轴承寿命尚需较长的发展过程。

目前在汽车及摩托车齿轮表面处理上，常用到多用炉或推杆式碳氮共渗生产线，通过渗碳或碳氮共渗，使齿轮表面渗入碳元素或碳、氮两种元素，来提高齿轮的接触疲劳强度及表面硬度。但是这种设备及工艺还未运用到高碳铬轴承零件上。

                            发明内容

本发明的目的在于提供一种通过碳氮共渗来提高轴承接触疲劳强度及表面硬度的高碳铬轴承零件表面化学热处理工艺。

本发明包括以下步骤：

a、在多用炉或推杆式碳氮共渗生产线的控制面板上设定好工艺流程及工艺参数；

b、加工成形的高碳铬轴承零件进入多用炉或推杆式碳氮共渗生产线中，前清洗0.25-1h，除去零件表面的油污；

c、零件加热升温，在300-550℃预氧化0.5-2h；

d、零件继续加热升温，同时通入保护气，当温度达到800-900℃时，通入富化气和渗氮剂，进行碳氮共渗，碳势为0.9％-1.5％；

e、碳氮共渗1-8小时后，零件开始降温，同时进行碳氮扩散，当温度降到800-860℃时，保持温度不变，继续碳氮扩散，碳势为0.7％-1.3％；

f、经过0.5-6h碳氮扩散后，在温度800-860℃下进行淬火；

g、淬火后后清洗0.25-1h，除去零件表面油污，再在温度100-300℃下进行回火；

h、回火2-5h后，零件退出多用炉或推杆式碳氮共渗生产线，空气冷却。

上述d步骤中通入的保护气为纯甲醇或纯氮气或甲醇与氮气的混合气或其它保护气氛。

上述d步骤中通入的富化气为纯丙烷或纯丙酮或纯煤油或其它渗碳剂。

上述d步骤中通入的渗氮剂为纯氨气或其它渗氮剂，流量为0.1-10m³/h。

本发明从钢材表面改性的角度，采用目前用于汽车及摩托车齿轮渗碳或碳氮共渗加工的热处理设备，即多用炉或推杆式碳氮共渗生产线，通过渗入碳、氮两种元素，使高碳铬轴承零件表面层淬火后形成一层特殊的组织，从而达到提高轴承接触疲劳强度及表面硬度的目的。

多用炉主要由同一个控制面板控制的清洗机、主炉和回火炉三种设备组成，摆放时，三种设备的前端对齐，在它们的前方铺设轨道，轨道上设置一台转运车，负责根据程序自动实现工件在各设备的进出。

多用炉的生产过程为：上料(工件装入转运车)→清洗机(清洗零件)→主炉(根据电脑程序进行：预氧化→碳氮共渗→降温扩散→淬火)→清洗机(清洗零件)→回火炉(回火)→卸料(工件从转运车中取出)。

推杆式碳氮共渗生产线由同一个控制面板控制的前清洗机、预氧化炉、主炉、后清洗机、回火炉各1台组成，整个生产线依靠闭式循环的轨道联通，轨道贯通所有设备底部。工件置于特制的方形托盘上并放置于轨道上，各方形托盘相互紧挨，通过推杆施加移动的动力传递到每一个托盘，实现工件在不同设备间的通行。

推杆式碳氮共渗生产线的生产过程为：上料(工件装入托盘)→前清洗机(清洗零件)→预氧化炉(预氧化)→主炉(产品依次通过碳氮共渗区、降温扩散区、淬火区)→后清洗机(清洗零件)→回火炉(回火)→卸料(工件从托盘中取出)→上料(下一个循环)。

本发明的有益效果是：

1、表面硬度大幅提高，可达HRC66以上；

2、表面形成很高的压应力；

3、接触疲劳强度、耐磨性大幅提高；

4、使用寿命大幅提高，比正常产品寿命高3-6倍。

通过本发明的表面化学热处理工艺处理后的高碳铬轴承零件经下列标准检验，符合检验要求。

检验标准：

1)渗层质量检验时，零件在淬火状态下检验。

2)共渗层深度(0.40-0.60)mm。

3)测量共渗层深度时用金相法或硬度梯度法。用硬度梯度法时，取硬度比基体硬度高20HV处为有效渗层深度。

4)层深波动范围：同一工件≤0.15mm；同一批次≤0.20mm。

5)淬火表面硬度HV≥825，相当于HRC≥64；测量点为距表面0.20mm处。回火表面硬度(713-795)HV，相当于(60-63)HRC；测量点为距表面0.20mm处。

