（材料加工工程專業(yè)論文）環(huán)件在冷軋淬火中的組織性能演化與幾何精度研究.pdf

武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 摘要 冷環(huán)軋是一種先進(jìn)的塑性成形工藝方法，可以用于制造各種截面形狀環(huán)形零 件。冷軋環(huán)件具有材料組織與性能好、形狀精度高、節(jié)約能源和原材料等優(yōu)點(diǎn)， 因此，目前已經(jīng)廣泛用于機(jī)械、交通、航海、航天等高端產(chǎn)品制造領(lǐng)域。 本文基于有限元數(shù)值模擬軟件d e f o r m - 3 d 的基礎(chǔ)上，對(duì)冷環(huán)軋的過(guò)程進(jìn)行了 模擬計(jì)算，研究了環(huán)軋過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)交的分布和材料的流動(dòng)規(guī)律。結(jié)果顯示， 在軋制過(guò)程中，環(huán)件的外表層的應(yīng)力與應(yīng)變都是整個(gè)環(huán)件的最大值；增加冷軋芯 輥的進(jìn)給速度可以增加環(huán)件內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變，使環(huán)件的變形更加均勻；材料的 硬化指數(shù)的增加也可以起到同樣的效果。 本文對(duì)環(huán)件在冷軋過(guò)程中的組織演化進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，冷環(huán)軋的組織 演化與材料的不均勻變形有關(guān)，主要集中在外表層區(qū)域。在冷軋環(huán)件的外表層的 大應(yīng)變區(qū)域，粒狀碳化物進(jìn)行了重新分布，變得更加均勻，局部區(qū)域出現(xiàn)了鐵素 體亞晶粒，表層的大應(yīng)力使部分細(xì)小的碳化物回溶到基體，增大了基體的含碳量； 環(huán)件表層片狀珠光體的間距和厚度都減小，同時(shí)發(fā)生了塑性變形，其中的滲碳體 在大應(yīng)變的條件下表現(xiàn)出了一定的塑性。 本文對(duì)冷軋環(huán)件的表面質(zhì)量的演化進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，環(huán)件表面的缺陷 主要是粘著磨損與表面微裂紋；環(huán)件表面與軋輥之間的相互作用符合粘著磨損的 模型，環(huán)件表面存在粘著磨損；由于環(huán)件表面的大應(yīng)變導(dǎo)致的嚴(yán)重加工硬化加重 了環(huán)件的表面磨損；在表面應(yīng)變大的區(qū)域，由于碳化物周圍的應(yīng)力集中，會(huì)形成 表面微裂紋，并且進(jìn)一步對(duì)碳化物周圍微裂紋的萌生機(jī)理進(jìn)行了說(shuō)明。 本文對(duì)冷軋環(huán)件在淬火中的組織演化進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，冷軋環(huán)件的表 面區(qū)域出現(xiàn)了細(xì)化的晶粒，晶粒大小與冷軋變形量有關(guān)：環(huán)件表層區(qū)域的馬氏體 變的更加細(xì)小，為高碳馬氏體；馬氏體的形態(tài)隨環(huán)件的深度而變化，淬火碳化物 細(xì)小并分布均勻，環(huán)件表層同時(shí)存在多種強(qiáng)化方式，從而進(jìn)一步對(duì)表層優(yōu)化組織 的形成機(jī)理進(jìn)行了深入探討。 本文對(duì)冷軋環(huán)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行了深入的研究，對(duì)冷軋環(huán)件在淬火 殘余應(yīng)力、淬火變形規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了深入檢測(cè)和深入分析討論。結(jié)果表明，冷 軋變形量和芯輥進(jìn)給速度影響了環(huán)件殘余應(yīng)力的狀態(tài)與分布；冷軋環(huán)件淬火變形 是熱應(yīng)力、組織應(yīng)力等多種內(nèi)應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：環(huán)件冷環(huán)軋組織演化淬火組織幾何精度 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 a b s t r a c t 硒n gr o l l i n gi s a l la d v a n c e dp l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yt om a n u f a c t u r er i n g s c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lf r e ef o r g i n gl a r g er i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , r i n gr o l l i n g h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp o w e r , h i g hp r o d u c t i v i t y , h i g hp r e c i s i o na n dg o o d q u a l i t yp r o d u c t t h e r ee x i t sw i d ea p p l y i n gp r o s p e c t i v ef o rt h i st e c h n o l o g yi nm a n y i n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c ha sm a c h i n e , a u t o m o b i l e s ，t r a i n sa n da e r o s p a c ev e h i c l e s b a s e do nf e ms o f t w a r ed e f o r m - 3 dt h ec a 3 u r s co fc o l dr i n gr o l l i n gi ss i m u l a t e d a n dc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sa n ds t r a i n0 1 1s u r f a c eo fr i n g si st h e m a x i m u mv a l u ei nt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ed u r i n gr o l l i n g t h ei n c r e a s i n go f m a n d r e lf e e ds p e e dc a ni n c r e a s et h ei n t e r n a ls t r e s sa n ds t r a i no fr i n g sa n dm a k et h e d e f o r m a t i o nm o r ee v e n t h ei n c r e a s i n go fh a r d e n a b i