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　　隨著主機的高速化、輕量化，軸承的工作條件更加苛刻，對軸承的性能要求越來越高，如更小的體積、更輕的質量、更大的承載容量、更高的壽命和可靠性等。其中，國產軸承的壽命和可靠性成為近年來越來越突出的問題，開發熱處理新技術、提高熱處理質量一直是國內外軸承生產企業及相關企事業單位關注的課題。本文對近年來來年熱處理技術的進展進行綜述，以期對我國的軸承行業相關人員有所借鑒。

1. 高碳鉻軸承鋼的退火

　　高碳鉻軸承鋼的理想退火組織是鐵素體基體上分布著細、小、勻、圓的碳化物顆粒的組織，為以后的冷加工及最終的淬回火作組織準備。目前，除少數企業使用周期式設備外，普遍使用的是無保護氣氛的單通道推桿式等溫退火爐。退火的組織和硬度控制已比較成熟可靠，可較容易地把退火組織控制在JB1255標準中的2～3級或細點組織。存在的問題是能耗偏高、退火后氧化脫碳嚴重。近年來，從節能的角度出發，開發了油電復合加熱等溫退火爐、雙室首尾并置（水平或上下）的等溫退火爐，節能效果顯著，應大力推廣；同時，隨著毛坯精密成形工藝和設備的出現，開始采用氮基保護氣氛等溫退火爐，以減少退火過程中的氧化脫碳，降低原材料的消耗和機加工成本。

2. 高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火

　　常規的高碳鉻軸承鋼馬氏體淬回火工藝的發展主要分3個方面：一是開展淬回火工藝參數對組織和性能影響的基礎性研究，如淬回火過程中的組織轉變、殘余奧氏體的分解、淬回火后的韌性與疲勞性能等；二是淬回火的工藝性能的研究，如淬火條件對尺寸和變形的影響、尺寸穩定性等；三是取締氧化或保護氣氛加熱，推廣可控氣氛加熱。

2.1 組織與性能

　　常規馬氏體淬火后的組織為馬氏體、殘余奧氏體和未溶（殘留）碳化物組成。軸承鋼淬火后馬氏體基體含碳量為0.55%左右，組織形態一般為板條和片狀馬氏體的混合組織，或稱介于二者之間的中間形態—棗核狀馬氏體，軸承行業上所謂的隱晶馬氏體、結晶馬氏體；其亞結構主要為位錯纏結以及少量的孿晶。隨淬火溫度升高或保溫時間延長，組織形態逐步由隱晶→結晶→細小針狀過度。一般淬火后的正常組織為隱晶+結晶+細小針狀馬氏體的混合物。一旦出現大量明顯的針狀馬氏體，則組織為不合格組織，應設法避免。

　　關于淬回火對性能的影響，國內外也進行了大量研究。洛陽軸承研究所在20世紀80年代開展了“GCr15鋼熱處理工藝的研究”。研究結果表明：淬火加熱為835~865℃、回火為150~180℃時，能獲得較好的綜力學性能和接觸疲勞壽命，845℃淬火時，壓碎載荷最高，疲勞壽命最長；隨回火溫度升高和保溫時間的延長，硬度下降，強度和韌性提高。對有特殊要求的零件或采用較高溫度回火以提高軸承的使用溫度，或在淬火與回火之間進行-50~-78℃的冷處理以提高軸承的尺寸穩定性，或進行馬氏體分級淬火以穩定殘余奧氏體獲得高的尺寸穩定性和較高的韌性。軸承鋼淬火加熱后在250℃進行短時分級等溫空冷，接著進行180℃回火，或在馬氏體轉變溫度等溫（馬氏體等溫淬火），可使淬后的馬氏體中碳濃度分布更為均勻，增加穩定的殘余奧氏體量，沖擊韌性比常規淬回火提高一倍。

　　目前，國外的軸承普遍采用所謂的個性化設計，即供應軸承前對軸承的工況條件進行調查，針對工況開展針對性設計，對熱處理質量也提出針對性的要求，已使軸承壽命最長。國內對軸承零件的熱處理要求統一按JB1255控制，相對較為粗獷，非個性化。應針對軸承工況細化要求，并注意內外圈與滾動體的硬度匹配。

2.2 常規馬氏體淬火的發展動向

　　目前，軸承零件的常規馬氏體淬火多采用鑄鏈爐、網帶爐等連續淬火設備，淬火后的組織、硬度等指標很容易控制在所期望的范圍內。對此類淬火工藝，今后的發展方向有以下兩方面：

