GCr15軸承鋼球的熱處理工藝及缺陷分析摘要：本論文重點對GCr15軸承鋼球熱處理工藝的設計進行了討論，同時對熱處理后其可能存在的熱處理工藝缺陷進行了分析。鋼球在不同熱處理工藝下雖然都能達到其使用要求，但所需的成本卻大不相同，因此在滿足其使用要求的同時也應該注意生產成本。熱處理常常因操作、原材料等產生缺陷，但只要有正確的熱處理工藝并嚴格按工藝進行加工熱處理缺陷也是可以避免的，即使產生了缺陷也可以采取相應的措施及時修復缺陷。關鍵詞：GCr15軸承鋼球熱處理設計熱處理工藝熱處理缺陷引言滾動軸承是機械工業(yè)十分重要的基礎標準件之一;滾動軸承依靠元件間的滾動接觸來承受載荷，與滑動軸承相比:滾動軸承具有摩擦阻力小、效率高、起動容易、安裝與維護簡便等優(yōu)點。缺點是耐沖擊性能較差、高速重載時壽命低、噪聲和振動較大。圖1軸承及鋼球實物圖滾動軸承的基本結構（圖1）：內圈、外圈、滾動體和保持架等四部分組成。常用的滾動體有球、圓柱滾子、滾針、圓錐滾子。軸承的內、外圈和滾動體，一般是用軸承鋼（如GCr15、GCr15SiMn）制造，熱處理后硬度應達到61～65HRC。當滾動體是圓柱或滾針時，有時為了減小軸承的徑向尺寸，可省去內圈、外圈或保持架，這時的軸頸或軸承座要起到內圈或外圈的作用。為滿足使用中的某些需要，有些軸承附加有特殊結構或元件，如外圈帶止動環(huán)、附加防塵蓋等。滾動軸承鋼球的工作條件極為復雜，承受著各類高的交變應力。在每一瞬間，只有位于軸承水平面直徑以下的那幾個鋼球在承受載荷，而且作用在這些鋼球的載荷分布也不均勻。力的變化由零增加到最大，再由最大減小到零，周而往復得增大和減小。在運轉過程中，鋼球除受到外加載荷外，還受到由于離心力所引起的載荷，這個載荷隨軸承轉速的提高而增加。滾動體與套圈及保持架之間還有相對滑動，產生相對摩擦。滾動體和套圈的工作面還受到含有水分或雜質的潤滑油的化學侵蝕。在某些情況下，軸承零件還承受著高溫低溫和高腐蝕介質的影響。1、GCr15軸承鋼球的組織與性能特點分析1.1GCr15軸承鋼球的組織要求軸承鋼球的接觸疲勞壽命對鋼的組織和性質的不均勻性特別敏感。因此，對使用狀態(tài)下的組織和原始組織提出了一系列要求。軸承鋼在使用狀態(tài)下的組織應是回火馬氏體基本上均勻分布有細粒的碳化物，這樣的組織能賦予軸承鋼所需要的性能。對原始組織的要求主要有兩個方面：一是純凈，指鋼中雜質元素和夾雜物含量要少；二是組織均勻，指鋼中非金屬夾雜物和碳化物應當細小分散和分布均勻。所以鋼的純凈度和組織均勻度是衡量軸承鋼冶金質量的兩個重要指標。1.2GCr15軸承鋼球的化學成分及影響GCr15軸承鋼是一種合金含量較少、具有良好性能、應用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。經(jīng)過淬火加回火后具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能。該鋼冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，對形成白點敏感性能大，有回火脆性。其中的化學成分主要是碳（0.95-1.05％）、鉻（1.40-1.65％）、硅（0.15-0.35％）、錳（0.20-0.4％）、磷（≤0.027％）、硫（≤0.020％）、鎳（≤0.30％）、鉬（≤0.10％）等。a、碳的影響除了滲碳鋼外，一般軸承鋼的含碳量在0.95—1.05%，屬于過共析成分。這樣在淬火和低溫回火后能得到高的硬度、高的接觸疲勞強度和耐磨性。為了形成足夠的碳化物以增加耐磨性，含碳量不能太低，但是過高的含碳量會增加碳化物的不均勻性并且會形成網(wǎng)狀碳化物使力學性能降低。b、合金元素的影響鉻是軸承鋼的主要化學成分，鉻能夠提高淬透性，減少過熱傾向，提高低溫回火穩(wěn)定性。硅、錳在軸承鋼中主要提高淬透性。鎳在滲碳軸承鋼中能使鋼的韌性和塑性有所提高，鎳可以提高鋼對疲勞的抗力和減小鋼對缺口的敏感性。鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，增加在某些介質中的抗蝕性。釩在軸承鋼中提高強度和屈服比，特別是提高比例極限和彈性極限，降低熱處理時脫碳敏感性，從而提高了表面質量，無鉻含釩的軸承鋼，碳化物彌散度高，使用性能良好。1.3GCr15軸承鋼球所具有的性能要求GCr15大量用于制造汽車、拖拉機等所使用的軸承鋼球以及機床使用的主軸軸承鋼球和鐵路車輛、礦山機械、電機軸承、通用機械用軸承鋼球。