冲压滚针轴承的热处理新技术

一、冲压外圈和保持架

制造冲压外圈和保架的材料是用碳含量（wC=0.006％～0.009％）很低的、表面清洁光亮的、尺寸精度又很高的低碳钢冷轧卷板上冲压拉伸成型的，它们的厚度一般在0.63～1.5mm，这种材料的硬度在90～120HV10左右，其金相组织是较为均匀的顆粒状铁素体和极少量的三次渗碳体（游离渗碳体），这种组织很适合于做深拉孔零件，如可做冲压外圈和保持架等深孔零件。冲压外圈或保持架的成型，根据企业的设备状况，有多道分散型单工序加工的或一台多功能组合式冲压机床加工这二种工况。前者的设备一次性投资费用较低，但从落料、多次拉伸、切边等的工序来看，工艺流程和操作人员较多，零件的尺寸精度低;后者的设备一次性投资虽然较大，但是人力投入少，一个人可以在一台多功能机床上做到落料、多次拉伸及切边等工序，轻松地完成冲压外圈或保持架的全过程，其制品精度高、产量大等特点是值得推广使用的。

1.冲压外圈和保持架的热处理要求

冲压外圈和保持架的材料同上所述，材料牌号一般是DC03M、DC04M、C15Mn、16MnCr5等，冲压外圈的渗碳（碳氮共渗）层深度一般在0.08～0.33mm（测量有效硬化层深度：应从表面垂直测量到550HV处为准）渗碳淬火后的硬度840～900HV；保持架的渗碳（碳氮共渗）层深度一般在0.02～0.12mm（测量总硬化层深度：从零件表面垂直测量到与金属基体组织间的显微硬度或显微组织没有明显变化的那一层硬化层距离），渗碳淬火后的硬度410～550HV。金相组织是细针状马氏体，分散细小的碳化物以及少量的残留奥氏体。

上述二种产品的渗碳淬火基本都是选择网带炉较为合适，其中又以带循环风扇及有马弗罐的网带炉做出的产品质量为很好。因为渗碳层很薄，它的渗碳（碳氮共渗）时间很短，这即需要炉内气氛很均匀，为此需要有循环风扇来搅拌气氛，使炉内渗碳（碳氮共渗）气氛达到均匀化，保障产品质量的稳定性。然而国内有循环风扇的网带炉基本是没有马弗罐的，有马弗罐的网带炉炉炉膛尺寸既很小又没有风扇，国内外的循环风扇结构也不同，国内的循环风扇要确保产品质量持续的稳定性则有一定难度。瑞士Safed公司的带循环风扇的马弗罐网带炉已经可以做到网带宽度在1000mm左右的炉子，马弗罐的宽度达到1200mm，根据产量的大小炉子有4～6个循环风扇，它专门供应渗碳（碳氮共渗）层较薄，品质要求又很高的产品使用，冲压滚针轴承的热处理即属于此范围。

2.网带炉内的气氛控制

首先要求所有进入炉膛内的产品零件必须清洗干净并烘干。各种气源的质量必须得到保障，其中它们的纯度应该是甲醇≥99.9％，丙烷≥95％，液氮≥99.999％，对于液氮来说，其一升液氮可以气化成647L氮气，所以用液氮制造氮气是很理想的手段，它的设备维护和操作都很方便。

对于新的炉子在投产前必须按照设备厂商的要求进行缓慢的烘炉及升温，并要再一次地拧紧所有螺栓，检查所有的密封处，对于停炉后重新开炉时，新老设备都必须排除炉膛内的空气，即在落料口的下端应该有氮气入口，待炉温升到650℃时打开尾部的氮气球阀，氮气从落料口处进入炉膛内，并将炉膛内的CO2和H2O等有害气氛从炉膛内部逐渐赶走，这需要5～10h，在炉温升到780℃时通入滴注式甲醇或低温甲醇裂解气，继续升温到850℃并保温一段时间后通入丙烷和氮气，同时关闭炉尾的氮气阀门，甲醇丙烷氮气进入炉膛后的制气时间稍为长一点较好，在循环风扇的作用下可以使炉内气氛更加均匀一些。

