轿车减速箱轴承的热处理

南京科润工业介质股份有限公司（江苏 211100）王锡樵 侯 奎 邹 磊

一、冲压滚针轴承

为了要使汽车跑得更快，汽车内的有些零部件必须要轻而耐用，对汽车减速箱而言，必须减轻它的重量，为此对于要求结构紧凑耐磨性很高，并能承担较大载荷且受到径向尺寸限制的轴承来说，则可选用冲压轴承技术，它包含着有或无内圈的滚针和保持架组合件、推力、冲压外圈滚针轴承等。

现在主要介绍整体冲压滚针轴承的热处理，它的外圈壁厚很薄为0.63～1.50mm，为了增强冲压外圈的承载能力，其滚动体必须采用滚针制造技术，这样可以提高冲压滚针轴承的使用寿命。在冲压滚针轴承的制造过程中有两种方式：一种是将冲压内圈、外圈、滚针和保持架分别进行热处理，然后根据要求再组合在一起，这种方式费钱、费工、费时，产品的可靠性差；另一种方式是将冲压外圈、滚针和保持架组合（无内圈的）在一起的整体滚针轴承热处理，这种方式生产的产品质量稳定可靠，性价比高，国外已经流行多年。

为此，建议将分散在各地的工厂通过资产重组，将财力、人力、物力集中在一起，成立一个专业的滚针轴承制造集团企业，这样不但可以节约开支，更能提高产品的质量和档次，更具有国际竟争力，既可节能降耗又能利国利民。

1.冲压滚外圈和保持架

它们是用含碳量很低的低碳钢（wC=0.06%～0.09%）制造的，它们的硬度很低，在90～120HV10，金相组织是较为均匀的颗粒状铁素体和极少量的三次渗碳体（流离渗碳体），这种组织很适合于做深拉孔零件，如适合于做冲压内外圈和保持架等。冲压外圈的成形是用清洁光亮的薄型冷轧卷低碳带钢做的，它是在一台多功能冲床上进行落料→几道拉伸→切边一次完成的。保持架同样也是在一台多功能冲床上完成的。

2.滚针

将达到2级球化组织（JB／T1255－2001）的100Cr6或GCr15高碳铬轴承钢钢丝在高速切料机上切成所需要的规格，然后装入到倾斜一定角度的八角形滚桶内，桶内放入一定数量的滚针并掺入少量的磨料及溶剂等，以一定的转速循环运转，在进行几十个小时抛光后的滚针两头则呈现了光滑的圆头，达到了技术要求。

滚针的热处理是在通有氮气、甲醇、丙烷组成的可控气氛的滚筒炉内进行加热。有一种小型滚筒炉的结构很简单，它的炉胆（即马弗罐）呈八角形，在循环旋转时便于滚针能够自然翻动，可以使每粒滚针得到很均匀的加热，加热炉内有三支热电偶，即炉膛内一支，用于控制温度，炉胆（即马弗罐）内一支指示实际温度，另外一支用于超温报警，它适合于小批量多品种滚针的加热，淬火槽内有循环搅拌泵，并通过导流板将油进行循环，使滚针的淬火硬度达到均匀化。

建议不用网带炉加热淬火，对于大批量生产滚针用的滚筒炉，其耐热钢板制作的圆形滚筒内焊接着连续的内缧旋形耐热钢板，可以使滚针在滚筒内既能前进又能自然翻动，做到了粒粒滚针加热均匀。加热时炉内的碳势CP为1.0%～1.1%，淬火温度为845～860℃，淬火冷却介质是快速淬火油（如KR118），油温80℃，回火温度160～180℃，金相组织2级。淬火硬度一般控制在心部硬度（760＋80）HV，表面硬度在（780＋160）HV，淬火油槽内带有循环导流装置，并有可定时转移的4个圆形接料筐，接料筐是用冲有许多小孔的不锈钢板焊接而成的。淬火油槽的结构也可以用提升输送带方式，经热处理后的滚针通过无心磨、超精等机加工，再进行分选分组，等待整体装配。

3.冲压滚针轴承的装配

在一台可以将已经热处理过的滚针和没有经过热处理的保持架、冲压外圈进行全自动装配并封口的机器上完成组装，成为整体冲压滚针轴承。

4.整体冲压滚针轴承的热处理

将整体滚针轴承在带有循环风扇的马弗罐网带炉内进行渗碳，用氮气、甲醇和丙烷做可控气氛。对于没有循环风扇的小型有马弗罐网带炉或有循环风扇的无马弗罐大型网带炉，因受到技术条件和制作技术的困扰，其炉内气氛不是很好，它们会直接影响到渗碳的质量。