2.3.1 淬火變形的控制

　　淬火加熱設備基本采用了保護氣氛或可控氣氛，可以保證不脫碳，或根據需要進行復碳或滲碳，從而可以大大壓縮熱處理后的加工余量。但加工余量的可壓縮程度往往又受到淬火變形的制約。目前，淬火變形（尤其是畸變）成為控制加工余量的主要因素；且對密封防塵軸承的套圈，淬火畸變將影響防塵蓋的壓入，進而影響密封性能。因此，減小淬火畸變或實現零畸變將是常規馬氏體淬火需要解決的主要問題。因影響淬火畸變的因素繁多，變形的機理較為復雜，所以，每個生產廠家應根據自身的設備和產品特點等多方面的因素，從生產實踐中探索出一些控制畸變的、行之有效的措施，如控制工件的擺放、入油方式、淬火油及油溫、攪拌等，實現少、無畸變淬火。

2.3.2 殘余應力及殘余奧氏體的控制和評定

　　我國目前的熱檢標準中，對殘余應力和殘余奧氏體沒有評定指標限制。大量的研究表明：殘余應力影響零件的接觸疲勞性能、韌性和磨削裂紋，適當的殘余壓應力可以提高接觸疲勞壽命、防止磨削及安裝裂紋的產生；殘余奧氏體降低尺寸穩定性，其影響程度與殘余奧氏體本身的穩定性、數量和存在部位有關。但適量的殘余奧氏體可以提高斷裂韌性和接觸疲勞性能。多家國外的著名軸承公司已把殘余應力和殘余奧氏體列入熱處理控制指標。因此，進一步開展殘余應力和殘余奧氏體對熱處理后性能的影響及其機理的研究、開展淬回火工藝對殘余應力和殘余奧氏體影響的研究，進而根據軸承的工況提出殘余應力和殘余奧氏體的控制指標等等，將是我國軸承行業熱處理研究的主要方向之一。

3. 貝氏體等溫淬火

　　貝氏體等溫淬火是近年來國內軸承行業研究的熱點。自20世紀80年代開始，洛陽軸承研究所與重慶軸承廠合作，開始了貝氏體等溫淬火在鐵路軸承上的應用研究，隨后與沙河軋機軸承廠開展了貝氏體等溫淬火在軋機軸承上的應用研究，均取得了良好的效果，并在JB1255-1991中引入貝氏體等溫淬火相關的推薦性技術要求。同時，軸承行業也開始了貝氏體等溫淬火的推廣應用研究。借助于國家“八五”重點企業技術開發項目“鐵路客車軸承”，有關單位對貝氏體等溫淬火的組織與性能進行了較為系統的研究，并成功地應用于準高速鐵路軸承的生產中。2001年在修訂JB1255時，正式將貝氏體等溫淬火的技術內容列入標準正式條文。貝氏體淬火工藝在軋機、機車、鐵客等軸承上得到較為廣泛的推廣應用。

　　貝氏體組織的突出特點是沖擊韌性、斷裂韌性、耐磨性、尺寸穩定性好，表面殘余應力為壓應力。因此適用于裝配過盈量大、服役條件差的軸承，如承受大沖擊負荷的鐵路、軋機、起重機等軸承，潤滑條件不良的礦山運輸機械或礦山裝卸系統、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼BL等溫淬火工藝已在鐵路、軋機軸承上得到成功應用，取得了較好效果。

　　在鐵路、軋機軸承生產中，由于套圈尺寸大、重量重，油淬火時馬氏體組織脆性大，為使淬火后獲得高硬度常采取強冷卻措施，結果導致淬火微裂紋；由于馬氏體淬火后表面為拉應力，在磨加工時磨削應力的疊加使整體應力水平提高，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。而貝氏體淬火時，由于貝氏體組織比M組織韌性好得多，同時表面形成高達-400～-500MPa的壓應力，極大地減小了淬火裂紋傾向[16]；在磨加工時表面壓應力抵消了部分磨削應力，使整體應力水平下降，大大減少了磨削裂紋。

　　SKF公司把高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝主要應用于鐵路軸承、軋機軸承以及在特殊工況下使用的軸承，同時開發了適合于貝氏體淬火的鋼種（SKF24、SKF25、100Mo7）。其淬火時采用較長的等溫時間，淬后得到全下貝氏體組織。近來，SKF又研制出一種新鋼種775V，并通過特殊的等溫淬火得到更均勻的下貝氏體，淬后硬度增加的同時其韌性比常規等溫淬火提高60%，耐磨性提高了3倍，處理的套圈壁厚超過100mm。

　　部分等溫后得到馬氏體/貝氏體復合組織的性能尚有爭議，如BL的含量多少為最佳等。即使有一最佳含量，在生產實際中如何控制，且復合組織在等溫后還需進行一次附加回火，增加了生產成本。另外，就貝氏體等溫淬火而言，雖然對其工藝、組織、性能進行了較為系統的研究，但在大力推廣此工藝的同時，應注意該工藝的限制，并非所有的軸承零件均適合貝氏體等溫淬火。還應開展貝氏體等溫淬火用鋼的開發，進一步提高貝氏體等溫淬火后的性能；開展取代硝鹽等溫的熱處理設備的研制，減少環境污染等等。