其中滾動體材料必須具有的特性：接觸疲勞強度高；硬度高；純潔度高；耐磨性好；組織穩(wěn)定性好；機械加工性能好。因此滾動體的材料要求有高的硬度和接觸疲勞強度、良好的耐磨性和沖擊韌性。常用的軸承材料，一般用強度高、耐磨性好的鉻錳高碳鋼制造。根據(jù)這樣的工作條件，對材料要求如下：①有較高的彈性極限和疲勞強度。能耐微塑性變形；②材料致密，非金屬夾雜少，顯微組織均勻；③通過熱處理能得到很高的硬度，而且硬度均勻，無軟點，在長時期保持硬度穩(wěn)定不變，淬透性要好，或能淬硬至必要深度，同時要求通過機械加工能夠得到很高的表面光潔度，以保證有很好的耐磨性和較低的摩擦系數(shù)；④有較好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性；⑤在制成的成品應有很好的尺寸穩(wěn)定性，能在較長的工作或庫存以后，保持尺寸與幾何精度在合格的范圍內；當然，還要求加工的工藝性要好。以上為軸承鋼球對材料的要求，而對于特殊工況下的軸承鋼球，除滿足上述一般要求外，根據(jù)其對耐高溫、抗腐蝕、無磁性、超低溫、高精度、特長壽命的特殊要求，應該選用相應的特殊軸承鋼球材料。2、軸承鋼球的失效在機、電、工業(yè)中，軸承是應用最為廣泛的基礎件之一，尤其是滾動軸承。無論是普通的機械設備、運輸工具還是航空、航海、航天，凡是有轉動的地方，就有軸承鋼球在工作。顯然，確保軸承鋼球在各種環(huán)境條件下都能正常工作，是十分重要的。軸承鋼球在工作中喪失其規(guī)定功能，從而導致故障或不能正常工作的現(xiàn)象稱為失效。軸承鋼球失效的原因往往是多因素的，但在一般情況下，大體上可以從外來因素和內在因素。外來因素主要是指安裝調整、使用保養(yǎng)、維護修理等是否符合技術要求。安裝條件是使用因素中的首要因素之一，軸承往往因安裝的不合適而導致整套軸承各零件之間的受力狀態(tài)發(fā)生變化，軸承將在不正常的狀態(tài)下運轉并提早失效。軸承在使用時發(fā)現(xiàn)異常應立即查找原因，進行調整，使其恢復正常。對潤滑劑質量和周圍介質、氣氛進行分析檢驗也很重要。這些都是導致軸承鋼球失效的主要外在因素。內在因素主要是指設計、制造工藝和材料質量等決定軸承質量的三大因素。也可稱之為制造質量因素。結構設計不合理當然不可能有合理的軸承鋼球的壽命;只有結構設計同時具有合理性和先進性，才會有較長的軸承壽命。軸承鋼球的制造要經(jīng)過鋼材冶煉、鍛造、沖壓、熱處理、車削、磨削和裝配等多種加工工序。最直接影響成品軸承鋼球質量的是熱處理和磨削加工工藝。隨著冶金技術的提高，原材料質量得到較大的改善，在軸承鋼球失效分析中所占的比重已經(jīng)明顯下降，但至今它仍然是軸承鋼球失效的主要影響因素之一。另外，選材是否得當仍然是軸承鋼球失效必須考慮的因素。軸承失效的形式與負荷大小有關，轉速高低等工作條件以及軸承的精度有關。主要失效形式：a、接觸疲勞（疲勞磨損）失效；b、沾附和磨粒磨損失效;c、斷裂失效；d、塑形變形失效；e、腐蝕和腐蝕磨損;f、失效游隙變化失效為了防止軸承零件和成品在加工、存放和使用過程中被腐蝕生銹，要求軸承鋼應具有良好的防銹性能。大多失效原因是由于裝配有毛病，密封不良而造成損壞的。為使軸承能夠正常運轉，避免零件表面直接接觸，減少軸承內部的磨擦及磨損。提高軸承性能，延長軸承的使用性能，必須對軸承進行潤滑3、GCr15軸承鋼球一般加工路線球坯成型（冷鐓成型）→銼削（光球）→軟磨→熱處理（球化退火+淬火+低溫回火）→硬磨→細研→精研→（或拋光）→超精研冷鐓工序的主要是為了沖壓出合格的球坯，同時可使鋼材在冷鐓過程中成分更加均勻，有效減少缺陷（夾雜、偏析等不良組織）含量，使工件組織缺陷的影響減小到最小，為后續(xù)工序做好形狀上和組織上的準備。銼削（光球）工序設計為了去除球坯的環(huán)帶和兩極，糾正鐓壓偏差，統(tǒng)一鋼球直徑公差。軟磨工序是為了去除銼削加工后遺留下的銼齒齒痕，銼削疲勞及材料的脫碳層，以提高熱處理前的鋼球精度，使工件外形更接近所需尺寸，為以后工序留好加工余量，以防后續(xù)加工出現(xiàn)尺寸偏差無法補救。熱處理工序是為了使鋼球形成合適的內部組織，具有一定硬度，以保證它具有一定的強度和耐磨性能等。