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汽车轴承热处理应用及发展

发布时间：2013-07-31 浏览次数：654

　　轴承是一个重要的机械基础连接件，在机械工业应用广泛。可以说，有旋转的地方就有轴承。汽车作为现代社会人们的主要交通工具，汽车工业也成为我国主要的支柱产业，轴承在其中也发挥着重要作用。
　　汽车的很多安保件，如转向器、发动机和变速箱等，都可以看到轴承的身影。汽车轴承作为轴承的一个分支，有承载、抗冲击和高速旋转等特殊性能，其性能对乘客、驾驶员和车辆本身的安全有着重要影响。
　　热处理作为汽车轴承制造过程的关键工序，其加工质量好坏与原材料是影响轴承寿命的两大重要因素。下面，笔者根据自己的工作经验和所掌握知识，从汽车轴承的材料、热处理设计、热处理工艺、热处理装备、热处理技术力量和热处理发展方向等方面，对汽车轴承热处理技术做简要阐述。
　　一、轴承用材料
　　材料的好坏是决定轴承寿命的Z重要因素，我国汽车轴承与国外差距，材料是主要因素，其次为轴承设计、工艺水平和工艺装备。尽管我们修订了GB/T 18254标准，增加了“优质高碳铬轴承钢”标准，对其中碳化物、偏析、含氧量和夹杂物等要求有所提升，但受制于国内钢厂冶炼技术和成本等因素，完全实施仍有很大难度。
　　随着真空脱气的广泛应用，我国轴承钢在氧含量控制方面有很大提高，已接近国外水平。但在碳化物均匀性、网状碳化物控制、夹杂物控制等方面仍有较大差距，这就造成国内汽车轴承质量先天不足，轴承的寿命、可靠性及一致性逊色于国外轴承。
　　我国轴承材料大量使用的是GCr15钢和GCr15SiMn钢，品种单一。汽车轴承专用材料的研究开发尚无报道。轴承钢生产厂家与轴承生产厂家很少合作。
　　二、轴承设计及工艺
　　1、个体化、差异化设计缺乏
　　先进的轴承设计应根据轴承的服役环境，采用个体化和差异化的设计，以满足轴承的实际工况要求。国内轴承个体化和差异化设计方面仍显不足。另外，轴承的热处理设计也是影响轴承寿命的重要因素。轴承包含的四大件：外圈、内圈、滚动体和保持架。国外先进轴承企业对内外圈和滚动体都有不同的硬度要求，国内很多生产汽车轴承的顶级企业对此已开始尝试，但受制于轴承通用行业标准《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》中的硬度要求范围，在轴承零件硬度设计上有局限性。同时，国内轴承热处理工艺及装备水平也是影响实现个体化和差异化设计的因素。总之，我国汽车轴承设计与国外先进企业相比，处于粗放式阶段，很多子领域没有进行专门的研究，模仿设计居多，自主设计较少，在轴承设计的技术储备上更显欠缺。
　　2、CQI-9质量标准推广
　　轴承零件热处理质量是决定轴承寿命的重要因素。目前国内主要汽车轴承生产企业，已能基本上保证零件热处理质量，但对热处理过程参数的精确控制、淬火介质使用和热处理设备保障能力等方面重视不够，致使轴承零件热处理质量稳定性与国外存在较大差距。国外先进企业已普遍实施的CQI-9质量标准，在国内只限于个别企业的选择性试用，这其中还掺杂应对国外企业审核的因素。因此，全面、自觉地贯彻和推广CQI-9质量标准，应该是国内轴承生产企业提高热处理质量，达到或超越国外先进水平的惟一出路。
　　3、节能新工艺的应用
　　目前国内大部分轴承生产企业，仍普遍采用传统的热处理淬回火工艺：820～860℃淬火、油淬和200℃以下回火。整个工艺流程约4.5～5.5h。该工艺已沿用近四五十年。随着节能环保的呼声越来越高，作为耗能大户的轴承热处理行业，也开始尝试对轴承经典热处理工艺进行研究和改善，研究核心是改变和提高淬回火温度，缩短工艺流程时间。同时尝试使用非油淬火介质，如盐浴、水溶性介质等，以扩大热处理加工范围，使热处理变形更有规律。襄轴、瓦轴和洛轴等企业在这些方面均有尝试，并取得了一定的成果。
　　另外，锻造后的正火处理，目前国内已普遍采用利用锻后余热正火的工艺，节约了大量能源，但还缺乏明确的工艺规范，能源是利用了，正火质量却很不稳定。需要有配套的专用设备，以解决质量稳定问题。
　　4、渗碳汽车轴承的重新崛起