l i t yv a l u eo fr i n gm a t e r i a l sc a n a l s om a k et h es a m ee f f e c t t h em i c r o s t r u c t a r ee v o l u t i o no fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gt h ec o u r s eo fc o l d r i n g - r o l l i n ga r ei n v e s t i g a t e da n ds t u d i e d 弧er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no ft i n g sw h i c ho c 圮u ro ns u f f a c eo ft i n g sh a sar e l a t i o n s h i pt ot h et i n e v e n d e f o r m a t i o nd u r i n gr o l l i n g t h ec a r b i d eb e c a m em o r eo v e r ta n df i n ef e r r i t eg r a i n s a p p e a ri ns u r f a c el a y e ro ff i n g sa f t e rc o l dr i n g - r o l l i n g t h eh i g hs t r e s sm a k es o m ef i n e c a r b i d eg r a i n sd i s s o l v e di n t om a t e r i a l so fr i n g sa g a i na n di m p r o v et h ec a r b o nc o n t e n t o fs u l f a c el a y e r d u r i n gr o l l i n gi n t e r l a m e l l a rs p a c i n ga n dt h i c k n e s so fp e a r l i t e d e c r e a s e dp r o g r e s s i v e l ya n dp r o c e s sae x t e n to f p l a s t i cd e f o r m a t i o n s u r f a c ed e f e c t so fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gt h ec o u r s eo fr o l l i n ga r e i n v e s t i g a t e da n ds t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i ns u r f a c ed e f e c t so fr i n g si s s p a l l i n ga n dm i c r o - c r a c k s t h ee f f e c tb e t w e e nr i n g sa n dr o l l sf i tt oa d h e s i v ew e a l m o d ea n da d h e s i v ew e a rc a na p p e a ro ns u r f a c eo fr i n g sd u r i n gc o l dr i n gr o l l i n g a n d t h es u r f a c e h a r d e n i n gd u et os e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a n m a k es u r f a c ew e a rw o r s e t h em i c r o - c r a c k so f t e ni n i t i a t ea r o u n dc a r b i d e s 謝lb i gs i z eb e c a u s eo fs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni nt h ez o n e 、砘t hb i gs t r a i n a n dt h em e c h a n i s mo fm i c r o - c r a c k s i n i t i a t i o ni sd i s c u s s e d t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gt h ec o u r s eo f q u e n c h i n gi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , f i n eg r a i n sc a n b ef o u n di ns u r f a c el a y e r o fr i n g sa f t e rq u e n c h i n g n es i z eo ff i n eg r a i n si sr e l a t e dt ot h ed e f o r m a t i o no f i i i 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 c o l d - r o l l i n g t h es i z eo fm a r t e n s i t eo ns u r f a c 蟹o fr i n g sw h i c hc o n t a i nh i g hc a r b o n c o n t e n ta l s ob e c o m e ss m a l l e rt h a nt h a ti n s i d er i n g s t h em o r p h o l o g yo fm a r t e n s i t e d e p e n dt h ed e p t hb e l o wt h e 翻圓旺h c eo fr i n g s t h ec a r b i d ed i s t r i b u t em o r ee v e ni n s u r f a c el a y e ro f r i n g sa f t e rq u e n c h i n g s ot h e r ea r ev a r i o u ss t r e n g t h e n i n gm o d e si n s u r f a c el a y e ro fc o l dr i n g - r o l l e dt i n g sa r e rq u e n c h i n g t h er u l eo fr e s i d u a ls t r e s sl e f ti nc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gc o l dr i n g - r o l l i n g a n dq u e n c h i n g , t h er u l eo fd i s t o r t i o ni nq u e n c h i n go fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s si nc o l dr i n g - r o u e dr i n g si s i n f l u e n c e db yd e f o r m a t i o na n dm a n & e lf e e ds p e e dm a i n l y t h ed i s t o r t i o ni sa c o m p l e xe f f e c to f t h e r m a lr e s i d u a ls t r e s sa n dm i c r o s ( x u c t u r es t r e s s k e y w o r d s ：r i n g s , c o l dr i n gr o l l i n g m i c r o s t r u c t u r e , g e o m e t r i cp r e c i s i o n i v 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育 機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材科。