回收轴承改进淬火介质提高GCrl5钢制轴承套圈淬火质量
上传更新：2014/4/20
我公司在90年代初将氮基可控气氛铸链炉自动生产线应用于GCr15钢制轴承套圈淬、回火。淬火介质主要用N32机械油。随着套圈尺寸的增大，有时出现淬火硬度严重不均和畸变等问题，采用今禹Y15T快速淬火油添加剂对N32机械油进行改性处理后，解决了套圈硬度不均，有效地控制了畸变。
我公司铸链炉生产线自1993年投产至1999年初已累计淬火工件7000余t，产品质量稳定控制在JB／T1255-1991标准范围之内，淬火介质以N32机械油为主，冬季也部分补充N15机械油，对淬火介质除严格控制水分含量外未采取其他检测手段，多年来也未出理淬火质量问题。1999年初，因旧油老化，工件淬火后表面光亮度下降，生产时油烟较大，遂将铸链炉淬火油槽整槽换用新的N32机械油，其后不久即发现厚壁大尺寸套圈(外径>100mm、有效壁厚>10mm)淬火后易出现部分套圈(约占5%-20%)厚端面表面硬度不均匀、局部硬度不合格，出现6级(JB／T1255-1991第二级别图)以上淬火组织。如图1a所示，个别套圈出现如图1b所示的硬度分布。
图中硬度合格区域金相组织为2级，残留碳化物量适合，但颗粒较粗；硬度不合格区域主要为6级、8级、偶见>8级，屈氏体形状为块状，大块状，块状屈氏体中部可见残留碳化物颗粒。
1质量问题分析
1.1原始组织均匀性较差是产生淬火不合格组织的原因之一
据查，上述问题出现期间球化退火温度超过820℃，退火组织评级为4级(JB／T1255-1991第一级别图)，虽属合格，但由于部分碳化物颗粒较粗且分布不均，造成淬火工艺调整困难。为此对退火工序立即进行了纠正，但此前生产的退火坯已难以返工。
1.2淬火温度是否偏低
JB/T1255-1991标准的编制说明，出现6级、8级淬回火组织显示淬火温度偏低。而提高淬火加热温度、延长保温时间可提高奥氏体中碳、铬含量，使奥氏体成分均匀化，晶粒增大，提高淬火时过冷奥氏体稳定性，抑制珠光体类型转变，提高GCr15钢淬透性，降低临界淬火速度。据此，我们将淬火加热温度提高8-10℃、总加热时间延长10-15min进行批量生产试验，硬度不合格的问题可得以解决。但不少套圈同—零件硬度差较大，达2HRC，淬回火组织中仍不时发现局部有少量小块状屈氏体存在；同时也开始有细小针状马氏体出现，淬火变形量急剧上升。直径变动量超差率由平均不到10%上升到25%以上，零件力学性能相对劣化。由此可见，在原始组织均匀性较差的情况下单纯提高淬火加热温度及时间以解决硬度不合格的问题并不是最佳途径。
1.3淬火加热炉炉膛保温性能、炉温均匀性是否下降，装炉量是否合适 经查，装炉量均未超过工艺规范。如下规范检测炉温均匀性：空载，I、II、III区仪表设定温度均为850℃并巳达到热稳定状态，用5支铠装热电偶在铸链带工作空间内同一横断面(590mm宽x100mm高)上同时测量左上、左下、中间、右上、右下5点温度，从进料震动导槽在铸链带上开口处(进料口)起至铸链带末端(落料口)止4750mm长度上各横断面炉温平均值如图2所示。
其中I区因靠近进料口且测温时进科口敞开，平均温度较低，为840℃，II区平均温度846℃，III区平均温度854℃，整个加热长度内炉温波动平缓。对于连续式淬火加热炉尤为重要的是工作空间内同—横断面上各点的温差，实测图示c点至d点间同—横断面上各点温差土4℃之内，炉温均匀性尚属良好。实测炉壳温升<40℃。因此，可以排除加热炉性能与装炉量影响均匀加热奥氏体化的因素。