鋼球一般熱處理工藝順序：預備熱處理（球化退火）→最終熱處理（淬火+低溫回火）硬磨工序是為了糾正軟磨工序的球形誤差以及清除熱處理時的尺寸變形、脫碳層、氧化皮和表皮組織缺陷使工件的尺寸符合工件所需尺寸，達到技術要求，同時通過硬磨在表層形成加工硬化層，進一步提高工件的力學性能。細研工序是為了使硬磨后的鋼球滿足所需求的精度要求，減小鋼球表面粗糙度，為以后工序的研磨打下良好的基礎。拋光通常在表面處理后進行，其目的是去除金屬表面細微劃痕，降低工件的表面粗糙度值，使工件獲得裝飾性外觀，同時也使工件在使用過程中減小摩擦阻力，尤其是球體類零件，可以先主增強其使用壽命。精研和超精研工序進一步改善鋼球的球形誤差和減小表面粗糙度，提高表面質量，達到標準。4、GCr15軸承鋼球熱處理工藝設計與分析4.1預先熱處理工藝設計預先熱處理是球化退火，因此只要討論球化退火工藝設計。球化目的：使鋼球中碳化物球化，并均勻化學成分，達到改善機械加工性能，消除或減少內應力，并為零件最終熱處理準備合適的內部組織。球化退火后獲得細球狀珠光體，硬度低，易于切削加工，表面光潔度較高。球化退火后的細球狀珠光體可改善鋼熱處理后的最終力學性能。球化退火方法：將鋼加熱到稍低于或稍高于Ac1的溫度或者使溫度在A1上下周期變化，然后緩慢冷下來，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。4.1.1球化退火設計方案一（1）球化退火方案一工藝及設備將鋼球加熱到780-810℃，保溫2-6h后，隨爐冷至600℃取出空冷，退火方案一曲線圖見圖2。設備選擇：RX3-15-9箱式爐（如圖3）時間時間空冷溫度780-810℃爐冷2-6h圖2球化退火方案一曲線圖圖3RX3-15-9箱式爐（2）球化退火方案一分析：①退火溫度GCr15軸承鋼的熱處理加熱范圍為780-810℃，而790℃被認為是最合適的溫度，在此溫度加熱，部分碳化物溶解，細鏈狀碳化物也可以消除。細小未融的碳化物較多，所形成的奧氏體成分不均勻，于是在冷卻時，為融碳化物變成核心，滲碳體在晶界區(qū)和晶粒內碳濃度較高的區(qū)域以球狀析出，形成球化組織。如果加熱溫度過高，奧氏體成分均勻，片狀珠光體溶解量過少，冷卻時的結晶核心減少，形成的珠光體將呈片狀。如果溫度過低，片狀珠光體溶解不充分，奧氏體成分不均勻，則冷卻過程中，碳化物沿原片狀層析出或呈細小的鏈狀。在球化退火時奧氏化是“不完全”的，只是片狀珠光體轉變成奧氏體，及少量過剩碳化物溶解。因此，它不可能消除網(wǎng)狀碳化物，如過共析鋼有網(wǎng)狀碳化物存在，則在球化退火前須先進行正火，將其消除，才能保證球化退火正常進行。普通球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫適當時間，然后隨爐緩慢冷卻，冷到600℃左右出爐空冷。等溫球化退火是與普通球化退火工藝同樣的加熱保溫后，隨爐冷卻到略低于Ar1的溫度進行等溫，等溫時間為其加熱保溫時間的1.5倍。等溫后隨爐冷卻至600℃左右出爐空冷。和普通球化退火相比，球化退火不僅可縮短周期，而且可使球化組織均勻，并能嚴格地控制退火后的硬度。退火溫度為780-810℃時，退火硬度最低，溫度過高或過低均使硬度升高②保溫時間從完成組織轉變的過程來看，具有正常鍛造組織的GCr15軸承鋼球在780℃時，珠光體向奧氏體轉變在5-10min內可完成。適當延長保溫時間，可降低網(wǎng)狀滲碳體的級別如果保溫30-40min，可使＜3.5級的網(wǎng)狀碳化物基本球化。因此退火保溫時間實際上一個小時就夠了。但對于大批量生產來說，由于爐內溫度不易均勻，通常需要保溫2-6h，這視工件大小、裝爐量、裝爐方式及原始組織不均勻而定。③退火冷卻球化退火冷卻速度決定了碳化物的分散度。冷卻速度大時，珠光體轉變的形核率增加，會形成大量極細密的碳化物，硬度較高，冷卻速度低，則形成顆粒較大的碳化物，硬度較低。實際生產中速度控制在10-30℃/h范圍內，冷卻到600℃以下時，可以出爐空冷，一般隨爐冷卻即可達要求。4.1.2球化退火設計方案二（1）球化退火方案二工藝及設備將鋼球加熱到780℃-800℃，保溫4-6h，隨爐冷至710-730℃保溫3-5h，隨爐冷至650℃后取出空冷。退火方案二曲線圖見圖4。3-5h780-800℃710-733-5h780-800℃710-730℃4-6h溫度爐冷空冷時間圖4球化退火方案二曲線圖（2）球化退火方案二分析：①退火溫度GCrl5鋼加熱溫度超過Ac1時，珠光體開始向奧氏體轉變。溫度越高，奧氏體化后鋼的組織越趨于均勻。