CN117802302A - 一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，轴承套圈材质为中碳合金钢，采用感应加热的方式依次对套圈安装面和工作面进行淬火处理；本发明利用多个感应加热器在套圈高速旋转过程中先对套圈安装面进行中频加热、淬火，再对套圈工作面进行中频加热、淬火，使得套圈的淬火表面能够在同一状态下进行中频加热，随后再进行整体淬火，能够使得套圈的安装表面既具有足够的刚性和硬度，又使套圈的工作表面具有高耐磨性能和抗疲劳性能，而且使得套圈心部具有耐冲击性，使淬火表面组织均匀、变形小，且加工简单、成本低，并且在对工作面淬火时，不会对已经淬火的安装面造成较大影响，满足安装面的刚性和硬度要求。

Description

一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法

技术领域

本发明属于轴承套圈热处理技术领域，具体涉及一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法。

背景技术

轴承是当代机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。通常包括内套圈、外套圈、滚动体以及保持架等零部件，在对内外套圈的生产制作时，除了需要进行机械加工之外，还需要对套圈的工作面进行热处理。

目前，现有轴承材质大多为淬透性钢，例如GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo等，通常采用整体淬火的方式进行热处理，即通过将套圈整体加热后再进行冷却，这种材料的套圈在淬火后具有较好的耐磨性和抗疲劳性能，适用于小尺寸轴承的热处理加工，被广泛应用。然而，对于特大型轴承（例如直径在1500mm以下的风电轴承）来说，上述热处理方式并不适用，主要是由于淬透性钢在热处理后，虽然具有较好的耐磨性和抗疲劳性，但是套圈心部的韧性不足，不能承受巨大的冲击负荷，不能很好适用于风电轴承复杂工况的长时间使用。

为此，现有技术中为了提高套圈心部的抗冲击性，也选用渗碳钢（例如20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2Mo）渗碳的方式进行热处理，但是这种热处理方式又会存在热处理周期长、成本高、污染严重以及热处理难度大等缺陷，对于这种特大型轴承套圈的热处理加工也并不适用。

现有技术中还采用中碳合金钢（例如42CrMo、50Mn）中频淬火的方式进行特大型轴承套圈的热处理工作，这种中频加热表面淬火的方式主要经历以下两个阶段：（1）将轴承套圈平放，套圈做回转运动，在套圈旋转的过程中，感应加热器对套圈的圆周工作面进行局部加热，由于加热启始和终端部位如产生重叠，就会引起二次淬火产生裂纹，致使工件报废，因此，会在启始和终端留有淬火肓区，这个肓区就是常说的淬火软带。这种淬火方式造成的淬火软带，使得套圈只能应用到低速重载的场合，例如转盘轴承。（2）为了解决第一阶段存在的淬火软带问题，申请人于2018年提出了一种无软带回转支承套圈的淬火方法，申请号为CN201810111079.3，该淬火方法采用两组感应器从同一点预热、加热，然后绕工件做相向运动，边加热边淬火，转到合拢位置保温后，同时将两组感应器退出淬火，能够解决无软带中频淬火的瓶颈。然而，由于采用两组感应器，从同一位置预热和加热后开始相向运动，边运动边淬火，旋转180°后合拢保温后淬火，启始位置和合拢位置受双感应器影响，工件的中间位置只受单感应器影响，启始位置和合拢位置与工件的中间位置感应器的停留方式、停留时间和冷却效果有较大差异，从而造成工件在热处理完成后存在组织不均匀、热处理变形大的问题，继而影响轴承的可靠性和使用寿命。