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即學(xué)校有權(quán) 保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查闋和借閱；學(xué)校可以公布論文的全部 或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：導(dǎo)師簽名：日期： 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 高精度軋制與環(huán)件軋制 1 1 1 高精度軋制概況 采用高精度的軋制技術(shù)、生產(chǎn)高精度的軋制產(chǎn)品是目前軋制行業(yè)發(fā)展的重 要方向之一?，F(xiàn)代連續(xù)自動(dòng)化作業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)軋制產(chǎn)品的各個(gè)方面，如： 組織性能的均勻一致性、外形的尺寸精度等多方面都有著很高的要求。對(duì)高精 度軋制技術(shù)的要求主要表現(xiàn)在產(chǎn)品的外形尺寸精度上，如果提高軋制產(chǎn)品的外 形尺寸精度將會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生不可估量的經(jīng)濟(jì)效益。例如，由于板、帶材 主要用于沖制各種零部件，因此要求厚度精度高、板形平直，以利于提高沖模 壽命和沖壓件的精度；板、帶材除對(duì)厚度和板形精度要求高外，由于板帶要進(jìn) 行涂、鍍深加工，因而對(duì)鋼板表面粗糙度也有特殊的要求；棒、線、型材和管 材的高精度軋制可以減少加工件的切削量。提高軋制產(chǎn)品的尺寸精度，涉及到 了原材料、軋制工藝與設(shè)備、過(guò)程控制、儀表檢測(cè)、軋制理論以及生產(chǎn)管理上 的多方面因素。因此，軋制高精度的產(chǎn)品是現(xiàn)代軋制技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)之一。 進(jìn)入2 l 世紀(jì)以來(lái)，高精度發(fā)展的主要目標(biāo)為提高軋制精度和性能、擴(kuò)大品種、 降耗增效，并進(jìn)一步擴(kuò)大連續(xù)化的范圍。 近年來(lái)，我國(guó)在提高軋制精度方面已經(jīng)做了大量的研究工作。一方面對(duì)從 國(guó)外直接引進(jìn)的高精度軋制技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、消化與吸收。再一方面，在引進(jìn)的 基礎(chǔ)上并且有效的結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，自行開(kāi)發(fā)出一些有關(guān)提高產(chǎn)品精度的 基礎(chǔ)理論和實(shí)用的先進(jìn)工藝及裝備，其中一些技術(shù)已達(dá)到或超過(guò)國(guó)外的先進(jìn)水 平。但總體來(lái)說(shuō)，由于我國(guó)企業(yè)的工藝設(shè)備水平比較落后，高精度軋制技術(shù)與 國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在一定的差距。我國(guó)現(xiàn)有軋制設(shè)備有8 0 以上達(dá)不到 國(guó)外先進(jìn)水平，因此，提高我國(guó)軋制產(chǎn)品的高精度比是我國(guó)軋制行業(yè)發(fā)展的當(dāng) 務(wù)之急。 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 1 1 2 環(huán)件軋制及其發(fā)展趨勢(shì) 環(huán)件軋制是一種連續(xù)的局部塑性成形工藝，是精密軋制技術(shù)和精密塑性 成形技術(shù)的創(chuàng)新型集成，又稱環(huán)件輾擴(kuò)或擴(kuò)孔。環(huán)件軋制利用環(huán)件軋制設(shè)各 軋環(huán)機(jī)( 又稱輾擴(kuò)機(jī)或擴(kuò)孔機(jī)) 使環(huán)件壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形。 與其它加工方法相比，環(huán)件軋制具有大幅降低設(shè)備噸位、振動(dòng)沖擊小、節(jié)能節(jié) 材、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)是用來(lái)生產(chǎn)軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪及輪 箍、燃汽輪機(jī)環(huán)等各類無(wú)縫環(huán)件的先進(jìn)制造技術(shù)，在機(jī)械、汽車、火車、船舶 等工業(yè)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。可用于環(huán)件軋制的材料范圍廣闊，主要有： 碳素鋼、合金工具鋼、不銹鋼、鋁合金、銅合金、鈦臺(tái)金、鈷合金等“。 環(huán)件軋制的基本原理如圖卜i 所示。圖中的1 為主動(dòng)輥，由液壓或氣動(dòng)裝 置提供動(dòng)力。在軋制過(guò)程中，主動(dòng)輥l 同時(shí)作旋轉(zhuǎn)軋制和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，芯輥2 由與環(huán)件3 之問(wèn)的摩擦力帶動(dòng)，做從動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。環(huán)件3 通過(guò)主動(dòng)輥1 與芯輥2 構(gòu)成的軋制孔型產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形。當(dāng)環(huán)件3 經(jīng)過(guò)多轉(zhuǎn)軋制變形直徑擴(kuò) 大到預(yù)定尺寸時(shí)，環(huán)軋?jiān)O(shè)備發(fā)信號(hào)給主動(dòng)輥l 停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，環(huán)件軋制過(guò)程結(jié) 束。 圖l 。