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20CrNiMo圓鋼汽車軸承熱處理技術及發展方向
  • 來源:公司 時間:2012/4/12 8:52:48
軸承是一個重要的機械基礎連接件,在機械工業應用廣泛?梢哉f,有旋轉的地方就有軸承。汽車作為現代社會人們的主要交通工具,汽車工業也成為我國主要的支柱產業,軸承在其中也發揮著重要作用。汽車的很多安保件,如轉向器、發動機和變速箱等,都可以看到軸承的身影。汽車軸承作為軸承的一個分支,有承載、抗沖擊和高速旋轉等特殊性能,其性能對乘客、駕駛員和車輛本身的安全有著重要影響。



熱處理作為汽車軸承制造過程的關鍵工序,其加工質量好壞與原材料是影響軸承壽命的兩大重要因素。下面,筆者根據自己的工作經驗和所掌握知識,從汽車軸承的材料、熱處理設計、熱處理工藝、熱處理裝備、熱處理技術力量和熱處理發展方向等方面,對汽車軸承熱處理技術做簡要闡述。


一、軸承用材料


材料的好壞是決定軸承壽命的最重要因素,我國汽車軸承與國外差距,材料是主要因素,其次為軸承設計、工藝水平和工藝裝備。盡管我們修訂了GB/T18254標準,增加了“優質高碳鉻軸承鋼”標準,對其中碳化物、偏析、含氧量和夾雜物等要求有所提升,但受制于國內鋼廠冶煉技術和成本等因素,完全實施仍有很大難度。


隨著真空脫氣的廣泛應用,我國軸承鋼在氧含量控制方面有很大提高,已接近國外水平。但在碳化物均勻性、網狀碳化物控制、夾雜物控制等方面仍有較大差距,這就造成國內汽車軸承質量先天不足,軸承的壽命、可靠性及一致性遜色于國外軸承。


我國軸承材料大量使用的是GCR15鋼和GCR15SIMN鋼,品種單一。汽車軸承專用材料的研究開發尚無報道。軸承鋼生產廠家與軸承生產廠家很少合作。


二、軸承設計及工藝


1、個體化、差異化設計缺乏


先進的軸承設計應根據軸承的服役環境,采用個體化和差異化的設計,以滿足軸承的實際工況要求。國內軸承個體化和差異化設計方面仍顯不足。另外,軸承的熱處理設計也是影響軸承壽命的重要因素。軸承包含的四大件:外圈、內圈、滾動體和保持架。國外先進軸承企業對內外圈和滾動體都有不同的硬度要求,國內很多生產汽車軸承的頂級企業對此已開始嘗試,但受制于軸承通用行業標準《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》中的硬度要求范圍,在軸承零件硬度設計上有局限性。同時,國內軸承熱處理工藝及裝備水平也是影響實現個體化和差異化設計的因素?傊,我國汽車軸承設計與國外先進企業相比,處于粗放式階段,很多子領域沒有進行專門的研究,模仿設計居多,自主設計較少,在軸承設計的技術儲備上更顯欠缺。


2、CQI-9質量標準推廣


軸承零件熱處理質量是決定軸承壽命的重要因素。目前國內主要汽車軸承生產企業,已能基本上保證零件熱處理質量,但對熱處理過程參數的精確控制、淬火介質使用和熱處理設備保障能力等方面重視不夠,致使軸承零件熱處理質量穩定性與國外存在較大差距。國外先進企業已普遍實施的CQI-9質量標準,在國內只限于個別企業的選擇性試用,這其中還摻雜應對國外企業審核的因素。因此,全面、自覺地貫徹和推廣CQI-9質量標準,應該是國內軸承生產企業提高熱處理質量,達到或超越國外先進水平的惟一出路。


3、節能新工藝的應用


目前國內大部分軸承生產企業,仍普遍采用傳統的熱處理淬回火工藝:820~860℃淬火、油淬和200℃以下回火。整個工藝流程約4.5~5.5H。該工藝已沿用近四五十年。隨著節能環保的呼聲越來越高,作為耗能大戶的軸承熱處理行業,也開始嘗試對軸承經典熱處理工藝進行研究和改善,研究核心是改變和提高淬回火溫度,縮短工藝流程時間。同時嘗試使用非油淬火介質,如鹽浴、水溶性介質等,以擴大熱處理加工范圍,使熱處理變形更有規律。襄軸、瓦軸和洛軸等企業在這些方面均有嘗試,并取得了一定的成果。


另外,鍛造后的正火處理,目前國內已普遍采用利用鍛后余熱正火的工藝,節約了大量能源,但還缺乏明確的工藝規范,能源是利用了,正火質量卻很不穩定。需要有配套的專用設備,以解決質量穩定問題。


