渗碳钢制轴承套圈渗碳及热处理工艺

周保鑫，刘秀莲，玄 辉

（1. 哈尔滨轴承集团公司 热处理分厂，黑龙江 哈尔滨 150036；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150036）

1 前言

某渗碳钢制轴承套圈主要应用在航空轴承领域，热处理技术要求主要包括以下内容：

表面含碳量：0.75%～0.95%，套圈渗碳后有效硬化层深度为1.5mm～1.8mm（成品套圈有效硬化层深度0.9mm～1.2mm），表面硬度58HRC～63HRC，心部硬度35HRC～48HRC，表面碳化物均匀。

2 试验准备

2.1 试样尺寸

试样尺寸为10×10×20mm。

2.2 剥层棒尺寸

剥层棒尺寸为φ60×80mm。

2.3 剥层要求及检验方法

（1）渗碳后的剥层棒在车床上装卡后，调整径向跳动值在0.10mm以内，确保剥层分析取样的准确度。

（2）剥层过程中，不允许浇冷却水，以免影响定量分析的准确性。

（3）剥层前先将端面车削2.5mm～3.0mm，再将圆周表面车削0.15mm～0.2mm。

（4）逐层车削圆周表面，每层车削0.2mm，共车削9层，将车屑分别装入试样袋中，并做好标记。

图1 试样剥层棒装炉方式

（5）最后再将圆周表面车削2.5mm～3mm，去除残余渗碳层，以备后用。

（6）剥层分析采用定量化学分析方法。

2.4 试样、剥层棒装炉要求

渗碳设备的有效加热区：900×600×480mm。

产品有效摆放区域：650×450×400mm，将试样1#～8#、剥层棒9#按如图1 所示装入炉中。

2.5 定碳验证

为了保证RM9-60×90×48密封箱式渗碳炉碳势的稳定，试验前要进行定碳校正。

（1）定碳材料：箔片。

（2）箔片定碳前用酒精清洗，确保箔片表面清洁。

（3）在炉内碳势稳定时，加入箔片并记录此时的碳势值。

（4）将箔片在炉内保温30±5min后取出，并记录此刻的碳势值。

（5）采用定量化学分析方法对箔片进行测试，以校正炉内碳势。

3 渗碳及热处理工艺试验

图2 渗碳工艺曲线

图3 淬回火工艺曲线

3.1 试验方案1

表1 剥层试样碳浓度检测结果

3.1.1 设备

渗碳设备：RM9-60×90×48密封箱式渗碳炉；

表2 试样硬度和有效硬化层深度检测结果

图4 渗层组织

图5 心部组织

淬火设备：C-75 、C-45；

回火设备：H-75；

冷处理设备：冷冻机。

3.1.2 试验工艺

渗碳工艺曲线如图2 所示，淬回火工艺曲线如图3 所示。

3.1.3 检测结果

剥层试样碳浓度检测结果见表1 。

试样硬度和有效硬化层深度的检测结果见表2。

试样渗层组织见图4，心部组织见图5。

3.1.4 结果分析及验证方案调整

检测结果显示，表面碳浓度过低，没有达到技术要求，有效硬化层深度大部分都没有达到标准规定的下限值，且均匀性不好。对以上问题产生的原因进行分析，发现是由于此钢在渗碳过程中表面形成Cr3C7碳化物，阻止了对碳原子的吸附。通过预氧化处理，抑制了碳化物的析出，所以对碳原子的吸附能力增强，因此在渗碳前增加一次预氧化处理过程。

3.2 试验方案2

3.2.1 设备

预氧化处理设备：箱式电炉；

渗碳设备：RM9-60×90×48密封箱式渗碳炉；

图6 预氧化处理工艺曲线

表3 剥层试样碳浓度检测结果

表4 试样硬度和有效硬化层深度检测结果

淬火设备：C-75 、C-45；

回火设备：H-75；

冷处理设备：冷冻机。

3.2.2 试验工艺

预氧化处理工艺曲线如图6 所示，渗碳工艺曲线如图2 所示，淬回火工艺曲线如图3 所示。

3.2.3 检测结果

剥层试样碳浓度检测结果见表3 。

试样硬度和有效硬化层深度的检测结果见表4。

试样渗层组织见图7，心部组织见图8。

图7 渗层组织

图8 心部组织

3.2.4 结果分析及方案调整

检测结果显示，碳浓度部分偏高，有效硬化层深度也超出标准规定的上限值，且均匀性不好。产生以上问题的原因是由于碳势过高或者强渗时间过长造成。试样装炉时，由于各自的表面清洁度不同，造成有效硬化层深度均匀性不好。因此需调整渗碳工艺，缩短强渗时间、延长扩散时间，并将碳势下调，且试样装炉前要经过100%清洗，保持表面清洁。为了生产的连续性，减少试样再次污染的机会，采用一次装炉方式，将预氧化处理也采用RM9-60×90×48密封箱式渗碳炉，提高氧化温度，以增强试样表面对碳原子的吸附能力，达到较好的渗碳效果。

3.3 试验方案3

3.3.1 设备

预氧化处理及渗碳设备：RM9-60×90×48密封箱式渗碳炉；

淬火设备：C-75 、C-45；回火设备：H-75；冷处理设备：冷冻机。

3.3.2 试验工艺

渗碳工艺曲线如图9 所示，淬回火工艺曲线如图3 所示。

图9 渗碳工艺曲线

3.3.2.1 渗碳工艺规范说明

（1）设备在945±5℃通入丙烷裂解气保温。

（2）开启炉门排净保护气，关炉门在945±5℃保持60min。

（3）后炉门全部打开10±2m in，温度降至910℃～920℃。

（4）试样推入炉后室进行预氧化处理，共计30min～40min 。

（5）向炉内通入14m3/h～16m3/h的保护气，保持7min～10min。

（6）导气完成后，保护气通入量调整至5m3/h～7 m3/h，保持10±2min。

（7）打开富化气按钮，常量调整为230m l/h～250m l/h，碳势稳定在0.80%～0.85%后，作为强渗计时开始。

（8）强渗阶段：碳势设定在0.98%，常量和变量调整波动值控制在±0.02%范围内，时间为6.5h～7h。

（9）扩散阶段：碳势设定在0.50%，常量和变量调整波动值控制在±0.02%范围内，时间为14h～14.5h。

（10）产品出炉空冷至室温 。

表5 剥层试样碳浓度检测结果

表6 试样硬度和有效硬化层深度检测结果

图10 渗层组织

图11 心部组织

3.3.3 检测结果

剥层试样碳浓度检测结果见表5。

试样硬度和有效硬化层深度的检测结果见表6。

试样渗层组织见图10，心部组织见图11。

以上检测结果均符合技术要求。

表7 检测结果

图12 轴承型号1渗层组织

图13 轴承型号1心部组织

图14 轴承型号2渗层组织

图15 轴承型号2心部组织

4 验证

按试验方案3进行批量生产，其检测结果见表7。

轴承型号1渗层组织见图12，心部组织见图13。

轴承型号2渗层组织见图14，心部组织见图15。

其结果完全符合产品的技术要求。

5 结束语

从以上检验结果可见，表面含碳量、有效硬化层深度、表面硬度和心部硬度、表面碳化物均匀性及大小均满足产品的技术要求，使轴承内、外套圈的工作表面具有高的硬度、耐磨性、高抗疲劳性，而心部具有高的强韧性、承受高冲击载荷的性能。