热处理专科毕业设计GCr15轴承钢球的热处理工艺及缺陷分析.docx

GCr15轴承钢球的热处理工艺及缺陷分析
摘要：本论文重点对GCr15轴承钢球热处理工艺的设计进行了讨论，同时对热处理后其可能存在的热处理工艺缺陷进行了分析。钢球在不同热处理工艺下虽然都能达到其使用要求，但所需的成本却大不相同，因此在满足其使用要求的同时也应该注意生产成本。热处理常常因操作、原材料等产生缺陷，但只要有正确的热处理工艺并严格按工艺进行加工热处理缺陷也是可以避免的，即使产生了缺陷也可以采取相应的措施及时修复缺陷。
关键词：GCr15 轴承钢球 热处理设计 热处理工艺 热处理缺陷

引言
滚动轴承是机械工业十分重要的基础标准件之一;
滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷，与滑动轴承相比:滚动轴承具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、安装与维护简便等优点。缺点是耐冲击性能较差、高速重载时寿命低、噪声和振动较大。
图 1 轴承及钢球实物图
滚动轴承的基本结构（图 1）：内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。
常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子。轴承的内、外圈和滚动体，一般是用轴承钢（如GCr15、GCr15SiMn）制造，热处理后硬度应达到61～65HRC。
当滚动体是圆柱或滚针时，有时为了减小轴承的径向尺寸，可省去内圈、外圈或保持架，这时的轴颈或轴承座要起到内圈或外圈的作用。为满足使用中的某些需要，有些轴承附加有特殊结构或元件，如外圈带止动环、附加防尘盖等。
滚动轴承钢球的工作条件极为复杂，承受着各类高的交变应力。在每一瞬间，只有位于轴承水平面直径以下的那几个钢球在承受载荷，而且作用在这些钢球的载荷分布也不均匀。力的变化由零增加到最大，再由最大减小到零，周而往复得增大和减小。在运转过程中，钢球除受到外加载荷外，还受到由于离心力所引起的载荷，这个载荷随轴承转速的提高而增加。滚动体与套圈及保持架之间还有相对滑动，产生相对摩擦。滚动体和套圈的工作面还受到含有水分或杂质的润滑油的化学侵蚀。在某些情况下，轴承零件还承受着高温低温和高腐蚀介质的影响。
1、GCr15轴承钢球的组织与性能特点分析
1.1 GCr15轴承钢球的组织要求
轴承钢球的接触疲劳寿命对钢的组织和性质的不均匀性特别敏感。因此，对使用状态下的组织和原始组织提出了一系列要求。轴承钢在使用状态下的组织应是回火马氏体基本上均匀分布有细粒的碳化物，这样的组织能赋予轴承钢所需要的性能。对原始组织的要求主要有两个方面：一是纯净，指钢中杂质元素和夹杂物含量要少；二是组织均匀，指钢中非金属夹杂物和碳化物应当细小分散和分布均匀。所以钢的纯净度和组织均匀度是衡量轴承钢冶金质量的两个重要指标。
1.2 GCr15轴承钢球的化学成分及影响
GCr15轴承钢是一种合金含量较少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火加回火后具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。该钢冷加工塑性中等，切削性能一般，焊接性能差，对形成白点敏感性能大，有回火脆性。其中的化学成分主要是碳（0.95-1.05％）、铬（1.40-1.65％）、硅（0.15-0.35％）、锰（0.20-0.4％）、磷（≤0.027％）、硫（≤0.020％）、镍（≤0.30％）、钼（≤0.10％）等。
a、碳的影响
除了渗碳钢外，一般轴承钢的含碳量在0.95—1.05%，属于过共析成分。这样在淬火和低温回火后能得到高的硬度、高的接触疲劳强度和耐磨性。为了形成足够的碳化物以增加耐磨性，含碳量不能太低，但是过高的含碳量会增加碳化物的不均匀性并且会形成网状碳化物使力学性能降低。
b、合金元素的影响
铬是轴承钢的主要化学成分，铬能够提高淬透性，减少过热倾向，提高低温回火稳定性。硅、锰在轴承钢中主要提高淬透性。镍在渗碳轴承钢中能使钢的韧性和塑性有所提高，镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。钼在钢中能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加在某些介质中的抗蚀性。钒在轴承钢中提高强度和屈服比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时脱碳敏感性，从而提高了表面质量，无铬含钒的轴承钢，碳化物弥散度高，使用性能良好。
1.3 GCr15轴承钢球所具有的性能要求
GCr15大量用于制造汽车、拖拉机等所使用的轴承钢球以及机床使用的主轴轴承钢球和铁路车辆、矿山机械、电机轴承、通用机械用轴承钢球。其中滚动体材料必须具有的特性：接触疲劳强度高；硬度高；纯洁度高；耐磨性好；组织稳定性好；机械加工性能好。因此滚动体的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。常用的轴承材料，一般用强度高、耐磨性好的铬锰高碳钢制造。
根据这样的工作条件，对材料要求如下：
①有较高的弹性极限和疲劳强度。能耐微塑性变形；
②材料致密，非金属夹杂少，显微组织均匀；
③通过热处理能得到很高的硬度，而且硬度均匀，无软点，在长时期保持硬度稳定不变，淬透性要好，或能淬硬至必要深度，同时要求通过机械加工能够得到很高的表面光洁度，以保证有很好的耐磨性和较低的摩擦系数；
④有较好的耐腐蚀性和化学稳定性；
⑤在制成的成品应有很好的尺寸稳定性，能在较长的工作或库存以后，保持尺寸与几何精度在合格的范围内；
当然，还要求加工的工艺性要好。以上为轴承钢球对材料的要求，而对于特殊工况下的轴承钢球，除满足上述一般要求外，根据其对耐高温、抗腐蚀、无磁性、超低温、高精度、特长寿命的特殊要求，应该选用相应的特殊轴承钢球材料。