此外，现有特大型轴承套圈的安装方式有两种，一种是套圈端面具有安装孔的结构，一种是套圈端面不设安装孔的结构。端面设置安装孔的套圈结构由于采用螺栓连接的方式与其他零部件进行装配，因而在淬火时只需对其工作面（滚道面、挡边位置等）进行热处理即可。而不设安装孔的套圈结构，一方面由于套圈的壁厚尺寸较小，不能开设安装孔，另一方面由于接触安装面（套圈与轴壳相接触的安装面、以及套圈与中心轴相接触的安装面）在工作时存在过渡配合和过盈配合（据统计，现有90%的轴承外套圈在安装时为过渡配合、内套圈为过盈配合，10%的轴承外套圈为过盈配合、内套圈为过渡配合），过渡配合的蠕动和过盈配合刚性要求，均需要安装表面具有一定的强度、硬度以及耐磨损能力，因此需要对套圈的安装面也要进行淬火处理。而现有中频感应表面淬火的方式由于感应器本身结构的限制，无法同时对套圈的安装面和工作面同时加热，也给这种特大型轴承套圈的热处理工作带来一定的难度。

因此，亟需一种能够在淬火后使套圈具有表面高耐磨性能、抗疲劳性能、心部耐冲击性能、不污染环境、生产周期短、成本低、淬火时具有加热均匀、热处理组织均匀、硬度均匀、淬硬层均匀、零件热处理变形小、可靠性高、满足无安装孔套圈的安装面和工作面实现淬火、且应用于特大型轴承套圈的热处理方法来解决上述问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，利用多个感应加热器在套圈高速旋转过程中先对套圈安装面进行中频加热、淬火，再对套圈工作面进行中频加热、淬火，使得套圈的淬火表面能够在同一状态下进行中频加热，随后再进行整体淬火，能够使得套圈的安装表面既具有足够的刚性和硬度，又使套圈的工作表面具有高耐磨性能和抗疲劳性能，而且使得套圈心部具有耐冲击性，使淬火表面组织均匀、变形小，且加工简单、成本低，并且在对工作面淬火时，不会对已经淬火的安装面造成较大影响，满足安装面的刚性和硬度要求。

本发明所采用的技术方案是：一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，轴承套圈材质为中碳合金钢，采用感应加热的方式依次对套圈安装面和工作面进行淬火处理，包括以下步骤：

步骤一、将套圈平放在感应加热设备上，调整套圈位置，使得套圈能够在感应加热设备的驱动作用下绕自身中心轴线做水平回转运动；

步骤二、移动感应加热设备的若干感应加热器，使若干感应加热器绕套圈的中心线均匀分布，并使感应加热器靠近套圈的安装面；

步骤三、启动感应加热设备，使套圈绕自身中心轴线进行高速旋转，在套圈旋转的过程中，启动感应加热器，利用感应加热器对套圈进行加热；

步骤四、当安装面的温度达到一定值时，感应加热器停止加热，且套圈停止旋转，感应加热器移动至不影响套圈上下运动的位置；

步骤五、在套圈停止旋转后，控制感应加热设备，使得套圈竖直向下运动，从而浸入下方冷却池的冷却液中，利用冷却液对已经加热的套圈进行整体冷却；

步骤六、冷却完成后，控制感应加热设备，使冷却后的套圈重新移动至冷却池的冷却液上方；

步骤七、调整感应加热设备，并使感应加热器靠近套圈的工作面，重复上述步骤三至步骤六的步骤，对套圈工作面进行淬火，从而完成整个套圈的热处理工作。

所述步骤二中，感应加热器的数量为两组。

所述步骤二中，套圈的安装面为轴承外圈的外径面，步骤七中，套圈的工作面为轴承外圈的内径面。

所述步骤二中，套圈的安装面为轴承内圈的内径面，步骤七中，套圈的工作面为轴承内圈的外径面。

所述步骤七中，套圈的工作面包括与滚动体外径相接触的滚道面。

所述套圈的工作面还包括与滚动体端面相接触的挡边表面。

所述套圈的直径尺寸小于或等于1500mm。

所述步骤三中，套圈在旋转时，通过测温计对套圈的热处理表面实时温度进行监控。

本发明的有益效果为：

（1）本发明采用中碳合金钢中频加热表面淬火的方式，能够替代传统淬透性钢的整体淬火方式，使得套圈的热处理表面不仅具有较强的耐磨性能和抗疲劳性能，而且可以提高套圈心部位置的韧性，从而提高套圈的抗冲击性能；