1 環(huán)件軋制的原理圖 主動(dòng)輥 2 芯輥 環(huán)件軋制與機(jī)械加工、鍛造等傳統(tǒng)的加工方法相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，主 塑堡蘭三查蘭墮主蘭些堡蘭 要包括有； ( 1 ) 適用范圍廣 環(huán)件軋制可以廣泛用于各種大、中、小型環(huán)件的制造。目前，世界上晟大 的環(huán)件直徑可以達(dá)到l o m 。我國(guó)在大型環(huán)件軋制造方面也加快了步伐，如2 0 0 5 年馬鋼分別從日本、德國(guó)引進(jìn)了一套m r x 一4 0 0 0 型臥式環(huán)件軋機(jī)成功軋制出直 徑超過(guò)4 米、單重選2 5 噸的超大型環(huán)件，如圖卜2 所示。 圖1 - 2環(huán)軋工藝生產(chǎn)的大型環(huán)件 ( 2 ) 節(jié)約原材料 由于環(huán)件軋制是一種近凈成形工藝，在軋制過(guò)程中幾乎沒(méi)有材料的切削， 因此很大程度的提高了材料的利用率。以6 3 0 8 軸承外圈為例，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法 的材料利用率為5 0 - 6 0 ，而采用環(huán)件軋制可以達(dá)到8 0 8 5 。隨著環(huán)軋技術(shù)的 提高和完善材料的利用率將會(huì)進(jìn)一步提高。 ( 3 ) 環(huán)件組織性能好 由于環(huán)件軋制不切斷金屬的纖維，保持了金屬材料的流線。因此，經(jīng)過(guò)環(huán) 軋后，材料的致密性好，金屬的晶?？梢缘玫郊?xì)化，從而提高了環(huán)件的機(jī)械性 能和使用性能。 ( 4 ) 環(huán)件的尺寸精度高 由于環(huán)件軋制是利用模具成形，加工精度由模具來(lái)保證，因此工件位置精 度高，有利于后續(xù)加工，磨目加工余留量較小，環(huán)軋產(chǎn)品的互換性也高。對(duì)于 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 6 3 0 8 軸承外圈來(lái)說(shuō)，環(huán)軋外圈的公差為0 0 8 0 1 5 m m ，寬度的公差為0 0 7 - - - 0 1 3 r a m ，內(nèi)圈的公差在0 0 4 - - 0 0 6 r i m l 之間。特別是在軋制帶溝槽等的異型截面 環(huán)件時(shí)，加工精度高的這一特點(diǎn)就更加明顯。 與此同時(shí)，環(huán)件軋制造還有其它的優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)約能源、工作環(huán)境好、適合 批量生產(chǎn)等。 冷環(huán)軋是軋制工藝的一個(gè)重要組成部分。冷環(huán)軋指在材料的再結(jié)晶溫度下 的軋制，是高性能軸承、齒輪等環(huán)形零件的先進(jìn)制造技術(shù)。和熱環(huán)軋相比，冷 環(huán)軋產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 產(chǎn)品表面質(zhì)量好，光潔度高，并可根據(jù)需要賦予產(chǎn)品各種特殊的表面； ( 2 ) 可獲得熱軋法不能生產(chǎn)的薄壁環(huán)件； ( 3 ) 產(chǎn)品尺寸精度精度高、厚度均勻； ( 4 ) 產(chǎn)品性能好，有較高的機(jī)械強(qiáng)度和使用性能； ( 5 ) 可實(shí)現(xiàn)高速全連續(xù)軋制，有很高的生產(chǎn)率。 雖然冷環(huán)軋已經(jīng)取得了很大的研究成果，但是還不能達(dá)到直接生產(chǎn)高質(zhì)量 環(huán)件產(chǎn)品的程度，仍然還需要依賴后續(xù)的機(jī)械加工，才能達(dá)到所需要的高精度 尺寸要求。在材料的組織上也不能生產(chǎn)出高度連續(xù)一致的產(chǎn)品，材料的表面和 內(nèi)部缺陷仍然是制約高質(zhì)量環(huán)件產(chǎn)品的主要矛盾之一。 當(dāng)今世界各國(guó)對(duì)環(huán)件軋制進(jìn)行了深入的研究嘲1 川。環(huán)件軋制作為一種高效、 先進(jìn)和主要的塑性成形工藝之一，主要發(fā)展趨勢(shì)有： ( 1 ) 大型環(huán)件軋制技術(shù) 對(duì)于直徑在2 m 以上的大型環(huán)件，越來(lái)越多的采用環(huán)軋技術(shù)來(lái)生產(chǎn)。能夠 生產(chǎn)直徑為0 2 - 1 0 m 的環(huán)軋?jiān)O(shè)備的數(shù)量在美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家迅速增加； ( 2 ) 高速環(huán)件軋制技術(shù) 隨著環(huán)軋?jiān)O(shè)備的自動(dòng)化程度的提高，環(huán)軋的速度和生產(chǎn)率隨之提高。目前， 小型軸承環(huán)軋自動(dòng)生產(chǎn)率可以達(dá)到3 0 0 1 0 0 0 件d , 時(shí)； ( 3 ) 精密環(huán)件軋制技術(shù) 隨著制坯的精化和環(huán)軋測(cè)控系統(tǒng)的進(jìn)展，環(huán)軋的精度逐漸提高，精密環(huán)軋 的環(huán)件直徑的尺寸精度可以達(dá)到1 - 5l lm ： ( 4 ) 復(fù)雜環(huán)件軋制技術(shù) 目前，截面為矩形或近似矩形的環(huán)件軋制已經(jīng)比較成熟，并且得到了廣泛 應(yīng)用。為了進(jìn)一步減少機(jī)械加工量，提高環(huán)件材料的利用率，復(fù)雜截面的環(huán)件 4 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 成形軋制生產(chǎn)得到了高度重視和進(jìn)一步的發(fā)展。通過(guò)毛坯和軋制孔型的優(yōu)化設(shè) 計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大量的復(fù)雜截面環(huán)件的直接軋制成形。 ( 5 ) 柔性環(huán)件軋制技術(shù) 為了適應(yīng)多品種、多規(guī)格的環(huán)件軋制，柔性環(huán)軋?jiān)O(shè)備得到了重視，目前現(xiàn) 有的柔性軋制設(shè)備軋制孔型更換的時(shí)問(wèn)可以小于1 小時(shí)，軋制環(huán)件的直徑為 2 5 0 - - 一9 0 0 m m ，重量為2 0 - 一l o o k g ，非常適合小批量的多規(guī)格環(huán)軋生產(chǎn)。 1 1 3 軸承行業(yè)與環(huán)件軋制 在當(dāng)今的各國(guó)制造業(yè)中，環(huán)軋技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。軸承套圈是作為大批 量生產(chǎn)的零件，其質(zhì)量和性能的好壞很大程度上取決于制造技術(shù)。傳統(tǒng)的軸承 內(nèi)外套圈是通過(guò)車削等機(jī)加工生產(chǎn)的，典型的加工工藝為：下料一鐓粗一沖孔一退 火一粗車一精車一淬火一磨削。