燃油喷射系统的产品中有许多重要零件都是采用轴承钢材料进行热处理光亮淬火，以获得较高的硬度，较好的耐磨性。目前我公司轴承钢零件光亮淬火常常是在VKES4/1爱协林箱式多用炉生产线中进行，由于采用了可控气氛保护下淬火，零件淬火后的表面脱碳、硬度不均、软点得到了有效的控制，提高了工件的性能。但零件的畸变往往得不到有效控制，本文阐述了轴承钢零件多用炉热处理光亮淬火时畸变的原因，针对影响因素进行了分析，并提出了减少畸变的措施。
1.淬火畸变原因分析
轴承钢零件在箱式多用炉淬火的动作流程是：零件在加热室中完成加热、保温后，由进出料机构拉至多用炉前室的淬火料台上，料台和零件向下落入淬火油槽，此时油槽中的搅拌风机开始起动，零件在油中淬火冷却后，完成淬火全过程，由加热时的奥氏体组织转变马氏体组织，如图1所示。
由于零件的应力变化较为复杂，畸变机理相当复杂。零件在加热和冷却过程中，截面受热和降温的不同步而形成温度梯度（或称温度场），产生组织应力和热应力（或称内应力场）。应力的叠加常常超过零件的屈服强度，使零件永久畸变；淬火前机加工产生的残余应力，在加热过程中应力的松弛也能导致零件的畸变；零件设计结构的复杂程度不对称、厚薄不均匀、组织不均匀等，都能引起畸变，无规律淬火畸变的产生过程如图2所示。
常见的畸变有内、外径的增大或缩小以及长度方向的伸长或缩小，也称体积畸变。另外一种畸变是椭圆（直径变动量Vdp、VDp）、翘曲（平面度、跳动）超差以及内外径收缩不一致而产生的锥度（俗称喇叭）。第一种类型可能通过对零件在淬火前后的尺寸变化规律分析，来调整或补偿淬火前的相关尺寸，使最终尺寸符合要求。如果调整合适，这类畸变不会影响最终尺寸。后一种类型比较复杂，不能通过上述方法来得以解决，只能通过热处理后的机加工补充磨削量才能解决，虽然这需要增加成本。
2.影响因素及减少畸变的措施
影响轴承钢零件可控气氛多用炉淬火畸变的原因很多，主要有：零件的结构、尺寸大小、形状、毛坯的原始状态、淬火前的机加工的状态、热处理装夹的摆放方式、加热温度和保温时间、油温、油的冷却性能、循环和搅拌等，下面就热处理相关的主要因素进行说明。
（1）零件的原始状态
零件的原始状态包括两个方面的内容：零件的退火组织的均匀性和应力状态。
轴承钢热前一般采用球化退火的工艺手段，目的就是要改善组织，提高切削性能，为最终热处理作准备。退火组织的均匀性是指锻造或其它原因会造成零件的退火组织不均匀，如碳化物颗粒大小及分布不均匀，存在片状碳化物等。在淬火过程中，这种不均匀，会造成加热后整个零件的碳含量不均匀，淬火时马氏体转变温度不一致；同时奥氏体向马氏体转变时体积膨胀量不同，宏观上造成零件的畸变，因此，在退火时就应该严格按退火规范操作，退火后的组织应得到碳化物颗粒均匀细小的组织，从而减少畸变。
残余应力状态是指零件的毛坯成型过程中，如果机加工的进刀量过大，或采用冷辗成型，则在成型后零件中就会存在着较大的残余应力，在以后的加热过程中应力的松弛导致零件的畸变。这种应力的变化是复杂的，如：毛坯件采用冲压或线切割加工的长型薄壁钢管，其弯曲变形方向就相反。所以，毛坯成型过程中，需对机加工的进刀量或冷辗成型工艺进行控制，并要固化下来，尽可能减少残余应力，也可在淬火前增加一道工序，及时去应力。
（2）淬火的加热温度和加热时间
采用提高淬火的加热温度和延长加热时间可使奥氏体化的过程中有更多的碳化物溶入到奥氏体中，增加了马氏体与奥氏体的比容差和零件的体积膨胀，从而增大了淬火时的组织应力。淬火前后组织比容变化差和残余奥氏体量的多少与钢的淬透性等因素有关。而这些组织成份很大程度上取决于淬火冷却的工艺，因此，淬火介质的合理选用也是控制比容及变形的重要一环。此外，淬火加热温度也使得淬火热应力增加。组织应力和热应力的增大必将产生大的淬火畸变。如：PW2000的柱塞将淬火温度从845℃提高至860℃淬火时，平均跳动增加0.018mm。有关资料指出：适当缩短淬火保温时间、减少装炉量可减少零件的畸变，所以，在满足硬度和金相组织的前提下，应尽可能采用较低的淬火加热温度、较短的保温时间。
（3）零件的装炉方式及装炉量
零件在奥氏体化加热时，一方面体积受热膨胀，另一方面高温下零件强度低，在自重的作用下也会发生畸变，柱塞和柱塞套的最佳装炉方式是合理设计工装，将零件分层竖直排放，零件间要留有一定间隔，均匀放竖零件，以便受热均匀，冷却均匀。同时，对工装的使用寿命要进行跟踪和评估，对变形大的工装需定期进行更换，并将工装更换周期规定相关工艺文件中。
