汽車發(fā)動機典型軸承熱處理技術(shù)應(yīng)用
2021-02-11楊清泉
（新大洲本田摩托有限公司）
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汽車用的軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。滑動軸承主要用于發(fā)動機上。滾動軸承廣泛用于汽車上的各個機械與電氣總成上。滾動軸承有球形及滾子兩種，按照承受負(fù)荷的大小及方向不同又分為向心軸承和推力軸承，向心軸承適合承受徑向（重直于軸心線）負(fù)荷，推力軸承適合承受軸向（平行于軸心線）負(fù)荷，還有一種同時承受徑向和軸向力的向心推力軸承。其實，現(xiàn)在幾乎所有的滾動軸承都可以在一定條件下同時承受徑向負(fù)荷和橫向負(fù)荷，只是偏重于哪一方面或者兩者兼顧。滾動軸承主要分有滾珠軸承、滾柱軸承和滾針軸承，按照作用不同分置在汽車上的各個部位。由于軸承的種類比較多，在這里以常用的典型的滾動軸承為代表介紹此類軸承的熱處理技術(shù)的應(yīng)用。
1.滾動軸承使用要求
滾動軸承品種很多，但結(jié)構(gòu)上一般均由外套、內(nèi)套、滾動體（鋼球、滾柱、滾針）和保持架組成。滾動軸承大多在集中、高載荷，并承受交變應(yīng)力，以及高轉(zhuǎn)速下服役。其失效的主要形式是疲勞和磨損。滾動軸承的軸承圈及滾動元件一般用高純度的特種鉻合金鋼制成，主要是GCr15鋼和 GCr15SiMn鋼，其中GCr15鋼用量最大。熱處理對提高滾動軸承內(nèi)在質(zhì)量及延長使用壽命起著至關(guān)重要的作用，在這里以GCr15鋼為材質(zhì)的熱處理技術(shù)應(yīng)用來和各位同行交流。
2.生產(chǎn)工藝
以規(guī)格型號：TM6305、TM6205、TM6206、TM6207等此類軸承為例的主要生產(chǎn)工藝流程如下：
（1）外圈加工
原材料（軸承鋼棒料）下料→球化退火→鍛造（熱鍛或高速鍛）→超細(xì)化處理→粗車加工→精車加工→強化熱處理→拋丸→雙端面粗磨→無心磨粗磨→粗磨外溝→補充回火→深冷處理→雙端面精磨→無心磨精磨→精磨外溝→精研外溝→零件終驗→打標(biāo)識、零件清洗。
（2）內(nèi)圈加工
原材料（軸承鋼棒料）下料→球化退火→鍛造（熱鍛或高速鍛）→超細(xì)化處理→粗車加工→精車加工→強化熱處理→拋丸→雙端面粗磨→無心磨精磨→粗磨內(nèi)溝→粗磨內(nèi)孔→補充回火→深冷處理→雙端面精磨→精磨內(nèi)溝→精磨內(nèi)孔→精研內(nèi)溝→零件清洗。
（3）裝配（內(nèi)圈、外圈、鋼球、保持架）
合套→鉚壓→成品退磁清洗→全檢測振動值→全檢游隙→全尺寸、外觀檢驗→防銹包裝。
3.預(yù)備熱處理工藝
針對GCr15鋼含有較多的鉻碳化物形成元素，含碳量、含鉻量都很高的特點，設(shè)定了如下預(yù)熱處理工藝：
（1）鋼材下料后在鍛造前進行等溫球化退火工藝，如圖1所示。使用型號為GKT -50的輥底式真空鎖氣連續(xù)退火生產(chǎn)線，球化后，組織為點狀和球狀珠光體，硬度：185～207HBW。球化退火后達到細(xì)化碳化物的目標(biāo)。
1.滾動軸承使用要求