对于冲压外圈和保持架来说，它们的渗碳工艺随着产品的技术要求而定，材料一般采用DC04M、DC03N、C15Mn、16MnCr5等，渗碳时的温度及时间根据渗碳层深度而调整，冲压外圈的渗碳层深度一般在0.08～0.33mm，渗碳温度在820～870℃，碳势CP控制在0.9%～1.2%，渗碳时间一般在30～100min。渗碳淬火硬度840～900HV；保持架的渗碳层深度0.02～0.12mm，渗碳淬火硬度在410～550HV。

对于滚针来说，在渗碳淬火前的组织是回火隐晶、细小结晶或小针状马氏体、均匀分布的细小残留碳化物和少量残留奥氏体，它在第二次淬火时因为回火马氏体针和碳化物颗粒较细小，再淬火时的组织不会粗大，反而能使组织均匀化，淬火硬度可以达到≥910HV，在回火后滚针的硬度仍能≥810HV，并可以提高接触疲劳强度。这一技术国外公司已经广泛应用几十年了。为了减少淬火畸变，淬火冷却介质应该选择专用的分级淬火油（如KR468S），该油的带耗少，易清冼，油温80～100℃。整体滚针轴承渗碳淬火后会缩小0.01～0.05mm，故产品必须进行100%的包络圆检测，极少数通不过的需要挤压矫正后才能出厂，否则畸变太大，会造成噪声大，并影响滚针轴承的使用寿命。

5.网带炉内的气氛控制

首先要保证产品进入炉膛前必须清洗烘干，各种气源的质量得到保证，其甲醇纯度≥99.9%，液氮≥99.999%，丙烷≥95%。对于新的炉子在投产前必须进行缓慢烘炉或停炉后重新开炉时必须先进行排除炉内的空气工作，即在落料口的下端应该有氮气入口，当炉温升到650℃时打开炉尾氮气阀门，氮气从炉子的尾部进入，开始将炉膛内的CO、CO2、H2O等从炉口渐渐排除，这需要24h排气时间，1L液氮可以气化成647m3氮气，所以用液氮是很理想的气氛，其设备维护也很简单和方便。

在炉温升到750℃时通入甲醇，继续升温到850℃并保温一段时间后，将通入炉膛内的丙烷、氮气流量计阀门打开，同时关闭炉子尾部的氮气，多种气体进入炉膛内的制作气氛时间要长一点为好，对于新的炉子启用时必须对炉膛和网带进行预渗碳，这是调整炉内气氛的过程，有时碳势仪显示碳势已经达到技术要求，但是炉口的火焰颜色仍然有紫兰色，说明炉内气氛中仍有氧气存在。另外，对于无马弗网带炉来说，它的轻质耐火砖和硅酸铝耐火纤维板中小孔里的氧气需要将它们置换出来，为此必须继续排除氧气，一直到炉口的火焰颜色呈现桔黄色为好。

炉内气氛中若存在氧气，将会造成冲压外圈表面脱碳，金相检测时表面会有黑色组织出现，冲压外圈表面呈现花斑，硬度偏低达不到技术要求的现象发生。为了减少空气进入炉膛，必须将落料口处油帘上下方的油烟气用抽气泵抽出，并经过汽水分离器、流量计后送到炉门口网带下端的封火帘，和炉膛内出来的气体汇合并点燃作为炉门口的火封。炉内碳势的标定可用定碳片来校正，校正氧探头的方法有两种：一种是称重法，分析天平的精度是万分之一，即用含碳量wc＝0.06%、厚度0.05mm的低碳钢钢箔来矫正氧探头的碳势，钢箔必须除油、除锈处理，并要求烘干，定碳片在放入炉膛内或取出时不允许碰到任何油污等杂质，否则会影响到测量精度。另一种测定碳片碳势的方法是燃烧法，这种方法简单、准确、快速，它是将定碳片从炉子内试样孔中取出后，放在C230碳硫分析仪中，碳硫分析仪和天平连接在一起，在该仪器中通入氮气和氧气，接通开关，定碳片瞬时燃烧，此时产生一氧化碳和二氧化碳气体，在1min内定碳片的碳势就直接显示出来。有马弗罐的网带炉内各个循环风扇之间没有档风隔板，而无马弗罐的网带炉内在各个循环风扇之间是有档风隔板的，网带炉内的循环风扇的数量由炉子大小决定，一般在2～5个循环风扇，两个循环风扇之间的风向是相反的，这是为了保证炉内气氛的均匀性。炉门开启高低根据产品规格而定，不能开得太大，否则炉口有少量空气进入炉膛内，会使前区的碳势偏低，造成炭黑（CH4）较多。为了避免大量丙烷的通入，前面的碳势不宜设定太高，一般设定在0.8%CP左右即可。通入每个加热区的甲醇、丙烷的管子是特殊设计的，它不会使进入管子的气氛经常堵塞，可以做到半年以上不清理通气管子，使炉内气氛保持长期稳定。