未溶的碳化物越少，這對珠光體的球化是不利的奧氏體化條件與等溫溫度對硬度的影響，結果表明在臨界區(qū)對鋼加熱，一旦加熱溫度升高，則鋼的淬火硬度明顯增高。這說明發(fā)生了奧氏體的富碳過程，即碳化物溶解過多，這樣會導致球化困難。同時還指出，在高的溫度奧氏體化下，若保溫時間延長。同樣會使球化困難，而且影響十分明顯。這樣看來，退火加熱溫度是一個關鍵。為此根據(jù)GCr15鋼的Ac1將循環(huán)曲線的加熱溫度制定為790℃。②保溫時間等溫溫度即珠光體轉變溫度對球化過程的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)若將等溫溫度降低，即使在奧氏體中有大量的未溶碳化物，也將導致大量的片狀珠光體形成。因而讓珠光體在比較高的溫度下長時間保溫對球化組織的形成很重要。一般第一次保溫時間為4-6h，而第二次保溫時間可以相對的縮短一般3-5h左右就可達到所需的要求。③冷卻介質鋼球經(jīng)空冷所得組織是片層狀珠光體與網(wǎng)狀滲碳體，這種組織硬而脆，不僅難以切削加工，且在以后淬火過程中也容易變形和開裂。而經(jīng)球化退火得到的是球狀珠光體組織，其中的滲碳體呈球狀顆粒，彌散分布在鐵素體基體上，和片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易長大，冷卻時工件變形和開裂小。4.1.3球化退火方案比較及選用（1）球化退火熱處理方案確定熱處理工藝相差不大，兩種熱處理方案都能達到鋼球的所需性能要求，但加工工藝經(jīng)濟性差距比較大方案一比方案二熱處理工序少，成本相比就低。方案一適合一般軸承鋼球使用。方案二思路可能適合精密鋼球生產制造。因此選擇球化退火設計方案一，作為預先熱處理工藝，即球化退火工藝。（2）球化退火后質量檢驗項目①顯微組織（如圖5）細球狀珠光體，根據(jù)第一級別球對比球化組織進行評級，2-4級為合格圖5球化退火后組織圖②硬度GCr15軸承鋼球為61HRC③碳化層按第三級別圖評定，＜2.5級為合格④脫碳層深度不得超過車削加工余量的2/34.2最終熱處理設計最終熱處理是淬火+低溫回火，低溫回火工藝一樣，主要討論淬火工藝設計。（1）淬火目的及方法淬火目的：把工件加熱到奧氏體化后，以適當?shù)姆绞嚼鋮s（通常是快冷）獲得馬氏體和貝氏體組織。再經(jīng)回火使鋼材獲得需要的使用性能，以充分發(fā)揮材料的潛力。淬火方法：奧氏體被冷至低溫區(qū)域下發(fā)生相變，由于相變溫度低，原子擴散極困難。相變只發(fā)生點陣畸變型位移和切變（鐵原子只做短程位移）而不發(fā)生碳原子的擴散，因此，馬氏體是碳在γ—Fe中的過飽和固溶體，形成以碳原子為中心的應力場。該應力場會阻礙位錯運動，也可以理解為碳原子對位錯的釘扎作用，從而使馬氏體硬度和強度提高。（2）回火目的及方法回火目的：GCr15軸承鋼球淬火后處于高應力狀態(tài)，沖擊韌度、疲勞強度等性能都很低。淬火組織中馬氏體和參與奧氏體是不穩(wěn)定相，影響組織和尺寸的穩(wěn)定性。因此，GCr15軸承鋼球淬火后要及時回火，以消除淬火應力，提高組織和尺寸的穩(wěn)定性，并提高綜合力學性能。GCr15軸承鋼球回火后的組織為隱晶或細小結晶狀馬氏體和細小殘余碳化物和少量殘余奧氏體，硬度為61—65HRC回火方法：將淬火成馬氏體的鋼加熱到臨界點A1以下某個溫度，保溫適當時間，再冷到室溫的一種熱處理工藝。當鋼球全淬成馬氏體再加熱到150℃-180℃回火時，隨著回火溫度升高，按其內部組織結構變化，分四個階段進行：a、馬氏體的分解；b、殘余奧氏體的轉變；c、碳化物的轉變；d、相狀態(tài)的變化及碳化物的聚集長大．當鋼中含有較多的碳化物形成元素時，在回火第四階段溫度區(qū)(約為500-550℃)形成合金滲碳體或者特殊碳化物。這些碳化物的析出，將使硬度再次提高，稱為二次硬化形象。4.2.1淬火設計方案一（1）淬火方案一工藝及設備將鋼球加熱到830-850℃，加熱前可先預熱到530-550℃以減少經(jīng)濟成本，再按1.2-1.5min/mm的速率保溫，一般保溫時間為10-15min，然后在30-80℃的10號、20號機油中冷卻。淬火方案一曲線圖見圖6。設備選擇：小型推桿式電爐（如圖7）5530-550℃830-850℃10-15min10-15min油冷溫度時間圖6淬火方案一曲線圖圖7小型推桿式電爐（2）淬火方案一分析：①淬火溫度GCr15軸承鋼球的淬火溫度范圍為830—850℃，在840℃加熱淬火，能得到最高的硬度，彎曲疲勞強度和沖擊韌度，如淬火溫度太高，奧氏體晶粒粗大，殘余奧氏體增多,未溶碳化物過少。