這樣的加工工藝不但費(fèi)料、費(fèi)時(shí)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低， 成本高，而且軸承套圈的金屬流線纖維也不連續(xù)，產(chǎn)品的組織性篚也不好，遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不能滿足高性能軸承的使用要求。因此，軸承行業(yè)是應(yīng)用環(huán)軋技術(shù)最早也是 最廣泛的行業(yè)之一。 軸承套圈的精密冷環(huán)軋工藝是上世紀(jì)8 0 年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是環(huán)軋的 重要組成部分，能最大限度地使工件形狀和精度接近于成品零件的形狀和精度， 并可顯著改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，所以該加工方法引起國(guó)內(nèi)外軸承企業(yè)界的普遍 重視。環(huán)件冷軋技術(shù)作為先進(jìn)的塑性成形新技術(shù)之一，在高性能軸承套圈制造 中具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。 國(guó)外一些著名軸承生產(chǎn)廠，如德國(guó)的f a g 公司、瑞典的s k f 公司和原蘇 聯(lián)的第二十三軸承廠都采用這一先進(jìn)工藝。世界各國(guó)都在致力于冷環(huán)軋技術(shù)的 開(kāi)發(fā)研究，并已在批量生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。如英國(guó)f o p 弛i f i o 公司的冷環(huán)軋生產(chǎn)線， 德國(guó)s k f 公司的e m b 型封閉成形擴(kuò)孔機(jī)冷環(huán)軋生產(chǎn)線，德國(guó)寶飛螺( 巴德杜本) 的u r w 型全自動(dòng)軸承套圈冷環(huán)軋機(jī)，日本共榮的c r f 型冷環(huán)軋機(jī)等，其中德國(guó) 和日本的設(shè)備在國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)已有少量引進(jìn)。2 0 世紀(jì)8 0 年代末該工藝受到我 國(guó)軸承行業(yè)的重視，引進(jìn)冷環(huán)軋?jiān)O(shè)備。 隨著冷環(huán)軋工藝的逐漸推廣，其應(yīng)用范圍越來(lái)越大，但是由于冷環(huán)軋工 藝的不成熟性，尚不能直接終軋成形，只能主要用來(lái)制取供后續(xù)加工使用的 毛坯。雖然國(guó)內(nèi)很多企業(yè)對(duì)冷環(huán)軋技術(shù)的關(guān)注不斷增加，但受制于原材料質(zhì)量、 毛坯重量與精度、冷環(huán)軋工藝以及缺乏高性價(jià)比的設(shè)備等原因，軸承套圈冷環(huán) 5 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 軋技術(shù)一直未能得到廣泛應(yīng)用。 在實(shí)際生產(chǎn)中，現(xiàn)在的冷環(huán)軋工藝尚存在的主要問(wèn)題包括：冷環(huán)軋后 的表面和內(nèi)部缺陷較多；環(huán)件在冷軋后由于受到殘余應(yīng)力等因素的影響， 外形幾何尺寸達(dá)不到要求，并且直接影響了熱處理后的組織和外形尺寸； 不能通過(guò)控制冷軋工藝參數(shù)來(lái)優(yōu)化軋后的顯微組織；與軋后的熱處理沒(méi)有 合理的配合，依然是各自獨(dú)立的工藝路線等。 中國(guó)軸承工業(yè)與世界軸承工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比，存在較大差距，主要表現(xiàn)為高精 度、高技術(shù)含量和高附加值的產(chǎn)品比例偏低、產(chǎn)品穩(wěn)定性差、可靠度低、壽命 短。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在的差距主要包括： ( 1 ) 我國(guó)能生產(chǎn)的軸承品種少，目前世界軸承產(chǎn)品的規(guī)格有大約1 5 萬(wàn)種， 而我國(guó)迄今累計(jì)生產(chǎn)僅有2 萬(wàn)余種，而且多為通用產(chǎn)品； ( 2 ) 生產(chǎn)能力不足，目前我國(guó)的生產(chǎn)企業(yè)約為2 0 0 0 多家，是世界其它國(guó) 家軸承企業(yè)總和的5 - 6 倍。2 0 0 8 年我國(guó)的軸承產(chǎn)量為1 0 5 億套，但是只相當(dāng)于 世界排名第一的瑞典s k f 公司的一半，與第六的美國(guó)t i m k e n 公司相當(dāng)； ( 3 ) 在尺寸和旋轉(zhuǎn)精度上，我國(guó)的軸承盡管已經(jīng)接近國(guó)外名牌產(chǎn)品，但是 在尺寸偏差的離散度上還存在較大的差距。另外，國(guó)外早已經(jīng)開(kāi)始研究和應(yīng)用 “不可重復(fù)跳動(dòng) 精細(xì)旋轉(zhuǎn)精度指標(biāo)，在我國(guó)此方面的研究尚屬空白； ( 4 ) 在振動(dòng)、噪聲和異音方面。日本已經(jīng)推出靜音和超靜音軸承，而我國(guó) 軸承的振動(dòng)( 加速度) 極值水平與日本產(chǎn)品相比，一般要差l o d b 以上； ( 5 ) 在高速性能方面，國(guó)外名牌產(chǎn)品的d m n 值( 軸承節(jié)圓直徑( 唧) x 旋 轉(zhuǎn)速度( r p i n ) ) 達(dá)4 x1 0 6 r a m r m i n ，而我國(guó)軸承僅為2 1 0 6 n u n r m i n ； ( 6 ) 在壽命與可靠性方面，以深溝球軸承為例，國(guó)外名牌產(chǎn)品的壽命一般 為計(jì)算壽命的8 倍以上( 最高可達(dá)3 0 倍以上) ，可靠性為9 8 以上( 或追求與主 機(jī)等壽命x 而我國(guó)軸承的壽命一般僅為計(jì)算壽命的3 - - 一5f i 弓可靠性為9 6 左右； ( 7 ) 軸承套圈冷環(huán)軋技術(shù)，我國(guó)從原理研究開(kāi)始起步，相繼獲得國(guó)家發(fā)明 專利，已進(jìn)入實(shí)用化階段。國(guó)產(chǎn)冷環(huán)軋機(jī)的技術(shù)水平與日本c r f 型和德國(guó)u p w a 型冷環(huán)軋機(jī)相當(dāng)，但在機(jī)床的穩(wěn)定性、系列化、應(yīng)用范圍和自動(dòng)化程度方面存 在較大差距。 現(xiàn)代高速精密靜音機(jī)械的發(fā)展對(duì)軸承的加工與測(cè)量精度提出了更高的要 求，軸承零件的公差等級(jí)已由微米級(jí)進(jìn)入到納米級(jí)，從而對(duì)軸承零件的加工與 測(cè)量提出了相應(yīng)的要求。納米級(jí)軸承加工和測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)剛起步，國(guó)外如英國(guó) 6 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 一些公司近年來(lái)在納米技術(shù)超精切削和超精磨削領(lǐng)域都取得很大進(jìn)展。