（2）本发明采用中频加热表面淬火的方式，能够替代传统的渗碳后整体淬火的方式，可以降低热处理过程中的污染问题，同时具有周期短、成本低、加工难度小的优点；

（3）本发明采用套圈高速旋转、感应加热器静止加热的方式，可以解决传统中频淬火时套圈上存在的淬火软带问题，解决传统淬火有软带的方式造成的套圈无法高速运转、软带处易疲劳损坏的问题；

（4）本发明利用套圈高度旋转加热的热处理方式，可以使得套圈受热均匀，套圈各部位热处理组织、硬度、淬硬层均匀一致，从而可以使套圈热处理之后具有变形小、可靠性高、整体综合性能好的优点；

（5）本发明采用套圈安装面先淬火、套圈工作面后淬火的方式，在能够满足工作面正常工作的前提下，也能够使安装面具有高硬度、高耐磨的特点，以防止安装面因蠕动而产生磨损问题。

附图说明

图1为本发明套圈在热处理时的安装结构图；

图2为本发明感应加热设备的局部结构图；

图3为本发明第一种套圈的结构图；

图4为本发明第二种套圈的结构图；

图5为本发明第三种套圈的结构图；

图6为本发明第四种套圈的结构图。

图中标记：1、冷却池；2、工作台；3、感应加热器；4、测温计；5、移动座；6、支撑辊；7、限位辊。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，轴承套圈材质为中碳合金钢，采用感应加热的方式依次对套圈安装面和工作面进行淬火处理，包括以下步骤：

步骤一、如图1所示，将套圈平放在感应加热设备上，本例中，套圈为应用在风电轴承领域中直径尺寸小于或等于1500mm的套圈，套圈可以是轴承的外套圈（如图3、5所示）或内套圈（如图4、6所示），调整套圈位置，使得套圈能够在感应加热设备的驱动作用下绕自身中心轴线做水平回转运动。

其中，如图1-2所示，上述感应加热设备主要包括有能够容纳冷却液的冷却池1，冷却池1的内部具有能够升降的工作台2，工作台2的表面设有四个移动座5，四个移动座5绕工作台2的中心均匀分布，移动座5能够向着工作台2的中心或者远离工作台2的中心方向进行移动，以便适用于不同尺寸大小的套圈，每个移动座5上均安装有水平设置且能够转动的支撑辊6、安装有竖直设置且能够转动的限位辊7，支撑辊6用于与套圈的下端面接触，从而对套圈进行支撑，限位辊7用于与套圈的内壁或外壁相贴合，从而在不影响套圈旋转的情况下来限制套圈水平方向的移动，使得套圈在自身重力作用下只具有绕其中心轴线旋转的自由度，更进一步的，为了驱动套圈的转动，其中一个支撑辊6的端部连接有电机，在电机驱动下，支撑辊6转动，继而带动上方的套圈进行旋转。

感应加热设备还包括两个可以前后上下左右移动的感应加热器3，感应加热器3的加热面可以与套圈的工作面形状一致，可通过PLC控制器对感应加热器3的位置进行快速调节。

更为具体地，冷却池1内部还设有对冷却液进行搅拌的搅拌杆，冷却池1的侧壁设置进液口和出液口，从而实现冷却液的搅拌和循环效果，在冷却液局部温度变化时，搅拌杆工作，使得冷却液整体温度保持一致，在冷却液温度过高或者冷却液污染较多时，将冷却液从进液口和出液口进行循环。