滾動軸承品種很多，但結(jié)構(gòu)上一般均由外套、內(nèi)套、滾動體（鋼球、滾柱、滾針）和保持架組成。滾動軸承大多在集中、高載荷，并承受交變應(yīng)力，以及高轉(zhuǎn)速下服役。其失效的主要形式是疲勞和磨損。滾動軸承的軸承圈及滾動元件一般用高純度的特種鉻合金鋼制成，主要是GCr15鋼和 GCr15SiMn鋼，其中GCr15鋼用量最大。熱處理對提高滾動軸承內(nèi)在質(zhì)量及延長使用壽命起著至關(guān)重要的作用，在這里以GCr15鋼為材質(zhì)的熱處理技術(shù)應(yīng)用來和各位同行交流。
2.生產(chǎn)工藝
以規(guī)格型號：TM6305、TM6205、TM6206、TM6207等此類軸承為例的主要生產(chǎn)工藝流程如下：
（1）外圈加工
原材料（軸承鋼棒料）下料→球化退火→鍛造（熱鍛或高速鍛）→超細(xì)化處理→粗車加工→精車加工→強化熱處理→拋丸→雙端面粗磨→無心磨粗磨→粗磨外溝→補充回火→深冷處理→雙端面精磨→無心磨精磨→精磨外溝→精研外溝→零件終驗→打標(biāo)識、零件清洗。
（2）內(nèi)圈加工
原材料（軸承鋼棒料）下料→球化退火→鍛造（熱鍛或高速鍛）→超細(xì)化處理→粗車加工→精車加工→強化熱處理→拋丸→雙端面粗磨→無心磨精磨→粗磨內(nèi)溝→粗磨內(nèi)孔→補充回火→深冷處理→雙端面精磨→精磨內(nèi)溝→精磨內(nèi)孔→精研內(nèi)溝→零件清洗。
（3）裝配（內(nèi)圈、外圈、鋼球、保持架）
合套→鉚壓→成品退磁清洗→全檢測振動值→全檢游隙→全尺寸、外觀檢驗→防銹包裝。
3.預(yù)備熱處理工藝
針對GCr15鋼含有較多的鉻碳化物形成元素，含碳量、含鉻量都很高的特點，設(shè)定了如下預(yù)熱處理工藝：
（1）鋼材下料后在鍛造前進行等溫球化退火工藝，如圖1所示。使用型號為GKT -50的輥底式真空鎖氣連續(xù)退火生產(chǎn)線，球化后，組織為點狀和球狀珠光體，硬度：185～207HBW。球化退火后達到細(xì)化碳化物的目標(biāo)。
圖1
（2）鍛造后毛坯碳化物的超細(xì)化處理工藝，如圖2所示。為了降低能耗，利用鍛造余熱，保證軸承工件毛坯終鍛溫度在850～900℃，然后加熱到1050℃固溶，使碳化物溶解，并使成分均勻化，然后淬入等溫槽在310℃進行等溫轉(zhuǎn)變獲得下貝氏體組織，再將等溫轉(zhuǎn)變完成后的工件進行短時間的等溫球化。經(jīng)過這樣處理的工件毛坯具有超細(xì)化的碳化物，碳化物的外形比較圓整，分布也比較均勻，也有利于消除或減輕帶狀偏析等不良缺陷。
圖2
4.碳氮共滲工藝
針對GCr15鋼的特點和滾動軸承的服役條件，考慮到此類汽車軸承的載荷比較大的使用特點，內(nèi)圈、外圈采用了碳氮共滲工藝：
為了降低熱處理成本，我們特別開發(fā)了適合碳氮共滲的連續(xù)式網(wǎng)帶爐進行碳氮共滲處理，具體參數(shù)為：加熱溫度：835℃±5℃，最后一區(qū)溫度降為825℃±5℃；碳勢：1.3%C，最后一區(qū)1.2%C；從入爐到加熱完成總時間：420min；CH3OH：2000mL/min；NH3：2L/min；使用分級淬碳氮共滲工藝火油淬火，油溫：110℃±5℃；清洗：60～80℃；冷處理：5～15℃；回火：190℃±5℃（外圈：210℃±5℃），回火時間：180 min。經(jīng)過上述碳氮共滲處理后的工件檢測結(jié)果為：表面硬度：基準(zhǔn)（61～65HRC），實績63HRC；滲層深度：基準(zhǔn)（≥0.25mm），實績0.4mm；金相組織：碳化物1級、馬氏體1級（見圖3、4）。針對滾動體的特點我們也特別開發(fā)了新的碳氮共滲的設(shè)備，能夠使?jié)L動體深層比較均勻，使用和內(nèi)圈相似的碳氮共滲的工藝，達到了強化的效果。