4、滲碳汽車軸承的重新崛起


軸承經滲碳后所獲得的優質綜合力學性能,是其他軸承材料所無法替代的,因此滲碳鋼成為高端汽車軸承的首選材料。汽車軸承使用滲碳鋼在20世紀80年代曾風靡一時,當時國內一些企業開始進口成套軸承熱處理滲碳設備。后來隨著高碳鉻軸承鋼冶煉質量的提高,國內汽車工業初期的噴射式發展,國內低端車型需要大量低成本的高碳鉻軸承鋼制軸承,滲碳汽車軸承被暫時擱置。近年來,隨著國外汽車巨頭在國內的大量布點,國內汽車工業整體水平的提高,滲碳汽車軸承被重新提出,滲碳汽車軸承今后會在安全系數要求很高的軍車、乘用車等關鍵部位大量采用。汽車滲碳軸承常用材料20CRMNTI、20CRNIMOA等,滲碳溫度均在900~930℃。滲碳汽車軸承的高熱處理成本限制了其廣泛采用。國內企業也開始嘗試新型滲碳工藝,如高溫滲碳,即在1000℃或1050℃進行滲碳,可大大縮短滲碳時間,降低成本。但受滲碳設備的制約,目前只停留在試用階段,大批量推廣使用還需時日。


另外,GCR15軸承鋼滲碳工藝的開發,也為高碳鉻軸承鋼的使用提供了新的思路。


5、與國際標準的有效接軌


國內軸承熱處理使用最廣泛的JB/T1255-2000《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》標準,又要經歷十年一次的換版。在2009年西安召開的軸承熱處理行業會上,軸承標準歸口單位——洛陽軸承研究所,已明確提出JB/T1255-2000標準的修訂要求,對網狀碳化物級別、殘留奧氏體數量、脫碳層深、淬回火馬氏體組織視場倍數等做出修訂,以接近國際標準。此標準修訂應在今明年內完成。重新修訂的JB/T1255-2000標準,將對整個軸承行業產生巨大的影響。


網狀碳化物超差級別2.5級后的明確,會促使軸承生產企業對軸承鋼生產企業提出更嚴格的要求,在鋼廠增加正火工序后會增加軸承鋼制造成本,最終會增加軸承制造成本。


脫碳層深度控制的加嚴,將加大保護氣氛熱處理設備的推廣力度,對我國軸承質量的提升長期有利。目前一些小型軸承生產企業的生存將受到挑戰。


減少殘留奧氏體含量,目前最簡便的辦法是在淬火后增加10℃以下的二次水冷處理。由于原來在標準中明確殘留奧氏體控制量,各軸承生產企業的連續熱處理設備很少有二次冷卻裝置,如設備布局過于緊湊,改造難度相當大。


標準組織圖片視場由500倍改為1000倍,能提高組織判定的準確性,實施難度不大。


每一次標準的修訂,從根本上講都是國內主導軸承生產企業的利益體現?梢韵胂,此標準最終將會對軸承行業的進一步整合起促進作用。


另外,汽車軸承作為軸承的重要分支,應有適合汽車工業特點的獨立標準。經過汽車軸承工作者的不懈努力,這些是可以實現的。


三、熱處理裝備


1、淬回火設備


隨著20世紀90年代我國民營企業對馬弗式(托輥式)網帶爐、鑄鏈爐和和推桿爐等保護氣氛爐型的仿制、技術消化、局部更新等。國內熱處理設備生產技術迅速提高,到2000年以后,國內熱處理設備生產技術已基本成熟,基本達到軸承生產需要。近年來,保護氣氛設備大量普及,加上變壓吸附、膜制氮技術成熟,基本形成以托輥式網帶爐為主流,配合氮基保護氣氛的中小型汽車軸承熱處理淬回火生產模式,其主要優點為生產效率高,能耗低。對于大型汽車軸承,較多采用的是輥棒爐、多用爐和轉底爐。原來的老式陳舊設備如箱式爐、鹽浴爐、鼓型爐和仿蘇K式空氣加熱爐已基本淘汰。


2、退火設備


保護氣氛退火能耗低,退火后可實現少、無氧化,對提高軸承零件的材料利用率有重大的保障作用。由于目前國內精鍛技術在軸承生產中很少使用,限制了保護氣氛退火的推廣。從長遠考慮,精鍛技術+保護氣氛退火的節能節材工藝流程,是今后軸承退火的發展方向。


3、從保護氣氛向可控氣氛過渡


“少無氧化加熱”具有能耗低、熱處理質量穩定等特點,這點已充分被軸承生產廠家還只停留在“保護氣氛”的“少氧化”加熱,采用99.8%以上氮氣+甲醇或只通入甲醇作為保護氣氛,爐內碳勢不控制,熱處理后零件有少量脫碳層,基本可以滿足磨削要求。但在倒角、油溝等不磨削位置仍有殘留脫碳層,特別對滾動體的使用壽命還是有一定的影響。目前國外先進企業已全面推廣“可控氣氛”的“無氧化”加熱,采用高純氮氣+丙烷,爐內碳勢可控制,保證爐內氣氛的碳勢與加工零件含碳量基本一致,確保加工零件無氧化。


4、單線計算機控制向集中計算機控制過渡


隨著計算機技術的普及,汽車軸承熱處理設備已可基本實現單條生產線的計算機控制,對熱處理過程參數的精確控制有很大的保障作用。


在我們采用計算機控制后,生產效率與國外先進企業相比仍有較大差距,操作工人偏多,人均勞務收入低,是國內熱處理企業的現狀。國外上十條熱處理生產線只需要幾個人操作,我們要幾十人甚至上百人。究其原因,是因為我們只做到單條計算機控制,未做到集中計算機控制。當然,實現熱處理車間的集中控制是各龐大的系統過程,需要熱前各工序的先期優化,還需要徹底解決熱處理零件變形這一難題。但這畢竟是我們努力方向。



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