上述工作台2的升降功能、感应加热器3的安装结构和工作原理、冷却池1内部的搅拌杆结构和原理、冷却液循环结构和原理均属于现有技术中的常规技术，在此不作过多赘述。

步骤二、移动感应加热设备的若干感应加热器3，本例中，感应加热器3的数量为两组，使若干感应加热器3绕套圈的中心线均匀分布，并使感应加热器靠近套圈的安装面。

一种实施例中，套圈的安装面为轴承外圈的外径面（如图3所示的面a、图5所示的面e）。当外圈外径面为安装面时，感应加热设备的限位辊7位于套圈的内侧，并紧贴套圈内壁，感应加热器3位于套圈外侧，用于避免在对安装面加热时，使限位辊7对受热的安装面造成影响。

另一种实施例中，套圈的安装面为轴承内圈的内径面（如图4所示的面d、图6所示的面h）。当内圈内径面为安装面时，感应加热设备的限位辊7位于套圈的外侧，并紧贴套圈外壁，感应加热器3位于套圈内侧，同样用于避免在安装面加热时，使限位辊7对受热的安装面造成影响。

本例中的套圈为端面不设安装孔的结构，具有壁厚尺寸小的特点。

步骤三、启动感应加热设备，即利用电机驱动支撑辊6转动，继而带动支撑辊6上方的套圈转动，使套圈绕自身中心轴线进行高速旋转，在套圈旋转的过程中，启动感应加热器3，利用感应加热器对套圈进行加热。套圈在旋转时，通过测温计4对安装面的实时温度进行监控。由于套圈处于旋转状态，且采用两组感应加热器3对安装面进行加热，可以使得套圈安装面的不同位置能够均匀受热和同时升温，避免出现局部温度过高或过低的问题，继而可以防止在淬火完成后出现软带区域和变形过大的问题。

步骤四、当安装面的温度达到一定值时，感应加热器3停止加热，且套圈停止旋转，感应加热器3移动至不影响套圈上下运动的位置。

步骤五、在套圈停止旋转后，控制感应加热设备，使得套圈竖直向下运动，从而浸入下方冷却池的冷却液中，利用冷却液对已经加热的套圈进行整体冷却。其中，工作台2可在液压缸等动力设备的作用下实现升降，当套圈加热完成后，工作台2下移，从而可以带动上方套圈下降，使得套圈完全浸入冷却液内，这种冷却方式能够替代传统的中频感应加热过程中边加热边冷却的方式，可实现套圈各部位安装面同时降温，实现套圈的整体淬火过程，进一步防止套圈由于冷却不均匀而产生变形等问题。

步骤六、冷却完成后，控制感应加热设备，使冷却后的套圈重新移动至冷却池的冷却液上方。即完成对套圈安装面位置的热处理工作。

步骤七、调整感应加热设备，并使感应加热器靠近套圈的工作面，重复上述步骤三至步骤六的步骤，对套圈工作面进行淬火，从而完成整个套圈的热处理工作。

一种实施例中，套圈的工作面为轴承外圈的内径面（如图3所示的面b、图5所示的面g和h），更为具体地，套圈的工作面包括与滚动体外径相接触的滚道面（如图3所示的面b、图5所示的面f），此外，不同类型套圈的工作面还包括与滚动体端面相接触的挡边表面（图5所示的面h），用于根据实际套圈结构、实际工况条件等对滚道面和挡边表面进行热处理。其中，感应加热器3的截面结构与套圈滚道面和挡边表面的结构相匹配，从而既可以对滚道面进行加热，还可以同时对挡边表面进行加热。

在另一种实施例中，套圈的工作面为轴承内圈的外径面（如图4所示的面c和n、图6所示的面m），同理，套圈的工作面包括与滚动体外径相接触的滚道面（如图4所示的面c、图6所示的面m），此外，不同类型套圈的工作面还包括与滚动体端面相接触的挡边表面（图4所示的面n），用于根据实际套圈结构、实际工况条件等对滚道面和挡边表面进行热处理。感应加热器3的截面结构同样与套圈滚道面和挡边表面的结构相匹配，既可以对滚道面进行加热，还可以同时对挡边表面进行加热。