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2、轴承钢球的失效
在机、电、工业中，轴承是应用最为广泛的基础件之一，尤其是滚动轴承。无论是普通的机械设备、运输工具还是航空、航海、航天，凡是有转动的地方，就有轴承钢球在工作。显然，确保轴承钢球在各种环境条件下都能正常工作，是十分重要的。轴承钢球在工作中丧失其规定功能，从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承钢球失效的原因往往是多因素的，但在一般情况下，大体上可以从外来因素和内在因素。
外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。安装条件是使用因素中的首要因素之一，轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化，轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。轴承在使用时发现异常应立即查找原因，进行调整，使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。这些都是导致轴承钢球失效的主要外在因素。
内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量等决定轴承质量的三大因素。也可称之为制造质量因素。结构设计不合理当然不可能有合理的轴承钢球的寿命;只有结构设计同时具有合理性和先进性，才会有较长的轴承寿命。轴承钢球的制造要经过钢材冶炼、锻造、冲压、热处理、车削、磨削和装配等多种加工工序。最直接影响成品轴承钢球质量的是热处理和磨削加工工艺。随着冶金技术的提高，原材料质量得到较大的改善，在轴承钢球失效分析中所占的比重已经明显下降，但至今它仍然是轴承钢球失效的主要影响因素之一。另外，选材是否得当仍然是轴承钢球失效必须考虑的因素。
轴承失效的形式与负荷大小有关，转速高低等工作条件以及轴承的精度有关。
主要失效形式：a、接触疲劳（疲劳磨损）失效；b、沾附和磨粒磨损失效
;c、断裂失效；d、塑形变形失效；e、腐蚀和腐蚀磨损;f、失效游隙变化失效
为了防止轴承零件和成品在加工、存放和使用过程中被腐蚀生锈，要求轴承钢应具有良好的防锈性能。
大多失效原因是由于装配有毛病，密封不良而造成损坏的。为使轴承能够正常运转，避免零件表面直接接触，减少轴承内部的磨擦及磨损。提高轴承性能，延长轴承的使用性能，必须对轴承进行润滑