1.4淬火介质冷却能力是否不足
因质量问题出现在铸链炉淬火抽槽换用新N32机械油之后，而同期在箱式炉加热用旧油淬火的同类型工件未出现硬度不合格的问题，由此分析—方面可能旧油(如前所述，因掺有部分N15机械油，其成分与老化程度巳难以追溯)冷却能力好于新油；另一方面，在箱式炉加热淬火时工件用钩串或手提铁丝淬火篮在油中摇动冷却，工件与淬火介质之间的相对运动均匀且充分，而铸链炉淬火油槽虽然容积大，具有淬火油自动控温装置及两台齿轮油泵、一台油搅拌机使淬火槽内油温均匀并稳定控制在60-90℃之间，循环良好。但由于淬火槽深度大，油搅拌机运转所形成的油流对淬火工件表面的冲刷不均匀，油搅拌机转速越高工件淬火变形越大，并且齿轮油泵与油搅拌机运转所形成的油搅动区主要在油槽工件落料导槽的上、中部，赤热工件垂直落入油槽时瞬间通过油搅动区后即停置在油槽下部缓慢运行的提升网带上，工件与淬火油之间的运动相对缓慢且部分工件可能互相重叠，此时如淬火油自身的冷却能力不足，工件局部冷连低于临界淬火速度而产生屈氏体转变可能是造成部分套圈淬火后局部硬度不合格的主要原因。其后采用ISO9950标准对新旧油样的冷却特性检测证实了这—分析，新旧油样的冷却特性曲线见图3e、f。
2淬火介质改进及其效果
根据以上分析，我们认为N32机械油用于自动生产线上厚壁大尺寸套圈淬火时其冷却能力有所不足，鉴于淬火油槽的结构紧凑难以更改，现在N32机械油油质尚可，决定单纯在改进淬火油的冷却特性方面进行试验。经对比测试，我们选用北京华立精细化工公司生产的今禹Y15T快速光亮淬火油添加剂对该槽N32机械油进行改性处理，加人10%添加剂后油品的冷却特性曲线见图3g。改性后淬火油冷速提高，最大冷速提高了20℃／s，蒸汽膜阶段时间缩短近一半，最大冷速所在温度提高了50℃，有利于抑制淬火组织出现扩散型转变。改进后的淬火油用与改进前相同的加热工艺进行厚壁大尺寸GCr15钢制轴承套圈淬火时，硬度全部合格，同一零件硬度差在1HRC以内，淬火金相组织等级提高，屈氏体彻底消失，套圈经酸洗检查无裂纹，唯淬火变形仍较大。考虑到改进后淬火油冷却性能的改善，可满足工件在较低温度下奥氏体化产生的晶粒较细、碳、铬含量较低的奥氏体所需的临界淬火速度，既保证淬火硬度，又细化马氏体基体组织，避免淬火裂纹，可提高GCr15钢淬回火后的力学性能，也可提高临界淬火直径，扩大GCrl5钢的使用范围。经过逐步试验，调整工艺，采用比正常加热温度低2-5℃，同时调减淬火油槽油搅拌机转速，其后轴承套圈淬火硬度稳定控制在64-65.5HRC，淬火金相2—3级，以2级为多，外径100mm以上的套圈淬火后直径变动量超差率降至约7%，随后淬火工件近3000t，其中GCrl5钢制圆锥滚子轴承套圈最大有效壁厚达15mm、非标滚轮轴承套圈最大有效壁厚达23mm，质量全部合格，减少了废品及返修损失。由于该槽N32机械油洁净度尚好，改进后工件淬火后表面光亮无污染，淬火时油烟少，改善了工件表面质量和车间生产作业环境。
3结论
(1)根据零件材质、原始组织、淬火方式选择适当冷却特性的淬火介质并定期监测、调整其冷却特性对保障零件淬火质量至关重要；
(2)在允许的范围内改进淬火介质的冷却特性，有利于提高零件淬火后硬度及均匀性，扩大钢种的使用范围，并可通过加热工艺的调整达到减少淬火变形的效果；