其它一 些先進(jìn)的加工、檢測(cè)技術(shù)如自適應(yīng)磨削技術(shù)、在線測(cè)量技術(shù)、故障診斷技術(shù)、 仿真試驗(yàn)等技術(shù)，國(guó)外已得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在這方面差距很大。 正是由于我國(guó)軸承存在著從品種規(guī)格到性能質(zhì)量等方面的不足，因此，不 僅在出口上，絕大部分為低檔產(chǎn)品，每套軸承平均價(jià)格僅為o 4 美元左右，不 具任何技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力，而且在國(guó)內(nèi)的一些重要主機(jī)或領(lǐng)域，鍘如民航飛機(jī)、高速 鐵路客車、中高檔轎車、計(jì)算機(jī)、空調(diào)器、引進(jìn)型重大裝備等方面，基本上是 由進(jìn)口軸承“一統(tǒng)天下一。而這些產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域，又多是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)或 領(lǐng)域n 5 】一【1 7 】。 1 2 軸承的失效 1 2 1 軸承的工況及失效形式 軸承是現(xiàn)代各種機(jī)械設(shè)備上基礎(chǔ)零件。同時(shí)也是最易損壞的零件，其中滾 動(dòng)軸承是軸承中的最主要產(chǎn)品。在正常工作時(shí)，由于軸承的滾動(dòng)體和套圈滾道 之間以很小的面積接觸。因此在工作時(shí)，承受著很高的接觸壓應(yīng)力，最大可以 達(dá)到3 0 0 0 - - 5 0 0 0 m p a ，循環(huán)的應(yīng)力次數(shù)可以數(shù)萬(wàn)次分鐘除此之外，滾珠還受 到由離心力引起的附加載荷，并且隨轉(zhuǎn)速的提高而增加。滾動(dòng)體和套圈滾道之 間還可能發(fā)生滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦。因此，在工作到一定的時(shí)間后，將發(fā)生接觸疲 勞破壞或受損而失效。滾動(dòng)軸承的主要失效形式有n 町。嘲： ( 1 ) 接觸疲勞失效 接觸疲勞失效指軸承表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的失效。接觸疲勞剝 落發(fā)生在表面，往往也伴隨著疲勞裂紋，首先從接觸表面以下最大交變切應(yīng)力 處產(chǎn)生，然后擴(kuò)展到表面形成不同的剝落形狀，如點(diǎn)狀為點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落，剝 落成小片狀的稱淺層剝落。剝落面的逐漸擴(kuò)大，而往往向深層擴(kuò)展。形成深層 剝落。深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。 ( 2 ) 磨損失效 磨損失效系指表面之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦導(dǎo)致表面金屬不斷磨損而產(chǎn)生的失 效。持續(xù)的磨損將引起軸承零件逐漸損壞，并最終導(dǎo)致軸承尺寸精度喪失。磨 損可能影響到形狀變化，配合間隙增大及工作表面形貌變化，可能影響到潤(rùn)滑 7 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 劑或使其污染達(dá)到一定程度而造成潤(rùn)滑功能完全喪失，因而使軸承喪失旋轉(zhuǎn)精 度乃至不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。磨損失效是各類軸承常見(jiàn)的失效模式之一，按磨損形式 通?？煞譃樽畛Ｒ?jiàn)的磨粒磨損和粘著磨損。 磨粒磨損指軸承工作表面之間擠入外來(lái)堅(jiān)硬粒子或硬質(zhì)異物或金屬表面的 磨屑且接觸表面相對(duì)移動(dòng)而引起的磨損，常在軸承工作表面造成犁溝狀的擦傷。 粘著磨損指由于摩擦表面的顯微凸起或異物使摩擦面受力不均，在潤(rùn)滑條 件嚴(yán)重惡化時(shí)，因局部摩擦生熱，易造成摩擦面局部變形和摩擦顯微焊合現(xiàn)象， 嚴(yán)重時(shí)表面金屬可能局部熔化，接觸面上作用力將局部摩擦焊接點(diǎn)從基體上撕 裂而增大塑性變形。這種粘著撕裂粘著的循環(huán)過(guò)程構(gòu)成了粘著磨損，輕微 的粘著磨損稱為擦傷，嚴(yán)重的粘著磨損稱為咬合。 ( 3 ) 斷裂失效 軸承斷裂失效主要原因是缺陷與過(guò)載兩大因素。外加載荷超過(guò)材料強(qiáng)度極 限而造成零件斷裂稱為過(guò)載斷裂。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來(lái) 雜物、過(guò)熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過(guò)載或劇烈振動(dòng)時(shí)也會(huì)在缺陷處引起 斷裂，稱為缺陷斷裂。 按照最大切應(yīng)力理論，切應(yīng)力在接觸表面下0 7 8 6 b 處達(dá)到最大，b 為接觸帶 寬度。在高應(yīng)力下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，顯微組織由回火馬氏 體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，強(qiáng)度降低，比容減小，。周圍引起附加張應(yīng)力，如果此區(qū) 域存在非金屬夾雜物或粗大的碳化物，就成為疲勞裂紋的發(fā)源地。疲勞裂紋一 般沿著切應(yīng)力方向發(fā)展，擴(kuò)展方向一般與表面呈4 5 夾角，當(dāng)擴(kuò)展到表面的時(shí)候， 就會(huì)引起表面剝落。表面下一定深度( 1 m m ) 的非金屬夾雜物和組織缺陷的危 害最大。 1 2 2 軸承對(duì)材料的要求 軸承的工作環(huán)境要求材料應(yīng)具有高硬度和耐磨性、高抗壓強(qiáng)度和接觸疲勞 強(qiáng)度。此外，還具有一定的韌性、良好的尺寸穩(wěn)定性和工藝特性等，有些特定 場(chǎng)合則要求材料具有耐蝕性或耐高溫性能。軸承用鋼通常是高碳鉻鋼及滲碳鋼。 隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和滾動(dòng)軸承使用量日益增加，對(duì)軸承的要求越來(lái)越高， 如高精度、長(zhǎng)壽命及高可靠性等。對(duì)于些特殊用途軸承，還要求軸承材料具 有耐高溫、抗腐蝕、無(wú)磁性、超低溫、抗輻射等性能。對(duì)軸承鋼的基本質(zhì)量要 8 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 求是純凈和組織均勻，純凈就是雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物的數(shù)量要少，組織均 勻是碳化物要細(xì)小，并且分布要均勻。軸承鋼經(jīng)過(guò)熱處理后要求有高而均勻的 硬度和耐磨性，好的彈性極限和高的接觸疲勞強(qiáng)度嗍嘲1 。 1 2 2 1 材料的純凈度 材料中的夾雜物破壞了材料的連續(xù)性并且產(chǎn)生應(yīng)力集中，經(jīng)常成為剝落的 裂紋源，因此應(yīng)該盡可能降低軸承鋼中的夾雜物的含量。