如淬火溫度過低,由于奧氏體中的合金元素濃度低,造成淬火組織中出現(xiàn)屈氏體組織,同時馬氏體中含碳量偏低,未溶解碳化物數(shù)量過多,淬火溫度過高過低都會使零件強度和疲勞壽命降低?？稍诖慊鸺訜崆暗募宇A熱，其目的主要是，縮短淬火加熱時間、減少變形開裂、同時也可減少過熱和脫碳的傾向，本工藝采用箱式電爐預熱，溫度在530—550℃左右保溫10-15分鐘。②保溫時間GCr15軸承鋼球在爐中的保溫時間可按鋼球的直徑計算。對大GCr15軸承鋼球為1.2-1.5min/mm。小鋼球則裝在籃筐中加熱，其保溫時間可按籃筐的直徑來計算，為17-20s/mm。③淬火冷卻由于GCr15軸承鋼球含有合金元素較多，阻礙了成分的均勻化，也為了防止GCr15軸承鋼球變形并且還要有一定的韌性和抗疲勞強度，所以用油冷，油溫控制在20-60℃。4.2.2淬火設計方案二（1）淬火方案二工藝及設備將鋼球加熱到830-850℃，保溫3-5h，冷卻到230-250℃進行等溫，放入KNO3+50％NaNO3溶液中等溫，等溫時間為3-5h，取出清洗，空冷。淬火方案二曲線圖見圖8.設備：等溫淬火爐（如圖9）830-850℃830-850℃3-5h3-5h230-250℃時間空冷溫度圖8淬火方案二曲線圖圖9等溫淬火爐（2）淬火設計方案二分析：①淬火溫度淬火溫度為840℃時，沖擊韌性達到頂峰，超過840℃，沖擊韌性將急劇下降。同時，加熱溫度過高將引起工件表面脫碳、淬火變形大和等溫時間延長等缺點，因此，加熱溫度不宜超過850℃。根據(jù)所處理的零件尺寸不同，推薦加熱溫度為830-850℃。隨等溫溫度升高，硬度及耐磨性下降，沖擊韌性升高。關于等溫溫度對接觸疲勞性能的影響，各研究結論不一。本研究結果表明，隨等溫溫度升高，接觸疲勞壽命提高；有研究表明，隨等溫溫度升高，接觸疲勞壽命下降，這可能與試驗條件有關，尚需進一步研究。綜合而言，要獲得高韌性，則應適當提高等溫溫度；對性能要求以高硬度和耐磨性為主時，應適當降低等溫溫度。另外，在獲得相同數(shù)量下的前提下，適當提高等溫溫度可縮短等溫時問。獲得較好綜合力學性能的等溫溫度為230-250℃。②保溫時間眾所周知，在相同加熱條件及等溫濕度下，隨等溫時間延長，等溫淬火后得到的貝氏體增多，硬度降低。但等溫時間對其他性能的影響尚缺乏系統(tǒng)研究，有研究表明，貝氏體組織可得到最佳的韌性、接觸疲勞性能；隨等溫時間延長，韌性升高，耐磨性及接觸疲勞性能下降。從生產現(xiàn)場角度上來看，要獲得合適比例的貝氏體下，其等溫時間較難控制。③冷卻介質由于等溫時溫度較低在正常情況下空冷可達到鋼球的性能要求，因此在鋼球采用等溫淬火時一般可采用空冷的方式，也可采用油冷。4.2.3淬火方案比較及選用（1）淬火方案確定從性能上來看兩種熱處理方案都能達到鋼球的性能要求，但方案二采用等溫淬火加工時花費的成本要比方案一大，且方案二操作比較復雜。因此一般鋼球的淬火工藝可用方案一，方案二的淬火工藝思路可能適合精密鋼球的熱處理。因此在此選用淬火方案一，作為一般鋼球淬火加工工藝。（2）淬火后檢查項目①外觀淬火后GCr15軸承鋼球表面無裂紋、傷痕、軟點等。②硬度GCr15軸承鋼球淬火后應符合技術要求＞63HRC。③顯微組織（如圖10）軸承鋼球淬火后組織為隱晶或細小結晶狀馬氏體和細小殘余碳化物和少量殘余奧氏體所組成。不允許有過熱針狀馬氏體或托氏體組織超過規(guī)定。淬火后殘留粗大碳化物顆粒直徑＜4.2um圖10淬火未回火組織圖④斷口鋼球淬火斷口具有細小晶粒閃爍光澤的斷口，不允許有欠熱，過熱以及其他形式的斷口存在。4.2.4低溫回火工藝由于低溫回火工藝比較簡單，操作簡單，在此只設計一種一般的低溫回火工藝，且工藝以上兩種淬火工藝都可采用此工藝回火。（1）低溫回火工藝及設備GCr15軸承鋼球的回火是將鋼球加熱到150-180℃，保溫3-6h,然后出爐空冷?；鼗鸸に嚽€圖見圖11。設備：回火爐（如圖12）150150-180℃3-6h空冷溫度時間圖11回火工藝曲線圖圖12回火爐（2）回火工藝分析：①回火溫度GCr15軸承鋼球為了獲得高硬度和較好的接觸疲勞強度、沖擊韌度和使用壽命，通常采用160±5℃的低溫回火。回火后的組織為回火馬氏體。因此鋼球具有高硬度和高耐磨性，但內應力和脆性降低。