轴承零件硝盐淬火性能分析

关力，陈卉珍

(洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039)

轴承零件采用淬火油作为淬火介质获得高硬度、高耐磨性的马氏体组织来满足使用需求是国内最常用的热处理方法。淬火油作为淬火介质有着一定的局限性，由于冷却性能的局限，壁厚较大的零件出现表面软点、心部硬度偏低、淬硬层较浅等问题；对于薄壁零件又存在变形大影响后序加工等缺陷。同时，淬火油在长期的使用过程中还存在老化变质、冷却性能不够稳定等现象。熔化的硝盐(50%硝酸钾+50%亚硝酸钠)作为淬火介质早已广泛应用于轴承零件热处理，只是以前多用于贝氏体等温淬火及轧机轴承等厚壁轴承的热处理[1]。20世纪90年代末，瑞典SKF、德国FAG在轴承零件热处理中开始批量使用硝盐替代淬火油[2]。2006年国内轴承生产厂家开始用硝盐替代淬火油做为冷却介质应用并逐步推广，盐浴淬火在轴承行业有迅速普及的趋势。

下文分别从硬度梯度、变形控制、冷却性能调节、压碎载荷等方面对硝盐淬火后的零件性能与油基淬火后的零件性能做对比分析。

1 硝盐和油基淬火零件性能对比分析

试验零件材料选用GCr15钢，分别选用Φ45 mm×45 mm滚子，Φ50.8 mm钢球，直径130～180 mm、壁厚为8 mm的球轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承外圈作为试验零件，各取50～100个作为检验样本。均采用辊底式淬回火生产线，炉内通入氮气加丙烷作为保护气氛。

1.1 硬度梯度和淬硬层深度的比较

硝盐淬火的GCr15钢制Φ45 mm×45 mm滚子硬度梯度如图1所示；快速淬火油淬火的Φ45 mm×45 mm滚子硬度梯度如图2所示。

从图1～图2可明显看出，快速淬火油淬火的硬度梯度较陡，心部硬度较表面下降近15 HRC；金相组织分析发现，距表面5～6 mm处开始出现细小条状屈氏体组织，越接近心部，屈氏体越粗大且数量递增，至心部几乎连成片状、絮状。硝盐淬火的滚子硬度梯度相当平缓，近心部3 mm才出现硬度下降现象；金相组织分析证实，距心部3～5 mm处开始出现细小条状屈氏体组织，其余部分均为正常马氏体加弥散分布的碳化物和少量残余奥氏体。

研究表明硝盐熔液淬火过程中没有蒸汽膜阶段，高温区冷却速度很快，所以对于厚壁工件可以获得优良的淬火组织，并且硝盐熔液可以通过加水来调节冷却能力。本试验中所用的硝盐熔液其含水量为0.3%～1.0%不等，正是由于通过调节其中的含水量，使得硝盐熔液的冷却能力可以在淬火油冷却能力的1～4倍之间调节，满足厚壁零件的需要。

图1 硝盐淬回火后硬度梯度

图2 快速淬火油淬回火后硬度梯度

1.2 套圈变形的对比

不同零件的变形统计对比见表1。从表1中明显看出，硝盐淬火套圈的变形量较普通淬火油淬火的套圈变形量普遍减小30%～50%。

表1 轴承套圈变形量对比统计[3]

淬回火后零件的变形(包括尺寸变化和形状变化)受很多因素影响，是一个相当复杂的问题。在其他因素都相同的情况下，Beck等人的研究表明：由蒸汽膜阶段向沸腾期的转变温度过高时，高的冷速而产生大的热应力使低屈服点的奥氏体发生变形而导致零件的畸变。

Tensi等人[4]认为：在Ms点的冷却速度对变形起决定性作用，在Ms点及以下温度采用低的冷速可减小变形。硝盐熔液较淬火油最大的优点就在于蒸汽膜阶段几乎可忽略，而淬火油的蒸汽膜阶段则不可避免；另外根据文献可知，不加水的纯硝盐熔液在低温区等温时冷却速度近乎为零。Volkmuth等人[5]系统地研究了淬火介质(包括油及盐浴)对圆锥滚子轴承内、外圈的淬火变形，结果表明：由于冷却方式不同，套圈的直径将有不同程度的增大，且随介质温度的提高，套圈大、小端的直径增大程度趋于一致，即“喇叭”状变形减小；同时，套圈的椭圆变形(单一径向平面内的直径变动量Vdsp，VDsp)减小；内圈因刚度较大，其变形小于外圈。