3、GCr15轴承钢球一般加工路线
球坯成型（冷镦成型）→锉削（光球）→软磨→热处理（球化退火+淬火+低温回火）→硬磨→细研→精研→（或抛光）→超精研
冷镦工序的主要是为了冲压出合格的球坯，同时可使钢材在冷镦过程中成分更加均匀，有效减少缺陷（夹杂、偏析等不良组织）含量，使工件组织缺陷的影响减小到最小，为后续工序做好形状上和组织上的准备。
锉削（光球）工序设计为了去除球坯的环带和两极，纠正镦压偏差，统一钢球直径公差。
软磨工序是为了去除锉削加工后遗留下的锉齿齿痕，锉削疲劳及材料的脱碳层，以提高热处理前的钢球精度，使工件外形更接近所需尺寸，为以后工序留好加工余量，以防后续加工出现尺寸偏差无法补救。
热处理工序是为了使钢球形成合适的内部组织，具有一定硬度，以保证它具有一定的强度和耐磨性能等。
钢球一般热处理工艺顺序：
预备热处理（球化退火）→最终热处理（淬火+低温回火）
硬磨工序是为了纠正软磨工序的球形误差以及清除热处理时的尺寸变形、脱碳层、氧化皮和表皮组织缺陷使工件的尺寸符合工件所需尺寸，达到技术要求，同时通过硬磨在表层形成加工硬化层，进一步提高工件的力学性能。
细研工序是为了使硬磨后的钢球满足所需求的精度要求，减小钢球表面粗糙度，为以后工序的研磨打下良好的基础。
抛光通常在表面处理后进行，其目的是去除金属表面细微划痕，降低工件的表面粗糙度值，使工件获得装饰性外观，同时也使工件在使用过程中减小摩擦阻力，尤其是球体类零件，可以先主增强其使用寿命。
精研和超精研工序进一步改善钢球的球形误差和减小表面粗糙度，提高表面质量，达到标准。

4、GCr15轴承钢球热处理工艺设计与分析
4.1 预先热处理工艺设计
预先热处理是球化退火，因此只要讨论球化退火工艺设计。
球化目的：使钢球中碳化物球化，并均匀化学成分，达到改善机械加工性能，消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。球化退火后获得细球状珠光体，硬度低，易于切削加工，表面光洁度较高。球化退火后的细球状珠光体可改善钢热处理后的最终力学性能。
球化退火方法：将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化，然后缓慢冷下来，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。
4.1.1 球化退火设计方案一
（1） 球化退火方案一工艺及设备
将钢球加热到780-810℃，保温2-6h后，随炉冷至600℃取出空冷，退火方案一曲线图见图 2。
设备选择：RX3-15-9箱式炉（如图 3）
时间
空冷
温度
780-810℃
炉冷
2-6h

图 2 球化退火方案一曲线图

图 3 RX3-15-9箱式炉

（2） 球化退火方案一分析：
①退火温度
GCr15轴承钢的热处理加热范围为780-810℃，而790℃被认为是最合适的温度，在此温度加热，部分碳化物溶解，细链状碳化物也可以消除。细小未融的碳化物较多，所形成的奥氏体成分不均匀，于是在冷却时，为融碳化物变成核心，渗碳体在晶界区和晶粒内碳浓度较高的区域以球状析出，形成球化组织。如果加热温度过高，奥氏体成分均匀，片状珠光体溶解量过少，冷却时的结晶核心减少，形成的珠光体将呈片状。如果温度过低，片状珠光体溶解不充分，奥氏体成分不均匀，则冷却过程中，碳化物沿原片状层析出或呈细小的链状。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。
普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到600℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷却至600℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
退火温度为780-810℃时，退火硬度最低，温度过高或过低均使硬度升高
②保温时间
从完成组织转变的过程来看，具有正常锻造组织的GCr15轴承钢球在780℃时，珠光体向奥氏体转变在5-10min内可完成。适当延长保温时间，可降低网状渗碳体的级别如果保温30-40min，可使＜3.5级的网状碳化物基本球化。因此退火保温时间实际上一个小时就够了。但对于大批量生产来说，由于炉内温度不易均匀，通常需要保温2-6h，这视工件大小、装炉量、装炉方式及原始组织不均匀而定。
③退火冷却
球化退火冷却速度决定了碳化物的分散度。冷却速度大时，珠光体转变的形核率增加，会形成大量极细密的碳化物，硬度较高，冷却速度低，则形成颗粒较大的碳化物，硬度较低。实际生产中速度控制在10-30℃/h范围内，冷却到600℃以下时，可以出炉空冷，一般随炉冷却即可达要求。
4.1.2 球化退火设计方案二
（1） 球化退火方案二工艺及设备
将钢球加热到780℃-800℃，保温4-6h，随炉冷至710-730℃保温3-5h，随炉冷至650℃后取出空冷。退火方案二曲线图见图 4。
3-5h
780-800℃
710-730℃
4-6h