②保溫時間回火時間應包括按工件截面均勻地達到回火溫度所需加熱時間以及按M參數(shù)達到要求回火硬度完成組織轉變所需的時間，如果考慮內應力的消除，則尚應考慮不同回火溫度下應力弛豫所需要的時間。對以應力弛豫為主的低溫回火時間應比表列數(shù)據(jù)長，長的可達幾十小時。對二次硬化型高合金鋼，其回火時間應根據(jù)碳化物轉變過程通過試驗確定。當含有較多殘余奧氏體，而靠二次淬火消除時，還應確定回火次數(shù)。由于回火溫度較低，回火進程進展比較緩慢，短時間內回火得不到穩(wěn)定的組織和性能，而且內應力的消除也比較緩慢，故取較長的保溫時間。GCr15軸承鋼球一般回火時間為3-6h。③冷卻介質回火后鋼球在空氣中冷卻。以防止開裂。回火后應進行油冷，以抑制回火脆性。在防止開裂條件下，可進行油冷或水冷，然后進行一次低溫補充回火，以消除快冷產生的內應力。附加回火（穩(wěn)定化處理）減少殘余應力的方法是附加回火。經(jīng)過淬火、回火的鋼球在磨削加工中，又將產生磨削應力，據(jù)測試磨削應力可高達500—600Mpa。它和低溫回火時未能完全消除的殘余應力疊加在一起，引起軸承的尺寸變化，甚至導致表面龜裂。因此軸承在磨削加工后要進行回火，即附加回火。一般軸承鋼球附加回火采用130—150℃回火3—6小時，回火一次。精密軸承鋼球回火時間是15—24小時，回火兩到三次。（3）回火后質量檢查項目①硬度回火后硬度符合工件技術要求達到61HRC或以上硬度。圖13回火后組織圖②金相組織（如圖13）GCr15軸承鋼珠的回火組織為在隱晶馬氏體基體上均勻分布著細小的碳化物顆粒。不允許有過熱針狀馬氏體和大于6、7級的屈氏體組織。碳化物平均直徑小于4.2微米和碳化物網(wǎng)狀≤級為合格③斷口回火后斷口為灰色綢褶狀斷口。不應有過熱、欠熱和碳化物網(wǎng)狀大于3級的小亮點斷口。4.3鋼球一般熱處理工藝流程最終確定（1）預備熱處理選擇：球化退火設計方案一（2）最終熱處理選擇：淬火設計方案一+低溫回火（3）熱處理具體流程：鋼球球化退火（加熱到790℃）→保溫4小時左右→爐冷至600℃出爐空冷至室溫→將鋼球加熱到840℃淬火→保溫一段時間→取出油冷→將鋼球加熱到150℃-180℃回火→保溫4小時左右→取出油冷至室溫4.4鋼球熱處理后的潤滑與防銹潤滑是保證軸承正常運轉的必要條件，不論采用任何種類的潤滑形式，潤滑在軸承中都能起著減少金屬間的摩擦，減緩其磨損的作用，從而延長軸承的使用壽命。在采用油和脂作潤滑劑潤滑時，滾動軸承的潤滑摩擦面上會形成一層在一定條件下能使相對滑動表面隔離，并能傳遞負荷的潤滑膜，也正由于這層彈性流體動力膜的存在。從而保證了滾動軸承能在高頻率接觸力下長時間地正常運轉，滿足了現(xiàn)代化機械設備性能的要求。軸承在運轉中，內部各零件存在著不同形式、不同程度的相對運動，從而導致摩擦發(fā)熱和磨損，甚至燒傷。因此軸承鋼球必須有可靠的潤滑。軸承的防銹工作是軸承管理的重要方面。一般普通級精度的軸承的有效防銹期，自軸承制造廠出廠日期起不應少于12月，精密級軸承或經(jīng)特殊防銹處理和包裝的軸承，其有效防銹期自軸承制造廠出廠日期起不應少于24個月，如果采用全密封或真空包裝的軸承、并在嚴格遵守存儲規(guī)則的前提下，有效防銹期可延長至5年。長期儲存的軸承應進行防銹抽檢，抽檢周期一般為三個月，抽驗的主要目的是檢查軸承的有效防銹日期、軸承包裝油封完好情況及是否發(fā)生銹蝕，同時檢查庫房里的防銹設施是否符合要求。庫存軸承在驗收或檢查過程中，均需進行：軸承啟封→去除原油封→檢查或除銹處理→涂防銹油（脂）→軸承內包裝→軸承外包裝。5、GCr15鋼球熱處理后的檢驗及缺陷分析5.1鋼球熱處理后組織結構與力學性能及檢驗（1）GCr15軸承鋼球最終組織GCr15軸承鋼球最終的組織為隱晶或細小結晶狀馬氏體和細小殘余碳化物和少量殘余奧氏體。圖7為鋼球熱處理后的組織圖圖14GCr15鋼球熱處理后組織圖（2）GCr15軸承鋼球檢驗項目GCr15軸承鋼球硬度符合要求要達到61HRC或以上硬度，有符合標準的接觸疲勞強度、耐磨性、沖擊韌性、尺寸穩(wěn)定性、彈性極限、防銹性能等。鋼球經(jīng)最終加工完成后，均應進行一次綜合性的全面檢查，以保證能夠達到符合有關標準所規(guī)定的技術條件，最終檢測時，對測量溫度、測量儀器、測力及支撐點都是有特定要求的。①鋼球表面外觀質量檢查包括鋼球表面質量和表面粗糙度。鋼材表面質量通常用肉眼檢查，肉眼檢查必須在散光燈下進行二次100％的目視外觀檢查，以挑出各種廢品和缺陷。