这种中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，套圈材质为中碳合金钢（例如42CrMo、50Mn等），采用中频感应表面加热的方式，具体采用套圈高速旋转，两个感应加热器3对套圈加热的工作方式，一方面可以解决传统淬透性钢（如GCr15、GCr15SiMn、GCr18Mo等）采用整体淬火方式而导致套圈心部韧性差、抗冲击性能弱的问题；另一方面可以解决渗碳钢（如20Cr2Ni4A、20Cr2Mn2Mo等）采用渗碳后整体淬火方式而导致的污染严重、周期长、成本高以及加工难度大的问题；再一方面解决了传统的中频感应表面淬火方式带来的淬火后存在软带的问题；再一方面解决了传统无软带淬火方式带来的由于感应器工作状态不一致而导致的套圈淬火后组织不均匀、热处理变形大的问题。

套圈在热处理完成后，既可以使套圈具有表面耐磨性能好、抗疲劳性高、心部耐冲击的优点，还可以使套圈各部位组织、硬度、淬硬层均匀一致，使套圈经热处理后具有变形小的优点，此外，也具有环境污染程度小、生产周期短、成本低的优点，在装配后，使得回转支承的整体使用寿命长、可靠性高。

由于套圈壁厚尺寸小、无法设置安装孔、在装配时安装面与零部件之间存在过渡配合和过盈配合等问题，采用上述先对安装面淬火、后对工作面淬火的方式，能够保证工作面正常运转的情况下，使得安装面得到硬化处理，具有高强度、高耐磨性的优点，防止套圈因相对蠕动或刚性不足而造成安装面的磨损问题。经实际检测后，安装面在先淬火完成后的硬度为HRC60，之后工作面经过淬火后，安装面产生回火效应，硬度降低HRC1-2，其安装面最终硬度值不会影响套圈的安装以及正常使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于，轴承套圈材质为中碳合金钢，采用感应加热的方式依次对套圈安装面和工作面进行淬火处理，包括以下步骤：

步骤一、将套圈平放在感应加热设备上，调整套圈位置，使得套圈能够在感应加热设备的驱动作用下绕自身中心轴线做水平回转运动；

步骤二、移动感应加热设备的若干感应加热器，使若干感应加热器绕套圈的中心线均匀分布，并使感应加热器靠近套圈的安装面；

步骤三、启动感应加热设备，使套圈绕自身中心轴线进行高速旋转，在套圈旋转的过程中，启动感应加热器，利用感应加热器对套圈进行加热；

步骤四、当安装面的温度达到一定值时，感应加热器停止加热，且套圈停止旋转，感应加热器移动至不影响套圈上下运动的位置；

步骤五、在套圈停止旋转后，控制感应加热设备，使得套圈竖直向下运动，从而浸入下方冷却池的冷却液中，利用冷却液对已经加热的套圈进行整体冷却；

步骤六、冷却完成后，控制感应加热设备，使冷却后的套圈重新移动至冷却池的冷却液上方；

步骤七、调整感应加热设备，并使感应加热器靠近套圈的工作面，重复上述步骤三至步骤六的步骤，对套圈工作面进行淬火，从而完成整个套圈的热处理工作。

2.根据权利要求1所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：步骤二中，感应加热器的数量为两组。

3.根据权利要求1所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：步骤二中，套圈的安装面为轴承外圈的外径面，步骤七中，套圈的工作面为轴承外圈的内径面。

4.根据权利要求1所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：步骤二中，套圈的安装面为轴承内圈的内径面，步骤七中，套圈的工作面为轴承内圈的外径面。

5.根据权利要求1所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：步骤七中，套圈的工作面包括与滚动体外径相接触的滚道面。

6.根据权利要求5所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：套圈的工作面还包括与滚动体端面相接触的挡边表面。

7.根据权利要求1所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：套圈的直径尺寸小于或等于1500mm。

8.根据权利要求1所述的一种用中碳合金钢制作特大型轴承的热处理方法，其特征在于：步骤三中，套圈在旋转时，通过测温计对套圈的热处理表面实时温度进行监控。