在新炉子启用时需要对网带及炉膛进行预渗碳，有时碳势仪显示已经达到技术要求，但是火焰颜色呈现蓝色时说明炉内气氛仍然有空气存在，炉内有氧气存在会使工件表面出现花斑及脱碳，硬度降低，金相组织检测可以看到黑色组织。对于无马弗罐的炉膛来说，因为轻质耐火砖和硅酸铝耐火纤维上的小孔中的空气和水分要将它们置换出去，若是新的炉子没有烘得很干则要将炉盖板松开，留出10mm左右的高度的间隙让水气逸出去，然后盖好炉盖板拧紧螺丝即可，也可以用其他方式排除。为了减少空气进入炉膛，除了控制炉门高度以外，还必须将落料口处的油帘上下方的油烟气用抽气泵抽出，抽出量通过球阀来调整，抽出的油烟气通过汽水分离器经流量计控制再送到炉口同甲醇气汇合对炉口进行火封。

在调整炉内气氛的过程中，网带表面不能有碳黑出现，炉口火焰颜色呈现桔黄色时炉内气氛应该调整好了，此时可以正式进工件了。无马弗罐网带炉的炉膛寿命是有一定年限的，进口设备它的使用寿命在十年左右，此时设备出现工艺材料、仪器仪表、炉内气氛及运行都很正常的情况下，但是做出的渗碳（碳氮共渗）件的层深及硬度都达不到技术要求，检查炉子的泄漏点又非常困难，无奈只好提高温度、延长时间来对付，实际上炉衬已经出现裂纹，炉内气氛消耗量增多，需要重新砌筑炉膛。对于有马弗罐的网带炉来说，它的马弗罐的使用寿命在5年左右，一旦马弗罐出现裂纹很快可以查出，及时对马弗罐进行修复或更新，炉膛的使用寿命可以长达30年左右。

炉内碳势的标定可以用含碳量在0.06％厚度0.05mm的低碳钢钢箔（定碳片）来校正，校正氧探头碳势的方法一般有两种：

一种是称重法，用精度是万分之一的分析天平作为称重计量标准，将除锈、除油、清洗干净并烘干的钢箔进行称重，然后进入炉内进行工艺渗碳，钢箔在进出炉时都不能碰到脏物，钢箔出炉前需要预冷后才能出炉，钢箔在进出炉时的颜色都是银白色的，出炉后清洗烘干再次称重，然后根据公式进行计算即是炉内该氧探头位置的碳势。

另外一种是用燃烧法来测量钢箔的碳势，这种方法简单、准确、快速，它的制样方法同前，将钢箔从试样孔中取出后，放在C230碳硫分析仪中，其碳硫分析仪同天平连接在一起的，在该仪器中通入氮气和氧气，接通开关钢箔瞬时燃烧，此时产生一氧化碳和二氧化碳，在一分钟内钢箔的碳势即显示出来了。

采用滴注式网带炉的进气管，往往因为在炉顶部的保温层温度偏低而经常发生堵死现象，造成可控气氛达不到技术要求，从而影响产品质量。如果对于滴注式甲醇和丙烷等管子进行特殊的改造，它不会使进入管子的气氛经常堵塞，可以做到管子一年以上不清理,使炉内气氛保持长期的稳定。另外在油槽的上方，即落料口处的二侧边必须有∮150mm的窥视孔，便于观察及调整油幕（帘）的大小，以减少油烟气进入炉膛内，造成碳势虚高现象。在需要时定炉后可以打开二侧的窥视孔对油幕（帘）槽口进行清理，使油幕畅通。油槽内部的油循环泵、油帘泵、油冷却泵等必须保障材料优质，否则会影响淬火件的光亮色。

二、滚针

冲压滚针轴承的滚动体它需要承受较大的载荷，为此只能做成长径比相差悬殊的针形形式，因为一般的冲压滚针轴承的结构不能太大，所以滚针的直径一般≤5mm，其长度则是直径的3～10倍。

滚针的材料是GCr15或100Cr6，原始组织需要达到JB/T1255—2014高碳铬轴承钢零件热处理技术标准中的2级球化，硬度在179～207HBW，高碳铬轴承钢钢丝在高速切断机切成所需要的规格，然后装入倾斜一定角度的八角形滚桶内，桶内放入一定数量的滚针毛料和磨料及溶剂等，以一定的转速循环运转，在进行几十个小时抛光后的滚针两头则呈现出光滑的圆弧，达到了技术要求。