(3)选择优质的专用淬火油配合控制气氛加热炉可得到淬火后光亮洁净的外观质量，减少油烟挥发，有利于实现热处理清洁生产。
我公司铸链炉生产线自1993年投产至1999年初已累计淬火工件7000余t，产品质量稳定控制在JB／T1255-1991标准范围之内，淬火介质以N32机械油为主，冬季也部分补充N15机械油，对淬火介质除严格控制水分含量外未采取其他检测手段，多年来也未出理淬火质量问题。1999年初，因旧油老化，工件淬火后表面光亮度下降，生产时油烟较大，遂将铸链炉淬火油槽整槽换用新的N32机械油，其后不久即发现厚壁大尺寸套圈(外径>100mm、有效壁厚>10mm)淬火后易出现部分套圈(约占5%-20%)厚端面表面硬度不均匀、局部硬度不合格，出现6级(JB／T1255-1991第二级别图)以上淬火组织。如图1a所示，个别套圈出现如图1b所示的硬度分布。
图中硬度合格区域金相组织为2级，残留碳化物量适合，但颗粒较粗；硬度不合格区域主要为6级、8级、偶见>8级，屈氏体形状为块状，大块状，块状屈氏体中部可见残留碳化物颗粒。
1质量问题分析
1.1原始组织均匀性较差是产生淬火不合格组织的原因之一
据查，上述问题出现期间球化退火温度超过820℃，退火组织评级为4级(JB／T1255-1991第一级别图)，虽属合格，但由于部分碳化物颗粒较粗且分布不均，造成淬火工艺调整困难。为此对退火工序立即进行了纠正，但此前生产的退火坯已难以返工。
1.2淬火温度是否偏低
JB/T1255-1991标准的编制说明，出现6级、8级淬回火组织显示淬火温度偏低。而提高淬火加热温度、延长保温时间可提高奥氏体中碳、铬含量，使奥氏体成分均匀化，晶粒增大，提高淬火时过冷奥氏体稳定性，抑制珠光体类型转变，提高GCr15钢淬透性，降低临界淬火速度。据此，我们将淬火加热温度提高8-10℃、总加热时间延长10-15min进行批量生产试验，硬度不合格的问题可得以解决。但不少套圈同—零件硬度差较大，达2HRC，淬回火组织中仍不时发现局部有少量小块状屈氏体存在；同时也开始有细小针状马氏体出现，淬火变形量急剧上升。直径变动量超差率由平均不到10%上升到25%以上，零件力学性能相对劣化。由此可见，在原始组织均匀性较差的情况下单纯提高淬火加热温度及时间以解决硬度不合格的问题并不是最佳途径。
1.3淬火加热炉炉膛保温性能、炉温均匀性是否下降，装炉量是否合适 经查，装炉量均未超过工艺规范。如下规范检测炉温均匀性：空载，I、II、III区仪表设定温度均为850℃并巳达到热稳定状态，用5支铠装热电偶在铸链带工作空间内同一横断面(590mm宽x100mm高)上同时测量左上、左下、中间、右上、右下5点温度，从进料震动导槽在铸链带上开口处(进料口)起至铸链带末端(落料口)止4750mm长度上各横断面炉温平均值如图2所示。
其中I区因靠近进料口且测温时进科口敞开，平均温度较低，为840℃，II区平均温度846℃，III区平均温度854℃，整个加热长度内炉温波动平缓。对于连续式淬火加热炉尤为重要的是工作空间内同—横断面上各点的温差，实测图示c点至d点间同—横断面上各点温差土4℃之内，炉温均匀性尚属良好。实测炉壳温升<40℃。因此，可以排除加热炉性能与装炉量影响均匀加热奥氏体化的因素。
1.4淬火介质冷却能力是否不足