温度
炉冷
空冷
时间
设备：RX3-15-9箱式炉

图 4 球化退火方案二曲线图
（2） 球化退火方案二分析：
①退火温度
GCrl5钢加热温度超过Ac1时，珠光体开始向奥氏体转变。温度越高，奥氏体化后钢的组织越趋于均匀。未溶的碳化物越少，这对珠光体的球化是不利的奥氏体化条件与等温温度对硬度的影响，结果表明在临界区对钢加热，一旦加热温度升高，则钢的淬火硬度明显增高。这说明发生了奥氏体的富碳过程，即碳化物溶解过多，这样会导致球化困难。同时还指出，在高的温度奥氏体化下，若保温时间延长。同样会使球化困难，而且影响十分明显。这样看来，退火加热温度是一个关键。为此根据GCr15钢的Ac1将循环曲线的加热温度制定为790℃。
②保温时间
等温温度即珠光体转变温度对球化过程的影响规律，发现若将等温温度降低，即使在奥氏体中有大量的未溶碳化物，也将导致大量的片状珠光体形成。因而让珠光体在比较高的温度下长时间保温对球化组织的形成很重要。一般第一次保温时间为4-6h，而第二次保温时间可以相对的缩短一般3-5h左右就可达到所需的要求。
③冷却介质
钢球经空冷所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂小。
4.1.3 球化退火方案比较及选用
（1） 球化退火热处理方案确定
热处理工艺相差不大，两种热处理方案都能达到钢球的所需性能要求，但加工工艺经济性差距比较大 方案一 比 方案二 热处理工序少，成本相比就低。方案一适合一般轴承钢球使用。方案二思路可能适合精密钢球生产制造。
因此选择球化退火设计方案一，作为预先热处理工艺，即球化退火工艺。
（2） 球化退火后质量检验项目
①显微组织（如图 5） 细球状珠光体，根据第一级别球对比球化组织进行评级，2-4级为合格

图 5 球化退火后组织图
②硬度 GCr15轴承钢球为61HRC
③碳化层 按第三级别图评定，＜2.5级为合格
④脱碳层深度 不得超过车削加工余量的2/3

4.2 最终热处理设计
最终热处理是淬火+低温回火，低温回火工艺一样，主要讨论淬火工艺设计。
（1） 淬火目的及方法
淬火目的：把工件加热到奥氏体化后，以适当的方式冷却（通常是快冷）获得马氏体和贝氏体组织。再经回火使钢材获得需要的使用性能，以充分发挥材料的潜力。
淬火方法：奥氏体被冷至低温区域下发生相变，由于相变温度低，原子扩散极困难。相变只发生点阵畸变型位移和切变（铁原子只做短程位移）而不发生碳原子的扩散，因此，马氏体是碳在γ—Fe中的过饱和固溶体，形成以碳原子为中心的应力场。该应力场会阻碍位错运动，也可以理解为碳原子对位错的钉扎作用，从而使马氏体硬度和强度提高。
（2） 回火目的及方法
回火目的：GCr15轴承钢球淬火后处于高应力状态，冲击韧度、疲劳强度等性能都很低。淬火组织中马氏体和参与奥氏体是不稳定相，影响组织和尺寸的稳定性。因此，GCr15轴承钢球淬火后要及时回火，以消除淬火应力，提高组织和尺寸的稳定性，并提高综合力学性能。GCr15轴承钢球回火后的组织为隐晶或细小结晶状马氏体和细小残余碳化物和少量残余奥氏体，硬度为61—65HRC
回火方法：将淬火成马氏体的钢加热到临界点A1以下某个温度，保温适当时间，再冷到室温的一种热处理工艺。当钢球全淬成马氏体再加热到150℃-180℃回火时，随着回火温度升高，按其内部组织结构变化，分四个阶段进行：a、马氏体的分解；b、残余奥氏体的转变；c、碳化物的转变；d、相状态的变化及碳化物的聚集长大．
当钢中含有较多的碳化物形成元素时，在回火第四阶段温度区(约为500-550℃)形成合金渗碳体或者特殊碳化物。这些碳化物的析出，将使硬度再次提高，称为二次硬化形象。
4.2.1 淬火设计方案一
（1） 淬火方案一工艺及设备
将钢球加热到830-850℃，加热前可先预热到530-550℃以减少经济成本，再按1.2-1.5min/mm的速率保温，一般保温时间为10-15min，然后在30-80℃的10号、20号机油中冷却。淬火方案一曲线图见图 6。
设备选择：小型推杆式电炉（如图 7）
530-550℃
830-850℃
10-15
min
10-15min
油冷
温度
时间

