王珂，韓萬順，陳國志
（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）
《軸承》2010年11期

摘要：在不考慮其他因素的情況下，分析了GCr15軸承鋼制大型軸承鋼球在不同濃度范圍的堿水中淬火對軟點的影響。認為堿水濃度過高或過低均會導(dǎo)致鋼球產(chǎn)生軟點。B-70鼓形電爐熱處理生產(chǎn)線在加工GCr15鋼制大型鋼球時，所用淬火液堿水的濃度應(yīng)控制在一個適當?shù)姆秶员阆慊疖淈c。

關(guān)鍵詞：GCr15軸承鋼；大型軸承鋼球；淬火；堿水；濃度

中圖分類號：TH133.33; TG156.3? 文獻標志碼：B? 文章編號：1000-3762(2010)11-0030-02

在LYC風(fēng)電軸承產(chǎn)品中，采用GCr15鋼制大型軸承鋼球的軸承占有很大比例。由于此類鋼球采用淬透性不如GCr15SiMn好的GCr15鋼制造，且直徑尺寸較大（?40 mm以上），無疑使其淬硬深度受到嚴重影響，軟點成了比較常見的問題。在實際使用過程中，鋼球報廢的主要形式是表面磨損，軟點直接影響了其使用壽命。為進一步提高此類風(fēng)電軸承產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，下文著重分析了GCr15鋼制大型鋼球在不同濃度的堿水中淬火產(chǎn)生軟點的原因，以期對改善鋼球的表面質(zhì)量有所幫助。

1 試驗驗證

1.1 設(shè)備及工藝流程

目前GCr15鋼制大型軸承鋼球是在B-70鼓形電爐生產(chǎn)線上進行熱處理，所用淬火介質(zhì)為碳酸鈉水溶液。B-70生產(chǎn)線淬回火工藝流程為：上料→淬火→冷卻→回火。

1.2 試驗方法與檢驗結(jié)果

在淬火溫度、加熱時間及堿水溫度相同的條件下，僅改變堿水濃度，對40 mm < ? < 50 mm某一型號的GCr15鋼制大型軸承鋼球進行試驗，分析堿水濃度對鋼球淬火組織、軟點的影響。具體方法是將熱處理淬火件按檢驗規(guī)程進行取樣（40粒），經(jīng)酸洗明化，將外觀呈現(xiàn)黑云狀的（即軟點區(qū)）鋼球試樣挑出進行金相化驗（2粒）。某一型號鋼球在B-70生產(chǎn)線上熱處理后依據(jù)JB/T1255進行評定，結(jié)果見表1.

表1 堿水濃度與軟點情況

序號	堿水濃度/%	酸洗檢驗	金相組織檢驗	硬度/HRC
1	10.4	有軟點	馬氏體3級合格；屈式體大于2級不合格，深度0.20 mm	軟點處55~56，不合格
2	10.9	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
3	11.6	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
4	12.4	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
5	13	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
6	13.2	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
7	13.9	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
8	14.3	無軟點	馬氏體3級合格	60-61，合格
9	14.8	有軟點	馬氏體3級合格；屈式體4級不合格，深度0.30 mm	軟點處52~53，不合格

由表1可知：鋼球在B-70生產(chǎn)線上淬火時，堿水濃度越接近15%及10%，則越易出現(xiàn)軟點。為進一步確定軟點與堿水濃度范圍的關(guān)系，選取某同一型號鋼球在10%以下、15%以上2個濃度段的堿水中，在B-70生產(chǎn)線上進行淬火。熱處理后試驗結(jié)果見表2。

表2 堿水濃度（10%以下，15%以上）與軟點情況

序號	堿水濃度/%	酸洗檢驗			金相組織檢驗	軟點處硬度/HRC
		數(shù)量/個	結(jié)果	數(shù)量/個	結(jié)果
1	6.5	40	有軟點	2	馬氏體3級合格；屈式體＞2級合格，深度0.20 mm	54.5~55.5，不合格
2	8.1	40	有軟點	2	馬氏體3級合格；屈式體＞2級合格，深度0.23 mm	54~55，不合格
3	9.5	40	有軟點	2	馬氏體3級合格；屈式體＞2級合格，深度0.18 mm	55~56，不合格
4	15.7	40	有軟點	2	馬氏體3級合格；屈式體4級合格，深度0.25 mm	53~54，不合格
5	16.2	40	有軟點	2	馬氏體3級合格；屈式體＞2級合格，深度0.22mm	53.5~54.5，不合格
6	17.6	40	有軟點	2	馬氏體3級合格；屈式體4級合格，深度0.30 mm	52.5~53，不合格