　　轴承经渗碳后所获得的优质综合力学性能，是其他轴承材料所无法替代的，因此渗碳钢成为高端汽车轴承的首选材料。汽车轴承使用渗碳钢在20世纪80年代曾风靡一时，当时国内一些企业开始进口成套轴承热处理渗碳设备。后来随着高碳铬轴承钢冶炼质量的提高，国内汽车工业初期的喷射式发展，国内低端车型需要大量低成本的高碳铬轴承钢制轴承，渗碳汽车轴承被暂时搁置。近年来，随着国外汽车巨头在国内的大量布点，国内汽车工业整体水平的提高，渗碳汽车轴承被重新提出，渗碳汽车轴承今后会在安全系数要求很高的军车、乘用车等关键部位大量采用。汽车渗碳轴承常用材料20CrMnTi、20CrNiMoA等，渗碳温度均在900～930℃。渗碳汽车轴承的高热处理成本限制了其广泛采用。国内企业也开始尝试新型渗碳工艺，如高温渗碳，即在1000℃或1050℃进行渗碳，可大大缩短渗碳时间，降低成本。但受渗碳设备的制约，目前只停留在试用阶段，大批量推广使用还需时日。
　　另外，GCr15轴承钢渗碳工艺的开发，也为高碳铬轴承钢的使用提供了新的思路。
　　5、与标准的有效接轨
　　国内轴承热处理使用Z广泛的JB/T 1255-2000《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》标准，又要经历十年一次的换版。在2009年西安召开的轴承热处理行业会上，轴承标准归口单位——洛阳轴承研究所，已明确提出JB/T 1255-2000标准的修订要求，对网状碳化物级别、残留奥氏体数量、脱碳层深、淬回火马氏体组织视场倍数等做出修订，以接近标准。此标准修订应在今明年内完成。重新修订的JB/T 1255-2000标准，将对整个轴承行业产生巨大的影响。
　　网状碳化物超差级别2.5级后的明确，会促使轴承生产企业对轴承钢生产企业提出更严格的要求，在钢厂增加正火工序后会增加轴承钢制造成本，Z终会增加轴承制造成本。
　　脱碳层深度控制的加严，将加大保护气氛热处理设备的推广力度，对我国轴承质量的提升长期有利。目前一些小型轴承生产企业的生存将受到挑战。
　　减少残留奥氏体含量，目前Z简便的办法是在淬火后增加10℃以下的二次水冷处理。由于原来在标准中明确残留奥氏体控制量，各轴承生产企业的连续热处理设备很少有二次冷却装置，如设备布局过于紧凑，改造难度相当大。
　　标准组织图片视场由500倍改为1000倍，能提高组织判定的准确性，实施难度不大。
　　每一次标准的修订，从根本上讲都是国内主导轴承生产企业的利益体现。可以想象，此标准Z终将会对轴承行业的进一步整合起促进作用。
　　另外，汽车轴承作为轴承的重要分支，应有适合汽车工业特点的独立标准。经过汽车轴承工作者的不懈努力，这些是可以实现的。
　　三、热处理装备
　　1、淬回火设备
　　随着20世纪90年代我国民营企业对马弗式（托辊式）网带炉、铸链炉和和推杆炉等保护气氛炉型的仿制、技术消化、局部更新等。国内热处理设备生产技术迅速提高，到2000年以后，国内热处理设备生产技术已基本成熟，基本达到轴承生产需要。近年来，保护气氛设备大量普及，加上变压吸附、膜制氮技术成熟，基本形成以托辊式网带炉为主流，配合氮基保护气氛的中小型汽车轴承热处理淬回火生产模式，其主要优点为生产效率高，能耗低。对于大型汽车轴承，较多采用的是辊棒炉、多用炉和转底炉。原来的老式陈旧设备如箱式炉、盐浴炉、鼓型炉和仿苏K式空气加热炉已基本淘汰。
　　2、退火设备
　　保护气氛退火能耗低，退火后可实现少、无氧化，对提高轴承零件的材料利用率有重大的保障作用。由于目前国内精锻技术在轴承生产中很少使用，限制了保护气氛退火的推广。从长远考虑，精锻技术+保护气氛退火的节能节材工艺流程，是今后轴承退火的发展方向。
　　3、从保护气氛向可控气氛过渡
　　“少无氧化加热”具有能耗低、热处理质量稳定等特点，这点已充分被轴承生产厂家还只停留在“保护气氛”的“少氧化”加热，采用99.8%以上氮气+甲醇或只通入甲醇作为保护气氛，炉内碳势不控制，热处理后零件有少量脱碳层，基本可以满足磨削要求。但在倒角、油沟等不磨削位置仍有残留脱碳层，特别对滚动体的使用寿命还是有一定的影响。目前国外先进企业已全面推广“可控气氛”的“无氧化”加热，采用高纯氮气+丙烷，炉内碳势可控制，保证炉内气氛的碳势与加工零件含碳量基本一致，确保加工零件无
氧化。
　　4、单线计算机控制向集中计算机控制过渡
　　随着计算机技术的普及，汽车轴承热处理设备已可基本实现单条生产线的计算机控制，对热处理过程参数的精确控制有很大的保障作用。
　　在我们采用计算机控制后，生产效率与国外先进企业相比仍有较大差距，操作工人偏多，人均劳务收入低，是国内热处理企业的现状。国外上十条热处理生产线只需要几个人操作，我们要几十人甚至上百人。究其原因，是因为我们只做到单条计算机控制，未做到集中计算机控制。当然，实现热处理车间的集中控制是个庞大的系统过程，需要热前各工序的先期优化，还需要彻底解决热处理零件变形这一难题。但这毕竟是我们努力方向。