6)淬火后变形量：d≤Φ30时，外径椭圆度≤0.06mm；d≤Φ80时，外径椭圆度≤0.10mm。

7)淬火后组织

a)心部按JB/T1255-2001，≤5级；

b)渗层组织按QCn29018-1991标准；

碳氮化合物(1-4)级合格；

残余奥氏体及马氏体(1-4)级合格；

c)表层含碳量(1.05-1.15)％，含氮量(0.20-0.35)％；

d)距表面0.02mm以后的渗层不得有黑色组织；

e)不得有裂纹；

8)表面不许有氧化、脱碳层。

9)表层不得有软点。

10)表面颜色均匀一致，不得有花斑。

11)表面不得有锈蚀。

12)产品不得有碰划伤。

经过本发明加工的轴承零件组装后的产品寿命试验报告见如下《滚动轴承寿命、可靠性试验报告》。

滚动轴承寿命、可靠性试验报告

                                      轴承型号   6304/P5CS14

                                      试验类别   对比试验

  报告  编号  LT250201  产品名称  轴承  规格型号  6304/P5CS14  检验类别  寿命试验  商标  CJB  抽样方式  随机  外形尺寸  φ20×φ52×H15  抽样地点  成品库  公差等级  P₅  抽样数量  80  材质  GCr15  抽样日期  2005.2.3  生产日期  2005.2.2  抽样者  高向东  检验日期  2005.5.25  检验依据    检  验  结  论     经碳氮共渗的轴承寿命长于  常规热处理的轴承寿命。     签发日期                 2005年5月31日  附  注

  试验方法  对比试验  样本大小  16  试验机型号                    ABLT-1A  试  验  条  件  当量动载荷/额定动载荷(P/C)  0.5  径向载荷(Fr)  7950N  轴向载荷(Fa)  0  试验转速(n)  3000rpm  基本额定寿命(L₁₀)  44h  润滑与冷却  32^#机油循环  试  验  结  果  试验原始数据见后页  试验开始  日    期  5005.2.3  试验结束  日    期  2005.5.17

  序号  样品编号  试验通过  时间(h)  停机原因  失效零件  备注  一  常规产品  1  LT250201-SN1  136.6  失效  内沟疲劳  2  LT250201-SN2  163.6  失效  内沟疲劳  3  LT250201-SN3  181.2  失效  钢球疲劳  4  LT250201-SN4  181.2  失效  /  5  LT250201-SN5  143.5  换型号  /  6  LT250201-SN6  143.5  换型号  内沟、钢球疲劳，  保持架断  7  LT250201-SN7  157.5  失效  内沟疲劳、保持架  断裂  8  LT250201-SN8  157.5  失效  内沟疲劳  二  碳氮共渗产品  9  LT250201-CN3  181.2  对比轴承已失效  /  10  LT250201-CN4  181.2  对比轴承已失效  /  11  LT250201-CN5  543.5  人为终止试验  /  12  LT250201-CN6  703.6  人为终止试验  /  13  LT250201-CN7  703.6  人为终止试验  /  14  LT250201-CN8  543.5  人为终止试验  /  15  LT250201-CN9  157.5  对比轴承已失效  /  16  LT250201-CN10  157.5  对比轴承已失效  /  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26

                       附图说明

图1为高碳铬轴承零件的常规热处理曲线图。

图2为本发明的热处理曲线图。

                      具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图2所示，0-T0时间段为零件初始加热升温阶段；T0-T1时间段为零件表面预氧化阶段；T1-T2时间段为零件继续加热升温阶段，从T1时间开始通入保护气，保护零件不被氧化；T2-T3时间段为碳氮共渗阶段，从T2时间开始通入富化气和渗氮剂，分解出活性碳原子和氮原子，并分别渗入到零件的表面层中，通过预先设定的碳势值，多用炉或推杆式碳氮共渗生产线可以自动调节富化气和渗氮剂的流量；T3-T5时间段为零件降温扩散阶段，活性碳原子及氮原子渗入到零件表面的更深层中，从T3时间开始降温，同时进行碳氮扩散，至T4时间，保持温度不变，继续碳氮扩散；T5-T6时间段为淬火阶段；T6-T7时间段为后清洗阶段；T7-T8时间段为回火阶段。