在落料口处的两侧必须有φ150mm的窥视孔，便于观察调整两侧油幕（帘）的大小，以减少油烟气进入炉膛内，造成碳势虚高的现象，另外落料口处的两侧油帘口需要定期疏通时，可以打开两侧的φ150mm耐热窥视玻璃板进行操作。炉子一前一后的气氛会影响到整个炉膛的气氛。炉内氧探头的数量也是根据炉子规格而定的，最少应该有两个或两个以上，氧探头要求定期检查，渗碳气氛的炉膛要求定期烧炭黑，以保证清洁的炉膛，使淬出的产品清洁光亮。对于新的炉子在加热调试初期要再一次拧紧炉子上和所有泵、阀门上的螺栓，因为炉子和油槽加热后螺栓会松动，平时要注意油泵轴封是否磨损而漏气，它们都会影响炉内气氛及套圈的表面质量。

6.淬火冷却介质的确定

对于减速箱内的轴承淬火来说，它们用的淬火冷却介质基本都是油类，淬火油的主要成分是矿物油，它作为石蜡型基础油并和添加剂组成相应的淬火冷却介质，要得到理想的饱和蒸气压、光亮性、冷却性、抗氧化性及较长的使用寿命等，其石蜡基础油必须经过三次脱氢处理。添加剂指的是催冷剂、抗氧剂和光亮剂，它们以一定的比例加入到基础油中并进行充分的搅拌，使其达到技术要求的冷却速度。所以，淬火油的使用性能和寿命关系到轴承产品的质量和成本。

对于预先进行淬火、回火处理的滚针而言，其是100Cr6或GCr15高碳铬轴承钢制造的，因为滚针的外径较小，考虑到在淬火时的工况，它们从滚筒炉中出来像散砂子一样渐渐落入接料桶内，接料桶内的冷却条件不是很好，故必须用快速淬火油。因为快速淬火油的蒸气膜阶段短，高低温冷速快，油的带耗少，滚针易清洗，表面光洁度好，热氧化安定性能好，使用寿命长等特点（如KR118），所以被广泛地使用。

对于整体冲压滚针轴承的热处理来说，它是进行气体渗碳的，为了使冲压外圈和保持架能淬硬，它需要有很好的淬透性能及极少量的淬火畸变，为此需要用分级淬火油，分级淬火油的闪点、燃点高，高温时冷却速度快，低温时冷却速度慢，这样可以将整体冲压轴承的外圈和保持架渗碳淬硬，又能将高碳铬轴承钢做的滚针淬硬，还能够显著地减少淬火畸变。淬火后能使整套冲压滚针轴承易清洗，热氧化安定性好，高温条件下使用寿命长等特性，如南京科润工业介质股份有限公司的KR468S专用的分级淬火油，它可以根据产品的技术要求进行量身定做合理的冷却曲线。对于刚使用的新的淬火油，因为从油品的运输、储存及在配制搅拌过程中会有极少量的空气进入油中，故必须进行脱气处理，否则会影响到产品的光亮性能。长期使用的淬火油因气体渗碳时气氛中的炭黑会污染油的清洁度，最好能配置一台高速离心机，它可以将污物脱离出来，使淬火油能够保持长期的清洁和稳定使用。

二、实体轴承的热处理

轿车减速箱上用的轴承除了冲压轴承以外还有实体轴承，实体轴承基本由推力、圆锥、调心、径向、角接触等轴承组成。实体轴承的壁厚比冲压轴承的壁厚大许多，其热处理大部分以高碳铬轴承钢（GCr15、GCr15SiMn或100Cr6等）淬火为主，少量有渗碳钢（20Cr、20CrMnTi、15Mn等）制造进行渗碳淬火，为此它们的热处理设备和工艺是不一样的。