對經(jīng)超精研加工的鋼球，還要在表面粗糙度測量儀上測表面粗糙度，對于低噪音軸承采用的鋼球要測量鋼球振動值。②鋼球的硬度檢查在洛式硬度計上檢查其硬度，并抽取一定數(shù)量成品鋼球進行壓碎載荷或壓縮試驗③高倍組織檢查高倍組織用金相顯微鏡進行檢查，檢驗的項目有：退火組織（放大500倍）脫碳層深度（放大100倍），在鋼材的橫截面上檢查。碳化物液析、碳化物帶狀、非金屬夾雜物（放大100倍）在鋼材的縱向截面上檢查。5.2熱處理后缺陷分析5.2.1退火缺陷分析及防止辦法退火由于加熱或冷卻不當，會出現(xiàn)一些與預期目的相反的組織，造成缺陷。常見的退火缺陷有硬度過高，組織反常，表面脫碳等。（1）硬度過高中高碳鋼退火的重要目的之一是降低硬度，便于切削加工，因而對退火后的硬度有一定要求，但是如果退火時加熱溫度過高，冷卻速度過塊，特別是合金元素高、過冷奧氏體穩(wěn)定的鋼，就會出現(xiàn)索氏體、屈氏體、甚至貝氏體、馬氏體組織。因而硬度高于規(guī)定的硬度范圍。防止方法：為了獲得所需硬度，應重新進行退火，調整工藝進行二次退火；先進行正火然后進行退火（2）反常組織（圖15）其組織特征是：在亞共析鋼中，在先共析鐵素體晶界上有粗大的滲碳體存在，珠光體片間距也很大。在過共析鋼中，在先共析滲碳體周圍有很寬鐵素體條，而先共析滲碳體網(wǎng)也很寬出現(xiàn)反常組織的原因是：當亞共、析鋼或過共析鋼退火時，在Ar1點附近冷卻過慢，特別在略低于Ar1點(例如低10)℃的溫度下長期停留。這種組織的形成過程是待先共析相析出后，在后續(xù)的珠光體轉變中，鐵素體或滲碳體自由長大，而形成游離著的鐵素體或滲碳體.結果在亞共析鋼中出現(xiàn)非共析滲碳體，而在過共析鋼中出現(xiàn)游離鐵素體。這和正常組織相反,因而稱為反常組織。反常組織將造成淬火軟點。圖15反常組織防止方法：出現(xiàn)這種組織時應進行重新退火消。（3）表面脫碳（圖16）軸承鋼球在熱處理過程中，如果是在氧化性介質中加熱，表面會發(fā)生氧化作用使零件表面碳的質量分數(shù)減少，造成表面脫碳。表面脫碳層的深度超過最后加工的留量就會使零件報廢。表面脫碳層深度的測定在金相檢驗中可用金相法和顯微硬度法。以表面層顯微硬度分布曲線測量法為準，可做仲裁判據(jù)。圖16表面脫碳防止方法：加強對原材料和鍛件的脫碳控制；正確執(zhí)行工藝，防止跑溫；盡可能不進行正火和不重復退火；提高爐子密封性，在中性火焰爐中加熱。5.2.2淬火缺陷分析及防止辦法常見的淬火缺陷有過熱、欠熱、淬火裂紋、變形、表面脫碳、軟點等．（1）過熱（圖17）從軸承零件粗糙口上可觀察到淬火后的顯微組織過熱。但要確切判斷其過熱的程度必須觀察顯微組織。若在GCr15鋼球的淬火組織中出現(xiàn)粗針狀馬氏體，則為淬火過熱組織。形成原因可能是淬火加熱溫度過高或加熱保溫時間太長造成的全面過熱；也可能是因原始組織帶狀碳化物嚴重，在兩帶之間的低碳區(qū)形成局部馬氏體針狀粗大，造成的局部過熱。過熱組織中殘留奧氏體增多，尺寸穩(wěn)定性下降。由于淬火組織過熱，鋼的晶體粗大，會導致零件的韌性下降，抗沖擊性能降低，軸承的壽命也降低。過熱嚴重甚至會造成淬火裂紋。圖17過熱組織防止方法：合理制定工藝，嚴格執(zhí)行工藝；改善爐溫均勻性；裝爐量合理，放置要均勻；嚴格控制原材料及鍛件質量降低淬火溫度；按材料標準控制碳化物不均勻程度；提高退火質量，使退火組織為均勻細粒狀珠光體。（2）欠熱淬火溫度偏低或冷卻不良則會在顯微組織中產生超過標準規(guī)定的托氏體組織，稱為欠熱組織，它使硬度下降，耐磨性急劇降低，影響軸承壽命。防止方法：提高淬火溫度；合理制定工藝，嚴格執(zhí)行工藝；改善爐溫均勻性；裝爐量合理，放置要均勻；控制冷卻速度不宜過快。（3）淬火裂紋（圖18）軸承零件在淬火冷卻過程中因內應力所形成的裂紋稱淬火裂紋。造成這種裂紋的原因有：由于淬火加熱溫度過高或冷卻太急，熱應力和金屬質量體積變化時的組織應力大于鋼材的抗斷裂強度；工作表面的原有缺陷（如表面微細裂紋或劃痕）或是鋼材內部缺陷（如夾渣、嚴重的非金屬夾雜物、白點、縮孔殘余等）在淬火時形成應力集中；嚴重的表面脫碳和碳化物偏析；零件淬火后回火不足或未及時回火；前面工序造成的冷沖應力過大、鍛造折疊、深的車削刀痕、油溝尖銳棱角等?？傊?，造成淬火裂紋的原因可能是上述因素的一種或多種，內應力的存在是形成淬火裂紋的主要原因。