实施例1，高碳铬轴承内圈的加工工艺包括以下步骤：

(1)高碳铬原材料依次经锻造、退火、车辗加工成轴承内圈，始锻温度1150℃，终锻温度850℃；退火温度800℃，时间15h。

(2)在推杆式碳氮共渗生产线的控制面板上设定好流程及工艺参数，

流程：前清洗→预氧化→碳氮共渗→降温扩散→淬火→后清洗→回火；

参数：前清洗0.3h；预氧化温度350℃、时间1h；碳氮共渗温度850℃、时间3h、碳势1.4％；碳氮扩散起始温度850、截止温度820℃、时间2h、碳势0.9％；氨气流量0.5m³/h；淬火温度820℃、淬火油温80℃；后清洗0.4h；回火温度200℃、时间3h。

(3)加工成形的轴承内圈装入托盘中，启动程序，托盘沿轨道前进，将轴承内圈运入前清洗机中，通过清洗剂清洗0.3h，除去零件表面的油污。

(4)托盘沿轨道继续前进，进入预氧化炉，轴承内圈开始加热升温，当温度达到350℃时，预氧化1h。

(5)托盘沿轨道继续前进，进入主炉的碳氮共渗区，轴承内圈继续加热升温，同时通入纯甲醇，当温度达到850℃时，通入纯丙烷和纯氨气，进行碳氮共渗。

(6)碳氮共渗3h后，托盘进入主炉的降温扩散区，轴承内圈开始降温，同时进行碳氮扩散，当温度降到820℃时，保持温度不变，继续碳氮扩散。

(7)碳氮扩散2h后，托盘进入主炉的淬火区，轴承内圈开始油淬。

(8)淬火后托盘沿轨道继续前进，出主炉，进入后清洗机，在后清洗机内对轴承内圈清洗0.3h，除去零件表面油污。

(9)托盘继续沿轨道将轴承内圈运出后清洗机，进入回火炉，进行回火。

(10)回火后，托盘出回火炉，将轴承内圈从托盘中取出，空气冷却至室温。

(11)依次进行粗磨、精磨、超精磨。

(12)清洗、涂油并包装，制得成品。

实施例2，高碳铬轴承钢球的加工工艺包括以下步骤：

(1)高碳铬原材料依次经冷镦、光磨成钢球。

(2)在多用炉的控制面板上设定好流程及工艺参数，

流程：前清洗→预氧化→碳氮共渗→降温扩散→淬火→后清洗→回火；

参数：前清洗0.8h；预氧化温度400℃、时间1.5h；碳氮共渗温度880℃、时间6h、碳势1.5％；碳氮扩散起始温度880、截止温度850℃、时间4h、碳势0.8％；氨气流量3m³/h；淬火温度850℃、淬火油温80℃；后清洗1h；回火温度250℃、时间4h。

(3)加工成形的轴承钢球装入转运车中，启动程序，转运车沿轨道前进，将轴承钢球送入清洗机中，通过清洗剂清洗0.8h，除去零件表面的油污。

(4)转运车沿轨道继续前进，进入主炉中，钢球开始加热升温，当温度达到400℃时，预氧化1.5h。

(5)钢球继续加热升温，同时通入纯氮气，当温度达到880℃时，通入纯煤油和纯氨气，进行碳氮共渗。

(6)碳氮共渗6h后，钢球开始降温，同时进行碳氮扩散，当温度降到850℃时，保持温度不变，继续碳氮扩散。

(7)碳氮扩散4h后，钢球开始进行油淬。

(8)淬火后转运车将钢球运出主炉，并进入清洗机中，清洗1h，除去零件表面油污。

(9)转运车继续沿轨道前进，将钢球运出清洗机，进入回火炉，进行回火。

(10)回火后，转运车出回火炉，将轴承钢球从转运车中取出，空气冷却至室温。

(11)钢球进入强化机，进行强化处理1h。

(12)依次进行硬磨、研磨、超精磨。

(13)清洗、涂油并包装，制得成品。