实体轴承的内外套圈的热处理技术一直是热处理行业很关注的问题，为了解决套圈的圆柱度、锥度等畸变和获得良好的金相组织，必须从材料、设备、工艺、可控气氛及淬火冷却介质等方面着手解决。这里主要介绍高碳铬轴承钢，其化学成分和原始组织必须符合JB／T1255—2001的技术要求，目前对于≤φ100mm的轴承套圈，目前采用冷碾工艺的较多，它们可以使套圈的金属流线连续并更致密一些，这对提高疲劳强度有一定的作用，但是也存在着一定的挤压应力，一般企业目前基本不进行去应力退火，这给最终热处理提出了较高的要求。

1.套圈加热时的畸变

淬火时的畸变基本由机加工时的应力、加热或冷却时的热应力、随着组织转变时产生的相变应力及机械磕碰等原因造成，其中又以相变应力为主，对于小于φ200mm的内外套圈来说一般都以涨大为主，对于有效壁厚≤12mm的内外套圈一般都用网带炉加热，加热时产生的畸变与多种因素有关，如进料方式、装炉量、预热温度、加热温度、加热速度及加热时间等都有关系，如果装炉量太大会造成套圈之间相互挤压而产生变形，加热速度太快会产生较大的热应力，对于较大尺寸的薄壁件需要缓慢预热低温加热，必要时套圈需要呈45°的摆放方式进炉，套圈之间留有一定的间距，以免落入油槽时产生磕碰。对于圆锥套圈来说，应该预热时间长一些，使各部分的厚度能均匀地加热，减少热应力和组织应力。对于外径≤50mm的薄壁套圈，可以自动进料摆放成双层或人工散装摆放，人工散装加料不能堆得太高。建议加热温度取下限，温度控制在±5℃，加热温度以达到奥氏体化为准，一般在820～840℃，加热温度不能太高，否则马氏体针变粗及残留奥氏体太多会影响到其淬火畸变，使接触疲劳寿命降低，加热温度以达到隐晶马氏体、细针马氏体＋细小碳化物及少量残留奥氏体为准。

炉内以氮甲醇可控气氛为好，碳势CP在0.9%～1.0%，碳势CP控制精度在±1%。应该注意炉尾油烟气不能进入炉膛内，否则炉内碳势会偏高，出现假碳势现象。平时要定期进行清洗炉膛——烧炭黑处理。对于套圈外径≤200mm、厚度≤12mm的加热方式，也有用企业多用炉或辊底炉加热，其淬火冷却介质是用盐浴进行马氏体分级淬火，可显著地改善淬火畸变和获得良好的硬度及金相组织。

2.套圈冷却时的圆柱度和锥度的畸变

对于中小尺寸的套圈来说，企业在控制畸变方面的要求一般都会提出将国家标准（JB1255/T－2001）压缩10%左右的要求，并不进行淬火时的机械矫正，而直接靠热处理工艺来保证，这就牵涉到淬火温度、加热时间、淬火油的选择，淬火油温及淬火油的搅拌力度的大小都会对套圈的畸变产生影响，其中又以冷却方式影响最大。如从φ50mm×φ40mm×20mm的试验套圈来说，随着油温的升高圆柱度和锥度就会变小。如油温在50℃时，它的圆柱度是0.10mm，锥度是0.05mm；油温在90℃时圆柱度0.075mm，锥度是0.04mm；油温在110℃时圆柱度是0.055mm，锥度是0.035mm。在正常情况之下油温控制在70～90℃较好，这样可以延长油的使用寿命，况且在实际生产过程中证实此油温是合适的，如φ85mm×78mm×18mm外圈的圆柱度标准允许≤0.20mm，实际0.12mm。又对同一变形量不同油温所占百分比做一个试验，试验样品φ62mm×φ55mm×15mm，油温在50℃时的不圆柱度在0.07mm的比例占9%左右；而当油温升到120℃时其圆柱度在0.07mm时仅2%左右，所以说提高油温可以减小圆柱度。

另外，淬火油的搅拌速度太大对于圆柱度的影响也是很大的，如将φ100mm×φ90mm×17mm的试样在不同搅拌速度时达到的圆柱度也不一样，如搅拌速度200r/min时圆柱度0.04mm；在270r/min时圆柱度是0.06mm；在340r/min时圆柱度是0.10mm。对于壁厚≤2mm的薄壁套圈来说，可以停止淬火油的搅拌和小输送带的上下窜动，这样可以明显地降低圆柱度和锥度的发生。对于较大尺寸的套圈淬火后有锥度也是不可避免的，但采取措施可以减少锥度。因为同一厚度的套圈在热油中冷却时，落入油槽内的小输送带上的套圈两端的冷却速度是不一样的，其套圈上端的冷却速度比下端的冷却速度慢，因为达到Ms点较迟，所以上端的外径要比下端大，因而产生了锥度。解决办法是将套圈翻转180°，即油槽内必须有大小两个输送带，套圈首先落入有无级调速的小输送带上运行一定时间（20s）后，即掉入到大输送提升网带上，此时套圈已经翻转180°，其锥度仅0.01mm。它可以使套圈的两个端面基本同时达到Ms，这样套圈的锥度基本就解决了。