滚针的淬火有两种方法：对于品种规格较多而产量较低的淬火采用小型的滚筒炉，进出料方式都是从前面炉口进出，后面炉口通入可控气氛，该炉的结构简单操作方便，它的炉胆（马弗罐）为二端有锥度的八角筒形结构，在循环旋转时滚针可以自然翻滚，达到每个滚针都受热均匀，加热炉内有三支热电偶，即炉膛内一支，用于控制温度；炉胆（马弗罐）内一支指示实际温度、另外一支用于超温报警。炉内通入氮气、甲醇、丙烷对滚针进行保护加热，淬火槽内有循环搅拌泵和导流板，可以使淬入油中的滚针硬度均匀，获得淬火硬度（65～66HRC）散差小的优点。建议不用网带炉加热。对于很大批量的滚针加热淬火则要用大型滚筒炉，进料方式是后边进料和通入可控气氛，前面出料，炉子结构是用耐热钢板卷成园型筒体，筒内焊接着连续光滑的内缧旋形耐热钢板，滚针在滚筒内既可前进又可以自然翻动，做到粒粒滚针加热均匀。淬火槽内有循环导流行装置和可以定时转移的4个圆形带有许多小孔的不锈钢接料筐。其他接料方式也可以用输送带提升结构等。

三、淬火冷却介质的选择

滚针头一次淬火是在大（小）滚筒炉中加热，它的淬火方式都是滚筒在边旋转边连续出料，同时陆陆续续落入淬火油槽中，从而获得硬而均匀的硬度。其淬火油采用快速光亮淬火油，因为它的蒸气膜阶段短，高低温冷速快，热氧化安定性能好，油的带耗少易清冼，表面光洁度好，使用寿命长，可以使滚针淬火后硬度分散度小而均匀等特点。

对于组装好的整体冲压滚针轴承来说，它的淬火冷却介质应该选择饱和蒸气压、光亮性、冷却性、抗氧化性能较好、易清冼及使用寿命较长的淬火油，在气体渗碳（碳氮共渗）后的淬火过程中具有很好的淬硬性能和极少的淬火畸变，因为产品的有效壁厚较薄，所以用分级淬火油即可；分级淬火油在高温时的闪点和燃点高，高温时的冷却速度快，低温时的冷却速度慢，这样可以将冲压外圈和保持架渗碳（碳氮共渗）淬硬，又能够将高碳铬轴承钢做的滚针获得硬而均匀的硬度，还能显殊地减少畸变，达到技术要求。新油在投入使用前需要进行脱气处理，工作过程中的油平时要求配备一台高速离心机，它不损伤油品的理化性能，还可以将污物脱离出来，使淬火油能够保持长期的清洁和淬火性能的稳定，还延长淬火油的使用寿命达到十年以上。

四、整体冲压滚针轴承的热处理

整体冲压滚针轴承热处理的开始一步必须先对滚针进行加工，即将滚针在滚筒炉内进行加热淬火及回火，加热时炉内的碳势CP=1.0～1.1％，加热温度（845～870）℃±5℃，用快速光亮淬火油，油温80℃，心部淬火硬度在760+80HV，表面硬度在780+160HV，回火温度160～180℃，回火后的硬度≥810HV，金相组织是回火隐晶、细小结晶或小针状马氏体、均匀分布的细小残留碳化物和少量残留奥氏体。    

将热处理完工后的滚针进行磨、抛等机加工后用全自动高速分选机进行外形尺寸分选，然后根据技术要求，在一台可以将已经热处理过的滚针和没有经过热处理的保持架和冲压外圈，进行全自动装配并封口的机器上完成组装，成为整体冲压滚针轴承。

后将它们在放网带炉内进行渗碳（碳氮共渗）淬火，淬火冷却介质为分级淬火油，油温80℃，渗碳温度820～870℃，炉内气氛是甲醇丙烷氮气，碳势CP=0.9%～1.2％，渗碳时间根据技术要求一般在30～100min，冲压外圈的渗碳层深度0.08～0.33mm，渗碳淬火硬度840～900HV；保持架的渗碳层深度0.02～0.12mm，渗碳淬火硬度410～550HV。

对于滚针来说渗碳淬火前的金相组织是回火隐针、细小结晶或小针状马氏体、均匀分布的细小残留碳化物和少量残留奥氏体，它们在第二次渗碳淬火时，因为时间较短，对于高碳铬轴承钢来说组织不会粗大，反而能使组织更细更均匀化，并提高接触疲劳强度，此时的淬火硬度≥910HV，回火后的硬度≥810HV。