4. 特殊熱處理

　　高碳鉻軸承鋼一般是整體淬硬，淬后的殘余應力為表面拉應力狀態，易造成淬火裂紋、降低軸承的使用性能。一類特殊熱處理是通過對高碳鉻軸承鋼進行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點，在淬火過程中表面后發生轉變而形成表面壓應力，提高耐磨性及滾動接觸疲勞性能[17，18]。另一方面，通過一定的方法使熱處理后的軸承零件中保留一定量穩定的殘余奧氏體，利用易變形的殘余奧氏體降低壓痕的邊緣效應，使起源于壓痕邊沿的表面疲勞源不易形成和擴展，從而提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命。一般，在淬火加熱時，通過控制氣氛的碳（氮）勢，可達到以上目的。NSK的NSJ2鋼[19]及KOYO的SH技術[20]正是基于這一理論開發的。

　　另一類特殊熱處理方法是采用基體碳含量較高（0.4%）的高韌性滲碳鋼并配合特殊的滲碳或碳氮共滲熱處理。首先，對滲碳鋼的成分進行調整：在保證韌性的前提下提高基體碳含量以提高基體強度，同時提高Si、Mn含量以提高殘余奧氏體的穩定性，加入Mo以細化碳化物、碳氮化物。其次是嚴格控制滲碳或碳氮共滲工藝，使零件處理后在其表面得到較多的殘余奧氏體（約30%~35%）和大量細小的碳化物、碳氮化物。一方面，大量細小的碳化物、碳氮化物可保證表面的硬度和耐磨性使壓痕不易形成；另一方面，即使形成壓痕，較多的穩定殘余奧氏體也可降低其邊緣效應，阻止疲勞源的形成和擴展。基于這一理論，NSK、KOYO分別開發了TF系列技術（HTF、STF、NTF）和KE技術，大大提高了軸承在污染潤滑條件下的壽命。如NSK采用HTF技術生產的圓錐滾子軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命為普通軸承的10倍[21]。NSK等公司在多種新開發的軸承產品中使用了特殊熱處理技術。

　　近年來，洛陽軸承研究所與有關單位合作，開展了高碳鉻軸承鋼的特殊熱處理工藝研究，同時還獨家開展了中碳合金鋼特殊熱處理工藝的研究。初步的研究結果表明：通過特殊熱處理可以顯著通過接觸疲勞壽命。這一工藝將在軸承行業具有重大的推廣價值，并將成為我國軸承行業研究和應用的熱點技術。

5. 表面改性技術

5.1 離子注入

　　美國海軍實驗室從1979年起進行了軸承零件離子注入的研究，英國、丹麥和葡萄牙等國從1989年開始進行與美國海軍實驗室類似的工作。結果表明：注入鉻離子能顯著提高M50鋼的抗腐蝕性能，而且抗接觸疲勞性能也有所提高；此外還用注人硼離子來提高儀表軸承的抗磨損能力；對軸承鋼52100進行氮等離子源離子注入（PSⅡ）后在表面形成薄層氮化物，可提高軸承鋼的耐蝕性，用于代替昂貴的不銹鋼；對SUS440C不銹鋼球軸承進行氮、硼離子注入可減小球軸承微小擺動的微振磨損及軸承的灰塵排放，另外，對不銹鋼進行（Ti+N）或（Ta+N）等離子體浸沒離子注入（PSⅢ）可顯著提高其顯微硬度、耐磨性和壽命。

　　我國軸承行業從20世紀80年代開始離子注入在軸承上的應用研究，并成功應用于航空、航天領域，取得了良好的效果。

5.2 表面涂覆

　　表面涂覆技術包括：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（Plasma spraying coating, PSC）、化學鍍等。PVD與CVD相比，其工藝過程中被處理工件的溫生低，鍍后不需再進行熱處理，在軸承零件的表面處理中得到較廣泛的應用。100Cr6、440C等鋼制軸承零件經PVD、CVD或RF鍍TiC、TiN、TiAlN硬膜或MoS2類軟膜等后，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，降低表面摩擦系數。

　　SKF公司近年來開發了兩種涂鍍技術：一是采用PVD在軸承套圈及滾動體表面鍍硬度極高的金剛石結構的碳（Diamond-Like Carbon, DLC），表面硬度比淬硬軸承鋼高40%~80%、摩擦系數類似于PTFE或MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結合良好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正常工作，被稱為“No Wear bearing”； 二是采用PSC在軸承的外圈外圓面噴涂一層100μm厚的氧化鋁，使軸承的絕緣能力高達1000V以上，通過增加氧化鋁的厚度使軸承具有更高絕緣能力。涂鍍的氧化鋁與基體結合牢固，還可提高軸承的耐蝕性，鍍后的軸承（INSOCOATTM bearing）可像一般軸承一樣進行安裝。