由表2可知，GCr15鋼制大型軸承鋼球在B-70生產(chǎn)線淬火時，堿水濃度在10%以下和15%以上的2個濃度段均會出現(xiàn)軟點。

2 結(jié)果分析

2.1 軟點的成因

通過對軟點金相試樣的分析，發(fā)現(xiàn)軟點處的組織為屈式體。由此可以認為，堿水淬火鋼球金相組織中軟點產(chǎn)生的原因是出現(xiàn)了屈式體。

由鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可知，鼻尖部分為過冷奧氏體不穩(wěn)定去，為了獲得馬氏體組織，需在奧氏體不穩(wěn)定即曲線的鼻尖部（一般為500~600℃）快冷^[1]（圖1理想淬火粗度曲線）。上述軟點的成因是淬火時鋼球表面局部的冷卻曲線經(jīng)過了C曲線的鼻尖部分，致使冷卻速度小于臨界冷卻速度所致（圖1），而此時最易發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榍襟w組織。

2.2 堿水濃度對鋼球軟點的影響

2.2.1 淬火時的冷卻機理

當熾熱工件進入淬火介質(zhì)中后，迅速使其周圍的淬火液發(fā)生物態(tài)變化，釋放的大量熱量使其周圍的液體迅速汽化，并形成一層蒸汽膜包圍工件。由于膜的導(dǎo)熱性能差，故其包圍隔絕的工件冷卻速度非常緩慢。初期隨著汽化的繼續(xù)，膜的厚度不斷增加，此階段為成膜期（圖2中AB段）。之后膜的厚度將逐漸減薄導(dǎo)致破裂，蒸汽膜破裂的極限溫度稱為“特性溫度”。當蒸汽膜破裂后，工件就與介質(zhì)直接接觸，淬火液不斷吸收工件表面的熱量而汽化沸騰，并將工件表面的熱量帶走，工件在這一階段被急劇冷卻。此階段直到工件冷卻至介質(zhì)的沸點為止，成為氣泡沸騰冷卻期（圖2中BC段）。當工件表面溫度降到淬火介質(zhì)沸點以下，工件的冷卻主要靠介質(zhì)傳導(dǎo)與對流，工件冷卻又減慢，此階段為對流傳熱階段^[2]（圖2中C點以后部分）。不難理解，由于堿水的沸點大大低于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms，所以重要的是討論蒸汽膜破裂的溫度和時間，即圖2中B點的位置。膜破裂越晚，特性溫度點B就越右移，冷卻曲線穿過C曲線的可能性越大就越容易產(chǎn)生軟點。

2.2.2 堿水濃度過高產(chǎn)生軟點的原因

由文獻^[2]可知，堿水淬火時因堿水中晶體析出并附在工件表面，引發(fā)小的氣膜爆破，破壞了蒸汽膜的穩(wěn)定性使沸騰期提前到來增加冷卻速度。同時由于堿水溶液吸收氣體能力遠低于水，因此使工件表面冷卻均勻，不易造成軟點。但是繼續(xù)提高含量，濃度過大的堿會使介質(zhì)的沸點提高，氣泡的表面張力增加，介質(zhì)流動性降低，因而導(dǎo)致蒸汽膜破裂的時間延遲（特性溫度點右移），反而使淬火介質(zhì)的冷卻能力下降，冷卻速度降低，這就是鋼球在堿水濃度過高時產(chǎn)生軟點的原因。

2.2.3 堿水濃度過低產(chǎn)生軟點的原因

當加熱的鋼球放在低濃度的堿水中時，鋼球周圍的水溫升高形成熱水，由于其所受的重力作用小于它所受的浮力，導(dǎo)致向上部運動致使上部的水溫在熱鋼球的作用下迅速升高，大大降低了冷卻能力；而下部區(qū)域的水向上運動時，受到球面的影響，運動受阻不易對流，此處介質(zhì)水溫在熱球的作用下亦升高，冷卻能力也大大下降。上述原因引起鋼球這些部位的冷卻條件變差，鋼球在冷卻過程的高、中溫區(qū)冷卻能力降低，冷卻速度減慢，易產(chǎn)生軟點。

除上述外，如堿水溫度、淬火加熱溫度、鋼球入水方式等均會影響到軟點的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1) 在其他工藝條件相同的情況下，堿水濃度與GCr15鋼制大型軸承鋼球淬火后是否出現(xiàn)軟點有著密切的關(guān)系。堿水濃度過高或過低引起鋼球冷卻能力降低及冷卻速度減小，致使鋼球淬火后出現(xiàn)軟點的幾率大大增加。

(2) GCr15鋼制大型軸承鋼球在B-70生產(chǎn)線上淬火時堿水濃度應(yīng)控制在10% ~ 15%，這有利于防止鋼球產(chǎn)生軟點。