夾雜物對(duì)軸承鋼的疲 勞壽命的影響主要有： ( 1 ) 軸承鋼的連續(xù)性受到了破壞。在塑性變形的過(guò)程中，在大應(yīng)力和交變 載荷的作用下，在非金屬夾雜物處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此夾雜物的存在對(duì)材 料的性能是一種潛在的危害。 ( 2 ) 由于基體與夾雜物的熱膨脹系數(shù)的不同，在夾雜物與基體的界面容易 產(chǎn)生相反的微觀應(yīng)力，即鑲嵌應(yīng)力，形成初始裂紋。危害最大的為熱膨脹系數(shù) 小的氧化鋁和尖晶石之類的夾雜物。 ( 3 ) 獨(dú)立的硫化物夾雜同樣也破壞了鋼的連續(xù)性。當(dāng)硫化物把鋼中獨(dú)立存 在的氧化物包圍起來(lái)，形成硫氧共生夾雜物，則會(huì)減輕氧化物對(duì)軸承鋼疲勞性 能的有害影響。 1 2 2 2 材料的均勻性 軸承鋼的均勻性是指化學(xué)成份的均勻性及碳化物的均勻性?；瘜W(xué)成份的均 勻性主要是指鋼中的各種合金元素的宏觀及微觀偏析程度；碳化物的均勻性包 括：碳化物顆粒尺寸的大小、分布狀態(tài)以及形態(tài)等。 多種研究結(jié)果表明：液析碳化物的危害與鋼中非金屬夾雜物的危害程度相 當(dāng)；帶狀碳化物的分布不均勻可以使軸承材料的疲勞壽命大幅度降低；碳化物 顆粒的大小嚴(yán)重影響了軸承的工作壽命。高碳鉻軸承鋼經(jīng)過(guò)正常的熱處理后， 一般會(huì)有7 - 9 的殘余粒狀碳化物存在基體中。當(dāng)基體馬氏體的含碳量為確定時(shí)， 碳化物的平均顆粒度越小，則軸承的疲勞壽命越長(zhǎng)，如表1 - 1 所示。有資料表 明，當(dāng)碳化物的平均直徑從li im 降低到0 5 6i lm 時(shí)，材料的疲勞壽命可以提高 2 - 2 5 倍。 9 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 表l l 熱處理后碳化物對(duì)疲勞壽命的影響 碳化物平均直徑 疲勞壽命 ( 1 im ) l l o 次w 次 0 7 8 5 0 6 5 5 0 0 9 0 0 4 9 1 0 6 0 8 6 1 0 6 4 0 0 1 0 6 6 0 1 0 6 8 0 x 1 0 6 1 3 o 1 0 6 1 2 3 滾動(dòng)軸承的疲勞破壞 滾動(dòng)軸承采用高強(qiáng)度合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳素鋼滲碳淬火處理，獲得高硬度、高 機(jī)械強(qiáng)度的特性，因此承載能力很強(qiáng)而變形很小，接觸斑區(qū)相應(yīng)也很小。計(jì)算 表明，正常設(shè)計(jì)條件下，軸承接觸斑區(qū)的應(yīng)力雖然較高，但明顯低于熱處理后 軸承鋼的強(qiáng)度。但是疲勞破壞現(xiàn)象卻時(shí)常出現(xiàn)，主要是由于： ( 1 ) 材料表面缺陷種類繁多，是導(dǎo)致疲勞破壞的主要原因之一。材料表面 既有材料本身造成的位錯(cuò)、缺陷和夾雜物等，又有由外界因素造成的機(jī)械加工 微裂紋、過(guò)熱軟點(diǎn)、水分等的腐蝕缺陷，缺油時(shí)的擦傷，機(jī)械雜質(zhì)阻滯滑擦， 外力碰撞摩擦劃痕，運(yùn)行微滑行等都是軸承表面損傷原因，它們都可能成為軸 承表面疲勞破壞發(fā)生的根源。在潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑的條件下，表面微缺陷內(nèi)有可能滲 入油脂時(shí)，滾子和滾道間強(qiáng)烈的碾壓作用，將在裂損“口部 被“封死 的條 件下，在裂紋內(nèi)形成超高壓力，成為疲勞裂紋發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力，這種碾壓油 楔破壞是表面點(diǎn)蝕，疲勞剝離的加速發(fā)展的重要原因之一。 ( 2 ) 金屬內(nèi)部的微缺陷，是軸承深層疲勞破壞容易產(chǎn)生的根源。金屬材質(zhì) 內(nèi)部總存在一些微缺陷，它使局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，一旦外加應(yīng)力高于局部強(qiáng)度， 塑性變形就會(huì)產(chǎn)生發(fā)育為微裂紋，進(jìn)而發(fā)展成為宏觀的疲勞破壞現(xiàn)象。金屬內(nèi) 部缺陷有：位錯(cuò)與夾雜物等缺陷( 氫、氧、磷、硫化合物) 等。對(duì)于不同的金 屬類別，金屬內(nèi)部的晶界、皿晶界、原子空缺等都程度不同的阻塞或加速金屬 受力變形過(guò)程和金屬材質(zhì)內(nèi)位錯(cuò)現(xiàn)象的抑制或發(fā)展。合金或雜質(zhì)元素又往往在 位錯(cuò)線處富集，它們錯(cuò)綜復(fù)雜地相互作用著，削弱了金屬整體強(qiáng)度。實(shí)際部件 發(fā)生失效故障時(shí)，所表現(xiàn)的強(qiáng)度往往還比上述測(cè)定極限明顯降低，原因通常是 1 0 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 復(fù)雜的，如結(jié)構(gòu)、冷熱加工等，但就金屬材質(zhì)強(qiáng)度分忻，內(nèi)部缺陷在受外力作 用時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而此處又是機(jī)械強(qiáng)度較弱的處所，常常成為軸承破壞性故 障的禍?zhǔn)装昴_。 1 ：3 滾動(dòng)軸承鋼g c r l5 概況洶h 嘲 1 。3 16 0 r i5 鋼概述 高碳鉻軸承鋼具有良好的接觸疲勞性能和耐磨性能，并且加工性能良好， 能夠滿足一般和某些特殊用途軸承的要求，用來(lái)制造軸承已經(jīng)有近百年的歷史， 目前是國(guó)內(nèi)外廣泛采用的鋼種，在我國(guó)約占軸承用鋼總量的9 0 以上。 g c r l 5 是高碳鉻軸承鋼的一種基本型號(hào)，含碳量為0 9 5 1 0 5 ，屬于過(guò)共 析鋼，它能保證通過(guò)適當(dāng)熱處理獲得冷作模所需要的高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨 性等性能。g c r l 5 鋼中加入鉻的主要目的是提高鋼的淬透性，如含c r 為1 5 0 時(shí)，厚度為1 5 毫米左右的工件，在油中冷卻即可淬透。此外，c r 與c 所形成的 ( f e ，c r ) 合金滲碳體，它比一般滲碳體穩(wěn)定，能降低鋼的過(guò)熱傾向，淬火后 獲得細(xì)片狀或隱晶馬氏體和細(xì)小碳化物的混合組織，從而增加鋼的韌性：鉻還 有利于提高鋼在低溫回火時(shí)的回火穩(wěn)定性。一般認(rèn)為鋼中c r 含量超過(guò)1 6 5 時(shí)， 會(huì)增加淬火鋼中殘余奧氏體量并使碳化物分布不均勻，其結(jié)果將導(dǎo)致冷作模具 的機(jī)械性能降低都使用壽命縮短。因此，在g c 訂5 鋼中，含c r 量以控制在1 3 0 - 1 6 5 范圍之內(nèi)。 當(dāng)c r 1 5 鋼的化學(xué)成份符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，軸承的內(nèi)在質(zhì)量很大程度上取決于冶 金質(zhì)量：化學(xué)成份的均勻性、非金屬夾雜物的含量、類型大小及分布、碳化物 的不均勻性，此外，熱處理質(zhì)量對(duì)使用性能和壽命也起到?jīng)Q定作用。 