图 6 淬火方案一曲线图
图 7 小型推杆式电炉
（2） 淬火方案一分析：
①淬火温度
GCr15轴承钢球的淬火温度范围为830—850℃，在840℃加热淬火，能得到最高的硬度，弯曲疲劳强度和冲击韧度，如淬火温度太高，奥氏体晶粒粗大，残余奥氏体增多,未溶碳化物过少。如淬火温度过低,由于奥氏体中的合金元素浓度低,造成淬火组织中出现屈氏体组织,同时马氏体中含碳量偏低,未溶解碳化物数量过多,淬火温度过高过低都会使零件强度和疲劳寿命降低。
可在淬火加热前的加预热，其目的主要是，缩短淬火加热时间、减少变形开裂、同时也可减少过热和脱碳的倾向，本工艺采用箱式电炉预热，温度在530—550℃左右保温10-15分钟。
②保温时间
GCr15轴承钢球在炉中的保温时间可按钢球的直径计算。对大GCr15轴承钢球为1.2-1.5min/mm。小钢球则装在篮筐中加热，其保温时间可按篮筐的直径来计算，为17-20s/mm。
③淬火冷却
由于GCr15轴承钢球含有合金元素较多，阻碍了成分的均匀化，也为了防止GCr15轴承钢球变形并且还要有一定的韧性和抗疲劳强度，所以用油冷，油温控制在20-60℃。
4.2.2 淬火设计方案二
（1） 淬火方案二工艺及设备
将钢球加热到830-850℃，保温3-5h，冷却到230-250℃进行等温，放入KNO3+50％NaNO3溶液中等温，等温时间为3-5h，取出清洗，空冷。淬火方案二曲线图见图 8.
设备：等温淬火炉（如图 9）
830-850℃
3-5h
3-5h
230-250℃
时间
空冷
温度

图 8 淬火方案二曲线图
图 9 等温淬火炉
（2） 淬火设计方案二分析：
①淬火温度
淬火温度为840℃时，冲击韧性达到顶峰，超过840℃，冲击韧性将急剧下降。同时，加热温度过高将引起工件表面脱碳、淬火变形大和等温时间延长等缺点，因此，加热温度不宜超过850℃。根据所处理的零件尺寸不同，推荐加热温度为830-850℃。
随等温温度升高，硬度及耐磨性下降，冲击韧性升高。关于等温温度对接触疲劳性能的影响，各研究结论不一。本研究结果表明，随等温温度升高，接触疲劳寿命提高；有研究表明，随等温温度升高，接触疲劳寿命下降，这可能与试验条件有关，尚需进一步研究。综合而言，要获得高韧性，则应适当提高等温温度；对性能要求以高硬度和耐磨性为主时，应适当降低等温温度。另外，在获得相同数量下的前提下，适当提高等温温度可缩短等温时问。获得较好综合力学性能的等温温度为230-250℃。
②保温时间
众所周知，在相同加热条件及等温湿度下，随等温时间延长，等温淬火后得到的贝氏体增多，硬度降低。但等温时间对其他性能的影响尚缺乏系统研究，有研究表明，贝氏体组织可得到最佳的韧性、接触疲劳性能；随等温时间延长，韧性升高，耐磨性及接触疲劳性能下降。从生产现场角度上来看，要获得合适比例的贝氏体下，其等温时间较难控制。
③冷却介质
由于等温时温度较低在正常情况下空冷可达到钢球的性能要求，因此在钢球采用等温淬火时一般可采用空冷的方式，也可采用油冷。
4.2.3 淬火方案比较及选用
（1） 淬火方案确定
从性能上来看两种热处理方案都能达到钢球的性能要求，但方案二采用等温淬火加工时花费的成本要比方案一大，且方案二操作比较复杂。因此一般钢球的淬火工艺可用方案一，方案二的淬火工艺思路可能适合精密钢球的热处理。
因此在此选用淬火方案一，作为一般钢球淬火加工工艺。
（2） 淬火后检查项目
①外观 淬火后GCr15轴承钢球表面无裂纹、伤痕、软点等。
②硬度 GCr15轴承钢球淬火后应符合技术要求＞63HRC。
③显微组织（如图 10） 轴承钢球淬火后组织为隐晶或细小结晶状马氏体和细小残余碳化物和少量残余奥氏体所组成。不允许有过热针状马氏体或托氏体组织超过规定。淬火后残留粗大碳化物颗粒直径＜4.2um

