CN102168275A - 提高精密滚动球轴承表面硬度的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高精密滚动球轴承表面硬度的热处理工艺，依次包括调质处理步骤、加工成型步骤、清洗干燥步骤和渗氮处理步骤，其特征在于，所述渗氮处理采用三段式渗氮，第一阶段采用低温高氮势，第二阶段采用高温高氮势，第三阶段采用高温低氮势。本发明工艺能明显抑制GCr15钢氮化层内各种引发材料脆性的因素、避免ζ相(Fe2N)的形成，使精密滚动球轴承渗氮处理后的质量大大提高、报废率明显降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种精密滚动球轴承表面的热处理方法，尤其涉及表面要求具有高硬度的精密滚动球轴承。
背景技术
高硬度精密滚动球轴承的热处理方法通常采用淬火、低温回火和冰冷处理，这种热处理工艺的缺点是硬度还不够高，一般高硬度的精密滚动球轴承采用此法还行，但对于表面要求超高硬度(硬度大于1000HV0.1)的精密滚动球轴承，则此工艺往往不能满足硬度要求。现有技术为了使精密滚动球轴承表面达到超高硬度采用了表面等温渗氮处理，这种渗氮工艺的优点是轴承表面硬度高、变形小；缺点是保温时间长、脆性大、氮化层过渡性差。硬度高易引发脆性，而过渡性差则会降低氮化层内组织之间的结合力，这些都会引起轴承表面氮化层组织的脱落，因此精密滚动球轴承渗氮后、研磨时其表面常常会有肉眼隐约可见的白亮色点状缺陷而报废，报废率高。
精密滚动球轴承通常采用GCr15钢，而GCr15钢的C、Cr含量都比常用的氮化钢38CrMoAl钢要高得多，并且GCr15内不含有能抑制氮化脆性的Mo、Al元素，渗氮过程中非常容易形成脆性相，因此等温渗氮处理后、精磨研时精密滚动球轴承的表面上常常会有肉眼隐约可见的白亮色点状缺陷。经过氮化层的金相组织分析及X射线衍射物相定性分析发现：引起脆性和白亮色点状缺陷的主要原因是气体等温渗氮后轴承表面的氮化层组织非常不理想：轴承渗氮层最表面的金相组织是厚厚的白亮层，这些白亮层内不仅有较脆的ε相和γ’相组织还有脆性极大的ζ相(Fe2N)；脆性极大的ζ相(Fe2N)在后续研磨时会发生脱落而形成白亮色点状缺陷。
发明内容
本发明提供一种提高精密滚动球轴承表面硬度的热处理工艺，以解决现有技术中存在的上述缺陷。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明的提高精密滚动球轴承表面硬度的热处理工艺，依次包括调质处理步骤、加工成型步骤、清洗干燥步骤和渗氮处理步骤，其特征在于，所述渗氮处理采用三段式渗氮，第一阶段采用低温高氮势，第二阶段采用高温高氮势，第三阶段采用高温低氮势。
所述三段式渗氮具体包括如下步骤：
第一阶段，将滚动球轴承置于渗氮炉内，升温至500～520℃，通入氨气，氨分解率为18％-25％，保温23～27小时左右；
第二阶段，升温至530℃～540℃，氨分解率为22～28％，保温23～27小时左右；
第三阶段，保持第二阶段温度，将氨分解率提高到75～85％进行退氮处理，2～3小时，渗氮结束。
所述调质处理步骤，是指对原材料GCr15钢进行调质处理，淬火温度为835～850℃，回火温度为600～650℃，加热保温时间视零件大小而定，原则是保证零件充分加热，确保调质处理的金相组织为均匀的回火索氏体，必要时可通过金相分析来确保；
所述加工成型步骤，是指将调质处理后的原材料加工成滚动球轴承；调质处理后要对原材料进行金相组织分析，确保调质后的组织是均匀的回火索氏体，均匀的调质组织是GCr15钢获得良好渗氮组织的基本要素；
所述清洗干燥步骤，是指将滚动球轴承清洗至轴承表面无油污，并干燥。轴承表面无油污一方面能防止油污处产生局部脆性的渗氮组织，一方面有利表面形成氧化膜加快渗氮的还原过程，有助于气体渗氮的均匀性和缩短气体渗氮的时间。
作为优选方案，渗氮结束时应继续供氨，并用鼓风机向炉膛内通入空气快速冷却炉罐，气体渗氮处理后的滚动球轴承需随炉冷却至室温后再出炉。
导致GCr15钢精密滚动球轴承表面出现白色点状缺陷的根本原因在于渗氮层中的白亮层过厚且存在脆性极大的ζ相(Fe2N)，所以要解决脆性、白色点状缺陷问题，关键在于控制精密滚动球轴承的氮化层质量、抑制氮化层内各种引发材料脆性的因素，减少白亮层的厚度、避免ζ相(Fe2N)的形成。为了减少GCr15钢渗氮脆性、杜绝ζ相(Fe2N)的形成、避免ζ相(Fe2N)脱落在轴承表面形成白亮色点状缺陷，同时也考虑到能减少轴承的变形。