1.3 钢球压碎载荷的对比

两种淬火介质所加工钢球压碎载荷对比见表2。

表2 钢球热处理后压碎载荷值统计对比

硝盐熔液淬火的钢球压碎载荷较快速淬火油淬火的普遍提高30%左右。钢球压碎载荷是钢球综合性能的表征。在其他性能均一致的情况下体现出的压碎载荷差异，应与钢球表面的应力状态有较大关系，钢球淬、回火后表面应力影响因素也较为复杂，认为前期冷加工和后期回火的状态完全相同情况下，主要的影响因素在淬火过程。大量资料证实贝氏体淬火后零件表面呈压应力状态，而油淬马氏体零件表面呈拉应力状态，测定多种规格硝盐淬火马氏体的零件其表面应力也呈压应力分布，正是表面的压应力分布对钢球压碎载荷的提升起到了重要作用[6]。通常贝氏体淬火过程中由于贝氏体相变温度相对较高，零件冷却比较均衡，最终两种应力综合作用的结果使零件表面呈现以热应力为主的应力状态，即表面为压应力。而马氏体淬火过程中由于马氏体相变点很低，造成冷却过程中零件表面和心部温度梯度太大，最终组织应力远大于热应力，两种应力综合作用的结果使零件表面呈现以组织应力为主的应力状态，即表面为拉应力。上述解释与贝氏体等温淬火和马氏体油基淬火较为吻合，而对硝盐淬火后表面的压应力分布还不够有说服力,有待后续进一步研究。

1.4 介质自身冷却性能对比分析

淬火油无论是普通淬火油、快速淬火油或分级淬火油均以矿物油为基础，加催冷剂、清洗剂、光亮剂、抗氧化剂等改性添加剂调配而成，其冷却性能一般固定在一个较小的可调范围，无法满足厚壁和薄壁零件不同的淬火要求，即使通过淬火冷却装备的调整如油温、油的冷却特性、油的循环与搅拌的方向及速度、工件入油的方式等控制手段也难以兼顾，且在长期应用过程中还会出现不同程度的老化变质现象，对零件的淬火质量影响较大。在淬火过程中产生油烟造成空气污染，在随后的清洗过程中造成水污染也是油基淬火介质存在的缺点。

而硝盐熔液作为一种简单的离子结晶体结构的熔液，比淬火油化学结构稳定，几乎永远不会变质，可终生使用。硝盐熔液淬火过程中没有蒸汽膜阶段，高温区冷却速度很快，所以对于厚壁工件可以获得优良的淬火组织。同时，硝盐熔液在低温区等温时冷却速度近乎为零，所以淬火变形很小，而且硝盐的冷却速度(介于热油冷速和4倍油速之间)可以通过含水量进行调节，十分简单方便。低温硝盐没有盐蒸汽的挥发和排放，硝盐槽的加水系统中，所加水从清洗机初洗槽引入，按程序控制加水时加入的是清洗机中含盐浓度高的水，降低了清洗机清洗水中盐的浓度。并且，清洗机配有盐浓度自动监测装置和盐、水自动分离装置，盐浓度超过设定上限时盐、水自动分离装置自动开启，分离后的盐可以回收并放入硝盐淬火槽重新利用，所以没有含盐废液排放，符合环保要求。

2 硝盐淬火设备特点

硝盐淬火的诸多优势要在工业化生产中得以体现还存在如下问题：硝盐熔液使用温度较油基淬火介质高出100 ℃左右，零件淬火后出液温度较高，对淬火马氏体组织稳定性有较大影响，盐蒸汽的安全无污染排放、硝盐熔液中含水量的控制、淬火冷却过程热处理工艺有待进一步优化等。经过调研、考察及设备改进，已基本解决了上述问题。

在盐浴淬火后，配置冷风机，进行强制风冷分级，稳定组织，避免清洗时的开裂倾向；淬火机构增加摆动，经加热后的工件自动进入盐浴淬火槽内的淬火平台上，淬火平台迅速下降到盐液中淬火。淬火平台在盐液中上、下窜动的同时，工件在平台上进行水平方向的往复摆动，克服辊棒阴影对工件冷却均匀性造成的影响。在工件淬火过程中，对淬火平台的上、下窜动速度和工件水平摆动速度均可用变频器无级调整，能够满足不同工件的淬火要求，同时分布在两侧的盐搅拌器的搅拌速度采用变频器无级调速。多样化的可调状态可针对不同类型的产品，改变工艺参数，来实现轴承零件最佳的淬火质量。

后清洗设有盐溶度检测装置，各区采用从后往前逐级溢流方式给水，各区水中含盐量泉涌清洗区最高，喷淋区次之，二次冷却槽最低，当泉涌清洗区盐的浓度达到设定值(约2%)后会将水通入盐蒸发器进行处理，也可在淬火盐槽需要加水时进入淬火槽。此时清洗机自动补充清水。该设备完全实现零排放，满足环保要求。针对硝盐熔液中水含量测定控制，保证盐熔液冷却性能，设备配备了专门的在线烈度检测仪，使用镍合金探头，将探头加热到550 ℃左右，检测冷却到400 ℃的时间，如大于规定时间，则自动补水。补水频率、单次补水量、日总补水量均可在工艺中设置后自动进行，保证盐熔液冷却速度的精准调节。

3 结束语

硝盐作为轴承零件马氏体淬火的淬火介质在变形控制、提高淬硬层深度、提高压碎载荷等方面较油基淬火介质有着一定的改进。但硝盐淬火零件表面应力分布状态及硝盐作为淬火冷却介质其冷却性能需进一步探讨研究。