圖18淬火裂紋防止方法：降低淬火溫度；提高零件出油溫度或提高淬火油溫度；降低車加工表面粗糙度；增加去應力工序；減少表面的脫碳，貧碳以及從設計和加工中避免零件產生應力集中。（4）變形軸承零件在熱處理時，存在有熱應力和組織應力，這種內應力能相互疊加或部分抵消，是復雜多變的，因為它能隨著加熱溫度、加熱速度、冷卻方式、冷卻速度、零件形狀和大小的變化而變化，所以熱處理變形是難免的。當然在熱處理過程中的機械碰撞也會使零件產生變形，但這種變形是可以用改進操作加以減少和避免的。防止方法：提高退火組織的均勻性；增加去應力退火工序；降低淬火加熱溫度；提高加熱和冷卻的均勻性；在熱油中冷卻或壓模淬火；消除加熱和冷卻中機械碰撞等。5.2.3回火缺陷分析及防止辦法常見的回火缺陷有硬度過高或過低，硬度不均勻，以及回火產生變形及脆性等。（1）回火硬度回火硬度過高、過低或不均勻，主要由于回火溫度過低、過高或爐溫不均勻所造成。回火后硬度過高還可能由于回火時間過短。硬度不均勻的原因，可能是由于一次裝爐量過多，或選用加熱爐不當所致。如果回火在氣體介質爐中進行，爐內應有氣流循環(huán)風扇，否則爐內溫度不可能均勻。防止方法：回火后硬度過低需返修，重新淬火回火；選擇合適的裝爐量；選擇合適的溫度進行加熱保溫。（2）變形回火后工件發(fā)生變形，常由于回火前工件內應力不平衡，回火時應力松弛或產生應力重分布所致。表面脫碳后，在回火過程中可能形成網(wǎng)狀裂紋。因為表面脫碳后，馬氏體的比容減少，以致產生多向拉應力而形成網(wǎng)狀裂紋。此外，高碳鋼件在回火時，如果加熱過快，表面先回火，比容減少，產生多向拉應力，從而產生網(wǎng)狀裂紋。防止方法：采用回火校直法或熱點校直法。多次校直，多次加熱，或采用壓具回火。（3）回火脆性回火后脆性的出現(xiàn)，主要由于所選回火溫度不當，或回火后冷卻速度不夠(笫二類回火脆性)所致。防止方法：防止脆性的出現(xiàn)，應正確選擇回火溫度和冷卻方式．一旦出現(xiàn)回火脆性，對第一類回火脆性，只有通過重新加熱淬火，另選溫庹回火；對第二類回火脆性，可以采取重新加熱回火，然后加速回火后冷卻速度的方法消除。9、結輪本次論文討論了GCr15軸承鋼球的失效，并重點設計了鋼球從預先熱處理到最終熱處理的工藝，還分析了熱處理后所可能產生的熱處理缺陷，最終得到了以下結論：GCr15鋼球在生產、制造中由于會產生失效的同時，鋼球在使用過程中由于安裝、潤滑等也會造成鋼球的失效。GCr15軸承鋼球的一般熱處理工藝路線：將鋼球加熱到790℃進行球化退火，球化退火工藝是將鋼球保溫4小時左右，然后爐冷至600℃出爐空冷直至室溫，再將鋼球加熱到840℃進行淬火，淬火保溫相應的時間（10-15min），然后取出油冷，最后將鋼球加熱到150℃-180℃進行回火，回火保溫時間約為4小時，取出油冷至室溫。雖然設計的方法多種多樣，只要能達到產品的性能要求且工藝成本盡量的低，就能找到一個比較完美的設計方案。對于有特殊性能要求的鋼球而言以上的方案可能存在著缺陷，但只要熟悉了設計思路，掌握了設計方法，都可以給以后不同種類的設計提供經(jīng)驗。GCr15軸承鋼球在熱處理后可能產生的缺陷雖然多種多樣，但只要我們了解工藝，嚴格按照工藝流程制造產品，就不會產生十分嚴重的錯誤，也不會使鋼球產生嚴重的熱處理缺陷。產品出現(xiàn)了缺陷也應該及時反思自己的工藝與操作，找到解決修復的方法。產生的缺陷雖然可以通過一些措施修復，但能夠避免的應該盡量避免。參考文獻1.熱處理手冊編委會.熱處理手冊（2版）.北京：機械工業(yè)出版社，19932.卜炎主.實用軸承技術手冊.北京：機械工業(yè)出版社，20043.王振華.實用軸承手冊.上海：上?？茖W技術文獻出版社，19914.徐年保.熱處理及工程材料.無錫：無錫職業(yè)技術學院，20075.王曉江.鑄造合金及其熔煉.北京：機械工業(yè)出版社，20116.丁建生.金屬學與熱處理.北京：機械工業(yè)出版社，20117.頓涌泉，吳鑫等.滾動軸承制造裝備.北京：機械工業(yè)出版社，20068.夏新濤等.滾動軸承噪聲理論與實踐.北京：機械工業(yè)出版社，2005基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數(shù)字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究HYPERLINK"/detail.htm?369