本发明采用三段式渗氮工艺，出乎意料的能显著控制GCr15钢精密滚动球轴承的氮化层质量、明显减少白亮层的厚度并杜绝ζ相(Fe2N)的形成。其中第一阶段采用低温高氮势，可在渗氮组织中形成弥散度大而硬的合金氮化物，以保证轴承表面具有理想的高硬度；第二阶段采用高温高氮势，可加快扩散并使硬度略微降低，同时也使硬度梯度更趋平缓以增加氮化层组织之间的结合力，以减少轴承表面脆性；第三阶段采用高温低氮势，可进一步降低脆性。
此外，在渗氮结束时继续供氨，并用鼓风机向炉膛内通入空气快速冷却炉罐，可以进一步降低脆性和缩短渗氮周期。
本发明工艺能明显抑制GCr15钢氮化层内各种引发材料脆性的因素、避免ζ相(Fe2N)的形成，使精密滚动球轴承渗氮处理后的质量大大提高、报废率明显降低，并且操作简便、成本低。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，以详细说明本发明的技术方案。
实施例
对原材料GCr15钢进行调质处理，淬火温度为840℃，保温时间视零件大小而定(只要能保证轴承心部组织加热均匀即可)，回火温度为630℃，保温时间视零件大小而定(只要能保证轴承心部组织加热均匀即可)，经金相组织分析，调质处理的金相组织为均匀的回火索氏体；
将调质处理后的原材料加工成滚动球轴承；
将滚动球轴承清洗至轴承表面无油污，干燥后放入渗氮炉内；
进行三段式渗氮，第一阶段采用低温高氮势，升温至510℃，通入氨气，氨分解率为18％～25％，保温25小时左右；第二阶段采用高温高氮势，升温至530℃，氨分解率为25％，保温25小时左右；第三阶段采用高温低氮势，保持第二阶段温度，将氨分解率提高到80％进行退氮处理，3小时，渗氮结束。渗氮结束时应继续供氨，并用鼓风机向炉膛内通入空气快速冷却炉罐，气体渗氮处理后的滚动球轴承需随炉冷却至室温后再出炉。
对比例
三段式渗氮步骤改为等温渗氮处理，渗氮温度为530℃℃，其他步骤与实施例相同。
根据GB/T 11354-2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》标准对对比例样品进行渗氮层深度测定和金相组织分析比较。
对比样的氮化层总深度约0.42mm，表面硬度为1050～1080HV0.1；氮化层的金相组织从表面到心部依次为：白亮层(厚度约为15um)→扩散层(过渡层)→基体组织(调质组织)，经X射线衍射分析存在脆性极大的ζ相(Fe2N)。
采用同样的方法测定实施例样品，结果发现，经气体三段式渗氮后轴承套圈的总氮化层深度与对比例相同，仍为0.42mm左右，但氮化层中的脆性白亮层厚度明显减小、约为3～5μm(留有少量白亮层能保证高硬度)，经X射线衍射分析白亮层内没有发现脆性极大的ζ相(Fe2N)。轴承表面硬度大于1000HV0.1，符合工艺要求。最重要的是精密滚动球轴承套圈在后续精研磨时没有发生脆性相脱落形成白色点状缺陷，产品全部合格。
Claims (5)
1.一种提高精密滚动球轴承表面硬度的热处理工艺，依次包括调质处理步骤、加工成型步骤、清洗干燥步骤和渗氮处理步骤，其特征在于，所述渗氮处理采用三段式渗氮，第一阶段采用低温高氮势，第二阶段采用高温高氮势，第三阶段采用高温低氮势。
2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述三段式渗氮包括如下步骤：
第一阶段，将滚动球轴承置于渗氮炉内，升温至500～520℃，通入氨气，氨分解率为18％～25％，保温23～27小时左右；
第二阶段，升温至530℃～540℃，氨分解率为22～28％，保温23～27小时左右；
第三阶段，保持第二阶段温度，将氨分解率提高到75～85％进行退氮处理，2～3小时，渗氮结束。
3.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述调质处理步骤，是指对原材料GCr15钢进行调质处理，淬火温度为835～850℃，回火温度为600～650℃。
4.根据权利要求3所述的热处理工艺，其特征在于，所述调质处理后的GCr15钢组织是均匀的回火索氏体。
5.根据权利要求1～4任一项所述的热处理工艺，其特征在于，渗氮结束时应继续供氨，并用鼓风机向炉膛内通入空气快速冷却炉罐，气体渗氮处理后的滚动球轴承需随炉冷却至室温后再出炉。
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