江苏丰东热技术股份有限公司、杭州金舟电炉科技股份公司等企业生产的网带炉就可以满足工艺调整的需要，对于解决套圈的锥度方面有很大帮助。对于壁厚较大的套圈来说，还可以调整小输带上下窜动的频率，使套圈两端的组织转变达到一致。另外，小输送带的走向应该同大输送带走向相反，为此淬火油槽需要加长，对于整条生产线的排序来说，套圈从淬火油槽出来后应该先经5～10℃的冷清洗，后经80℃的热清洗，最后再回火，以此减少残留奥氏体量，尽量减少套圈的涨大量。

3.淬火冷却介质的选择

为了减小套圈淬火时的畸变，淬火油需要选择特性温度较高的分级淬火油，如KR468G轴承专用淬火油，它的闪点高并具有良好的冷却性能，高中温的冷却速度快，蒸气膜破裂快，轴承表面不会出现托氏体或贝氏体组织，即不会有逆硬化现象发生。它具有较强的淬硬淬透能力，可以获得较高的硬度，它在低温时的冷却速度又比较缓慢，为此可以降低组织应力和热应力，可以使套圈淬火时的畸变小一些。分级淬火油还应该具备良好的光亮性、易清洗，具备良好的抗老化性能，能够保持长期稳定的淬火质量和使用寿命的性能。

从生产现场得知φ168mm×φ140mm×37mm壁厚10mm的圆锥轴承外圈，加热温度是827℃、842℃、842℃、838℃（4个区），加热时间54min，小输送带上下窜动20次/min，小输送的运行速度20s，淬火后的圆柱度≤0.16mm，锥度在0.05mm左右，淬火硬度64.5HRC，金相组织托氏体1级，表面颜色银灰色，达到了技术要求。对于壁厚在3.5mm的φ85mm×φ73mm×18mm的轴承外圈，它的加热温度应该低一些，一般设定在810℃、820℃、833℃、833℃、820℃，油温90℃，淬火时关闭循环油泵，将小输送带的窜动定在18次/min，小输送带运行速度15s，淬火后其圆柱度≤0.12mm（要求≤0.20mm），锥度≤0.03mm，硬度64HRC，表面呈银灰色，达到了技术要求。套圈的表面颜色是大家很关心的问题，在新的炉子调试时，若炉内气氛已经调整好了，但是套圈表面颜色仍然不是很均匀，出现花斑或黑色。若淬火油表面还有较多的气泡，可能是因为淬火油槽上的几个油泵的质量问题，更替质量好的油泵，如改用进口油泵，淬火油表面的气泡就减少许多，此时套圈表面的颜色将会呈现出银灰色，否则需要很长的时间才能使表面颜色调整好，达到均匀的银灰色。淬火油的使用年限大于5年时，更要做好维护保养工作，因工件带入的杂质及可控气氛所产生的炭黑等都会污染淬火油，为了延长淬火油的使用寿命，平时可以通过6000r/min的高速离心机将污物清除掉，其淬火油的化学成分及物理性能仍然能保持不变，但是在使用高速离心机时要注意空气被带入油槽中，一般都是在炉子有间隙时间时使用；还有一种用除炭剂沉淀的办法也可以回收大部分的淬火油，这样可以节省整槽换油的成本。

同样在多用炉、网带炉或辊底炉中也可用硝盐分级淬火的办法来达到减小淬火畸变的目的，其效果也很好。高碳铬轴承钢的马氏体转变开始温度在850℃，奥氏体化时是202℃，将硝盐温度控制在160～180℃时即可达到马氏体分级淬火目的，使套圈的圆柱度得到明显改善，硝盐中必须含有0.5%～1.5%水分，它可以调节硝盐的冷却速度。硝盐的配置一般为：①45%NaNO3＋27.5%NaNO2＋27.5%KNO3，熔点120℃，使用温度140～260℃。②50% NaNO2＋50% KNO3，它的熔点为143℃，使用温度160～550℃。在工件上或废水中的残余亚硝钠的无害化处理是用NaClO氧化剂在水中进行溶解处理，其化学反应是：NaNO2＋NaClO＝NaNO3＋NaCl，通过专门处理后的亚硝酸根废水在检验能达到＜100mg/L时即可排放。