針對GCr15鋼的特點和滾動軸承的服役條件，考慮到此類汽車軸承的載荷比較大的使用特點，內(nèi)圈、外圈采用了碳氮共滲工藝：
為了降低熱處理成本，我們特別開發(fā)了適合碳氮共滲的連續(xù)式網(wǎng)帶爐進行碳氮共滲處理，具體參數(shù)為：加熱溫度：835℃±5℃，最后一區(qū)溫度降為825℃±5℃；碳勢：1.3%C，最后一區(qū)1.2%C；從入爐到加熱完成總時間：420min；CH3OH：2000mL/min；NH3：2L/min；使用分級淬碳氮共滲工藝火油淬火，油溫：110℃±5℃；清洗：60～80℃；冷處理：5～15℃；回火：190℃±5℃（外圈：210℃±5℃），回火時間：180 min。經(jīng)過上述碳氮共滲處理后的工件檢測結(jié)果為：表面硬度：基準(zhǔn)（61～65HRC），實績63HRC；滲層深度：基準(zhǔn)（≥0.25mm），實績0.4mm；金相組織：碳化物1級、馬氏體1級（見圖3、4）。針對滾動體的特點我們也特別開發(fā)了新的碳氮共滲的設(shè)備，能夠使?jié)L動體深層比較均勻，使用和內(nèi)圈相似的碳氮共滲的工藝，達到了強化的效果。
圖3 GCr15鋼碳氮共滲，淬、回火的表層組織（100×）
圖4 GCr15鋼碳氮共滲，淬、回火的表層組織（500×）
為了消除精加工前的機加工過程產(chǎn)生的應(yīng)力，增加了一次180℃、4h的補充回火。為了減少淬火組織中殘留奧氏體的含量，并使剩余的殘留奧氏體趨于穩(wěn)定，從而增加尺寸穩(wěn)定性進行了-50℃、1.5h的深冷處理。
5.使用效果
應(yīng)用了上述的熱處理工藝后的滾動軸承與未經(jīng)過強化的同型號的滾動軸承，經(jīng)過發(fā)動機臺架400h耐久測試后對比的照片如圖5所示，經(jīng)過強化后的軸承耐磨損效果明顯，使發(fā)動機軸承的使用壽命增加明顯。
5.使用效果
應(yīng)用了上述的熱處理工藝后的滾動軸承與未經(jīng)過強化的同型號的滾動軸承，經(jīng)過發(fā)動機臺架400h耐久測試后對比的照片如圖5所示，經(jīng)過強化后的軸承耐磨損效果明顯，使發(fā)動機軸承的使用壽命增加明顯。
（a）強化 （b）未強化
圖5 發(fā)動機臺架耐久測試后的強化軸承與未強化軸承
5.結(jié)語
通過應(yīng)用等溫球化退火、超細(xì)化處理的預(yù)處理工藝細(xì)化并均勻化了碳化物，很好的改善了帶狀偏析，再經(jīng)過對內(nèi)圈、外圈、滾動體的碳氮共滲的強化熱處理，以及經(jīng)過減少機加工過程中的應(yīng)力的補充回火和提升尺寸穩(wěn)定性的深冷處理使發(fā)動機滾動軸承具有了極高的耐磨性及耐久使用壽命高的特點，提升了使用者的安全性。
通過應(yīng)用等溫球化退火、超細(xì)化處理的預(yù)處理工藝細(xì)化并均勻化了碳化物，很好的改善了帶狀偏析，再經(jīng)過對內(nèi)圈、外圈、滾動體的碳氮共滲的強化熱處理，以及經(jīng)過減少機加工過程中的應(yīng)力的補充回火和提升尺寸穩(wěn)定性的深冷處理使發(fā)動機滾動軸承具有了極高的耐磨性及耐久使用壽命高的特點，提升了使用者的安全性。
來源：《金屬加工(熱加工)》2017年19期