1 3 2c r 在鋼中的作用 鉻是碳化物的強(qiáng)形成元素，除了可以提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性外，還 可以提高鋼的淬透性和耐腐蝕性能。 般在c 為1 、c r 2 6 5 鋼中，只生成m 3 c 碳化物。合金元素c r 的主要作 用是提高鋼的淬透性，能顯著改變鋼中碳化物顆粒的分布和大小，使?jié)B碳體型 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 碳化物m e g 變得細(xì)小和分布均勻。同時(shí)，鉻還能減小鋼過(guò)熱傾向和脫碳速度， 一般含鉻量在0 5 - 1 6 5 范圍內(nèi)。含鉻過(guò)高易形成大塊碳化物( 如c r y ) ，并使 殘余奧氏體量增加，不利于軸承壽命提高。同時(shí)有部分c r 與碳形成合金滲碳體 ( f e ，c r ) ，淬火后此碳化物呈細(xì)小顆粒狀均勻分布在隱晶馬氏體的基體上，使 軸承鋼在熱處理后獲得高而均勻的硬度及耐磨性。 1 3 3g c r l 5 鋼的退火與正火組織 c - c r l 5 鋼鍛造后的組織為細(xì)片狀珠光體，硬度為h 8 2 5 5 - 3 4 0 。也允許有細(xì)小 網(wǎng)狀碳化物出現(xiàn)。這樣的組織可以不經(jīng)正火，而直接進(jìn)行球化退火。如果鍛造 工藝不當(dāng)，如終鍛溫度過(guò)高，鍛后冷卻又過(guò)慢，則將使碳化物明顯沿奧氏體晶 界析出，結(jié)果形成粗大網(wǎng)狀碳化物；終鍛溫度過(guò)低，沿晶界析出的碳化物將和 奧氏體晶粒一起，沿著變形方向被拉長(zhǎng)，使碳化物呈線條狀出現(xiàn)。粗大網(wǎng)狀碳 化物和線條狀碳化物均不能通過(guò)球化退火消除。 g c r l 5 鋼球化退火的主要目的是：( 1 ) 消除鍛造應(yīng)力、降低鍛坯硬度( 可降至 h b 2 0 7 2 2 9 ) ，有利于機(jī)械加工，( 2 ) 改善原始組織使獲得均勻、細(xì)小的球狀珠 光體，珠光體形態(tài)的正常級(jí)別為2 - 3 級(jí)。 這種理想的退火組織有許多優(yōu)點(diǎn)：( 1 ) 具有良好的切削加工性，適于用自動(dòng) 或半自動(dòng)機(jī)床進(jìn)行切削加工，表面加工質(zhì)量較好：( 2 ) 過(guò)熱傾向較小，允許的加 熱溫度范圍較寬，淬火操作容易掌握，因此質(zhì)量穩(wěn)定；( 3 ) 在相同溫度正常淬火 后，其殘余奧氏體量較少，硬度和抗彎強(qiáng)度較高；( 4 ) 使淬火低溫回火狀態(tài)，在 強(qiáng)而韌的馬氏體和殘余奧氏體基體上均勻分布著一定數(shù)量的細(xì)粒狀碳化物，有 利于獲得較為良好的耐磨性。 軸承鋼的退火有擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火和球化退火等幾種類型。軸承套圈 鍛件的退火應(yīng)采用球化退火。球化退火使組織變?yōu)榫鶆蚍植嫉募?xì)粒狀的珠光體， 為淬火提供最佳的原始組織：提高了塑性，降低硬度，便于切削加工。 1 3 4g c r l5 鋼的淬火組織 淬火加熱溫度對(duì)g c r l 5 鋼的性能有較大影響。因此，淬火加熱溫度的選擇 首先要求在淬火加熱時(shí)應(yīng)有足夠數(shù)量的合金滲碳體溶入奧氏體中，使奧氏體中 有足夠的碳和合金元素含量。( ；c r l 5 鋼中的殘余碳化物數(shù)量不多，如果淬火溫度 1 2 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 偏高，將會(huì)晶粒粗大、韌性降低。因此，g c r l 5 鋼的最佳淬火溫度范圍一般僅在 2 0 - 3 0 范圍內(nèi)波動(dòng)。g c r l 5 鋼的正常淬火加熱溫度為8 3 5 - 8 4 5 。淬火溫度過(guò) 低或過(guò)高，都會(huì)給鋼的淬火組織和性能帶來(lái)不良影響。若淬火溫度過(guò)低，則由 于碳化物難以溶入奧氏體，使奧氏體中的碳及合金元素濃度過(guò)低，同時(shí)奧氏體 中成分難以擴(kuò)散均勻，因而鋼的淬透性降低，并在淬火后達(dá)不到性能要求；若 淬火溫度過(guò)高，則由于碳化物大量溶入奧氏體，使奧氏體晶粒擺脫抑制而劇烈 長(zhǎng)大，使鋼的淬火馬氏體片變粗，殘余奧氏體的數(shù)量增加，鋼的強(qiáng)度和韌性下 降，淬火變形和開(kāi)裂的傾向增大。低于8 2 0 時(shí)，隨著淬火溫度升高，淬火后硬 度逐漸增加；在淬火溫度為8 3 0 - 8 6 0 時(shí)，淬火硬度達(dá)到h r c 6 3 - 6 5 ，在高于8 6 0 淬火時(shí)，由于殘余奧氏體量增加，淬火硬度趨向于降低。 淬火加熱時(shí)間不僅必須保證零件熱透，而且必須保證可能轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的 那一部分碳化物及合金元素完全溶解，保溫時(shí)間太短不能達(dá)到足夠的淬透性和 回火穩(wěn)定性，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又可能引起晶粒的長(zhǎng)大和脫碳層增加。 g c r l 5 鋼的正常淬火組織為隱晶馬氏體或細(xì)小結(jié)晶的馬氏體、少量的殘余奧 氏體和細(xì)小而分布均勻的碳化物。一般情況下，如果存在明顯針狀組織則說(shuō)明 奧氏體加熱溫度已經(jīng)達(dá)到過(guò)熱的范圍。g c r l 5 鋼的淬火組織中，馬氏體占8 0 以 上，碳化物占5 - 1 0 ，殘余奧氏體占9 - 1 5 ，具有這種組織的軸承鋼的硬度、強(qiáng) 度、耐磨性和耐疲勞性都很好，經(jīng)過(guò)回火還可以獲得彈性、韌性和尺寸穩(wěn)定性 等良好的綜合機(jī)械性能。 1 3 5g c r l5 鋼中的碳化物 g c r l 5 鋼主要的合金元素是c 和c r ，c 是偏析傾向很高的元素，而c r 是碳 化物的易形成元素。當(dāng)c 含量達(dá)到0 6 時(shí)，馬氏體的硬度具有最大值，c 達(dá)到 飽和程度。因此，由于g c r l 5 鋼的高含碳量，基本不存在c 貧乏的情況。馬氏 體的硬度波動(dòng)不大，而碳化物的數(shù)量、形態(tài)與分布將直接影響軸承鋼的性能。 g c r l 5 鋼中碳化物的數(shù)量、形狀、大小和分布的均勻程度，是決定軸承鋼質(zhì)量的 重要標(biāo)志。按碳化物的組織特征( 或形成歷程) 可以分為液析碳化物、帶狀碳化 物、網(wǎng)狀碳化物以及顆粒碳化物。軸承鋼中碳化物不均勻性主要表現(xiàn)為：碳化物 液析、碳化物帶狀和碳化物網(wǎng)狀。 ( 1 ) 碳化物液析是液相中碳及合金元素富集而產(chǎn)生的亞穩(wěn)共晶萊氏體，熱 1 3 武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文 加工時(shí)，被破碎成不規(guī)則碎塊，沿壓延方向呈鏈狀或條狀分布。它是不合理的 澆鑄、冷卻條件所引起的嚴(yán)重枝晶偏析，以及鉻元素降低碳在奧氏體中最大固 溶度的綜合結(jié)果。一般認(rèn)為碳化物液析屬于三角晶系碳化物，硬度極高，它的 存在會(huì)使軸承零件在熱處理過(guò)程中