（4）淬火介质
选择合适的淬火介质十分重要。GCr15钢零件一般采用油中淬火，近年来，出现了一系列的专用淬火介质，如快速淬火油、光亮淬火、快速光亮油、等温分级油等。理想的淬火油是较短的蒸汽膜阶段及低温区具有较低的冷却速度，以减小零件的畸变和开裂；而在中温区要求有较快的冷却速度，以避免非马氏体转变，保证淬火后的金相组织硬度不超差。
在淬火油选择上，应根据所处理零件和尺寸和形状选择合适的添加剂，改善淬火油的冷却性能，这样就可以适当降低淬火温度，减少畸变。另外，随着使用时间的延长，要定期对淬火油的冷却特性进行测定，对淬火油的老化，要定期补充新油或补充添加剂。对特殊要求的零件，甚至可以采用220℃左右温度的盐浴，进行贝氏体等温淬火的工艺。使转变在等温过程中完成，这种方式由于转变温度较高，等温时间较长，温度较为均匀，其间应力的释放较为充分，故淬火后的畸变最小。
使用新油时，应把油加热至80～100℃。同时开动循环和搅拌装置，以去除水分，避免淬火时零件开裂。对GCr15钢，可适当提高油温，可以降低温的粘度，提高中温区的冷却速度，易于得到马氏体组织，同时，可以减少畸变。
（5）淬火油槽
合理设计或改进油槽可以保证零件在油中均匀的冷却。
①油槽应具有足够的深度和容量，油容量太小时，零件冷却速度不够或冷却不均匀，都能造成零件的畸变增加。同时，油容量足够大，也有利于油温的控制，防止因为油温过高而造成油的老化。
②搅拌。生产实践表明：搅拌时，随着搅拌速度的增加，畸变也增加，具体的作用机理国内、外尚不明确，还需做进一步的研究。一般是在满足组织和硬度的前提下选择较小的搅拌速度，从而减少畸变，尤其可以减少“喇叭”类型的畸变，如：柱塞淬火时，可以先把搅拌电机关掉几秒钟，再打至合适的搅拌速度，变形就小得多。
③循环与导流。连续淬火生产时，油温升高很快，为了增加油温的冷却速度和均匀性，可采用油槽的整体循环，并加大循环速度；循环方式以抽出油槽上部的热油，进行冷却，再将冷却的油从油槽底部注入，可以进一步改善冷却均匀性。油槽底部还可以安装导流装置，加大循环，保证零件均匀冷却。从而减少零件畸变。
3.轴承钢零件淬火回火后的尺寸稳定性
一些精密零件在淬火、回火后的磨加工过程中或在磨加工后，甚至是成品的放置过程中零件的尺寸和形状仍会发生一些变化，严重时影响偶件配磨和使用。淬火、回火后零件的尺寸变化（或称为尺寸稳定性）主要是受三种不同的转变的影响：碳从马氏体晶格中析出形成ξ-碳化物、残余奥氏体分解和形成Fe3C，三种转变相互叠加。在50～120℃温度之间，由于ξ-碳化物析出，引起零件体积的缩小。一般在120℃回火后已完成这一转变过程，其对零件以后使用中的尺寸稳定性的影响可以忽略100～250℃之间，残余的奥氏体分解，转变为马氏体或贝氏体组织，将伴随着体积长大；研究表明，残余的奥氏体在较低的温度下（或在外力作用下）也可发生分解，导致零件尺寸变化。
因此，在实际使用中，对尺寸稳定性高的零件要尽可能降低残余的奥氏体的含量，可采用较高的温度回火，或增加深冷处理工序，可明显降低残余的奥氏体的含量，提高尺寸稳定性。
对采用盐浴贝氏体等温淬火的工艺的轴承钢零件，由于采用220℃左右温度的盐浴等温，残余的奥氏体转变较为充分，残余的奥氏体的含量很少，故零件的应力较少，尺寸稳定性好，变形较小。
4.结语
淬火的过程中零件的畸变受诸多因素影响，应力变化较为复杂，是一个相当复杂的问题。零件材料的原始状态、淬火工艺、装料方式、淬火介质、操作人员的素质和习惯均为对畸变产生影响。另外，目前影响畸变的许多因素的影响机理尚缺乏明确或统一的理论指导，也给解决零件的畸变带来了一定的困难。
因此，一方面，应加强理论研究，研究新的畸变影响机理，为正确解决畸变提供理论依据。另一方面，只能根据本企业的实际情况，经过多次试验，不断摸索出各种因素影响零件变形的规律，有的零件可以采用校直、整形等方法来解决这一难题。在回火后进行热校直不失为一种很好的整形方法。但对于变形没有规律且无法校直的小零件，有条件的可以采用贝氏体等温淬火工艺解决，或者只能增加加工余量，热处理后再进行补充加工。
作者：顾勇
单位：无锡威孚高科技集团股份有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
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