因质量问题出现在铸链炉淬火抽槽换用新N32机械油之后，而同期在箱式炉加热用旧油淬火的同类型工件未出现硬度不合格的问题，由此分析—方面可能旧油(如前所述，因掺有部分N15机械油，其成分与老化程度巳难以追溯)冷却能力好于新油；另一方面，在箱式炉加热淬火时工件用钩串或手提铁丝淬火篮在油中摇动冷却，工件与淬火介质之间的相对运动均匀且充分，而铸链炉淬火油槽虽然容积大，具有淬火油自动控温装置及两台齿轮油泵、一台油搅拌机使淬火槽内油温均匀并稳定控制在60-90℃之间，循环良好。但由于淬火槽深度大，油搅拌机运转所形成的油流对淬火工件表面的冲刷不均匀，油搅拌机转速越高工件淬火变形越大，并且齿轮油泵与油搅拌机运转所形成的油搅动区主要在油槽工件落料导槽的上、中部，赤热工件垂直落入油槽时瞬间通过油搅动区后即停置在油槽下部缓慢运行的提升网带上，工件与淬火油之间的运动相对缓慢且部分工件可能互相重叠，此时如淬火油自身的冷却能力不足，工件局部冷连低于临界淬火速度而产生屈氏体转变可能是造成部分套圈淬火后局部硬度不合格的主要原因。其后采用ISO9950标准对新旧油样的冷却特性检测证实了这—分析，新旧油样的冷却特性曲线见图3e、f。
2淬火介质改进及其效果
根据以上分析，我们认为N32机械油用于自动生产线上厚壁大尺寸套圈淬火时其冷却能力有所不足，鉴于淬火油槽的结构紧凑难以更改，现在N32机械油油质尚可，决定单纯在改进淬火油的冷却特性方面进行试验。经对比测试，我们选用北京华立精细化工公司生产的今禹Y15T快速光亮淬火油添加剂对该槽N32机械油进行改性处理，加人10%添加剂后油品的冷却特性曲线见图3g。改性后淬火油冷速提高，最大冷速提高了20℃／s，蒸汽膜阶段时间缩短近一半，最大冷速所在温度提高了50℃，有利于抑制淬火组织出现扩散型转变。改进后的淬火油用与改进前相同的加热工艺进行厚壁大尺寸GCr15钢制轴承套圈淬火时，硬度全部合格，同一零件硬度差在1HRC以内，淬火金相组织等级提高，屈氏体彻底消失，套圈经酸洗检查无裂纹，唯淬火变形仍较大。考虑到改进后淬火油冷却性能的改善，可满足工件在较低温度下奥氏体化产生的晶粒较细、碳、铬含量较低的奥氏体所需的临界淬火速度，既保证淬火硬度，又细化马氏体基体组织，避免淬火裂纹，可提高GCr15钢淬回火后的力学性能，也可提高临界淬火直径，扩大GCrl5钢的使用范围。经过逐步试验，调整工艺，采用比正常加热温度低2-5℃，同时调减淬火油槽油搅拌机转速，其后轴承套圈淬火硬度稳定控制在64-65.5HRC，淬火金相2—3级，以2级为多，外径100mm以上的套圈淬火后直径变动量超差率降至约7%，随后淬火工件近3000t，其中GCrl5钢制圆锥滚子轴承套圈最大有效壁厚达15mm、非标滚轮轴承套圈最大有效壁厚达23mm，质量全部合格，减少了废品及返修损失。由于该槽N32机械油洁净度尚好，改进后工件淬火后表面光亮无污染，淬火时油烟少，改善了工件表面质量和车间生产作业环境。
3结论
(1)根据零件材质、原始组织、淬火方式选择适当冷却特性的淬火介质并定期监测、调整其冷却特性对保障零件淬火质量至关重要；
(2)在允许的范围内改进淬火介质的冷却特性，有利于提高零件淬火后硬度及均匀性，扩大钢种的使用范围，并可通过加热工艺的调整达到减少淬火变形的效果；
(3)选择优质的专用淬火油配合控制气氛加热炉可得到淬火后光亮洁净的外观质量，减少油烟挥发，有利于实现热处理清洁生产。