图 10 淬火未回火组织图
④断口 钢球淬火断口具有细小晶粒闪烁光泽的断口，不允许有欠热，过热以及其他形式的断口存在。
4.2.4 低温回火工艺
由于低温回火工艺比较简单，操作简单，在此只设计一种一般的低温回火工艺，且工艺以上两种淬火工艺都可采用此工艺回火。
（1）低温回火工艺及设备
GCr15轴承钢球的回火是将钢球加热到150-180℃，保温3-6h,然后出炉空冷。回火工艺曲线图见图 11。
设备：回火炉（如图 12）
150-180℃
3-6h
空冷
温度
时间

图 11 回火工艺曲线图

图 12 回火炉
（2）回火工艺分析：
①回火温度
GCr15轴承钢球为了获得高硬度和较好的接触疲劳强度、冲击韧度和使用寿命，通常采用160±5℃的低温回火。回火后的组织为回火马氏体。因此钢球具有高硬度和高耐磨性，但内应力和脆性降低。
②保温时间
回火时间应包括按工件截面均匀地达到回火温度所需加热时间以及按M参数达到要求回火硬度完成组织转变所需的时间，如果考虑内应力的消除，则尚应考虑不同回火温度下应力弛豫所需要的时间。
对以应力弛豫为主的低温回火时间应比表列数据长，长的可达几十小时。对二次硬化型高合金钢，其回火时间应根据碳化物转变过程通过试验确定。当含有较多残余奥氏体，而靠二次淬火消除时， 还应确定回火次数。
由于回火温度较低，回火进程进展比较缓慢，短时间内回火得不到稳定的组织和性能，而且内应力的消除也比较缓慢，故取较长的保温时间。GCr15轴承钢球一般回火时间为3-6h。
③冷却介质
回火后钢球在空气中冷却。以防止开裂。回火后应进行油冷，以抑制回火脆性。在防止开裂条件下，可进行油冷或水冷，然后进行一次低温补充回火，以消除快冷产生的内应力。
附加回火（稳定化处理） 减少残余应力的方法是附加回火。经过淬火、回火的钢球在磨削加工中，又将产生磨削应力，据测试磨削应力可高达500—600Mpa。它和低温回火时未能完全消除的残余应力叠加在一起，引起轴承的尺寸变化，甚至导致表面龟裂。因此轴承在磨削加工后要进行回火，即附加回火。一般轴承钢球附加回火采用130—150℃回火3—6小时，回火一次。精密轴承钢球回火时间是15—24小时，回火两到三次。
（3）回火后质量检查项目
①硬度 回火后硬度符合工件技术要求达到61HRC或以上硬度。

图 13 回火后组织图
②金相组织（如图 13） GCr15轴承钢珠的回火组织为在隐晶马氏体基体上均匀分布着细小的碳化物颗粒。不允许有过热针状马氏体和大于6、7级的屈氏体组织。碳化物平均直径小于4.2微米和碳化物网状≤级为合格
③断口 回火后断口为灰色绸褶状断口。不应有过热、欠热和碳化物网状大于3级的小亮点断口。
4.3 钢球一般热处理工艺流程最终确定
（1）预备热处理选择：球化退火设计方案一
（2）最终热处理选择：淬火设计方案一 + 低温回火
（3）热处理具体流程：
钢球球化退火（加热到790℃）→保温4小时左右→炉冷至600℃出炉空冷至室温→将钢球加热到840℃淬火→保温一段时间→取出油冷→将钢球加热到150℃-180℃回火→保温4小时左右→取出油冷至室温

4.4 钢球热处理后的润滑与防锈
润滑是保证轴承正常运转的必要条件，不论采用任何种类的润滑形式，润滑在轴承中都能起着减少金属间的摩擦，减缓其磨损的作用，从而延长轴承的使用寿命。在采用油和脂作润滑剂润滑时，滚动轴承的润滑摩擦面上会形成一层在一定条件下能使相对滑动表面隔离，并能传递负荷的润滑膜，也正由于这层弹性流体动力膜的存在。从而保证了滚动轴承能在高频率接触力下长时间地正常运转，满足了现代化机械设备性能的要求。轴承在运转中，内部各零件存在着不同形式、不同程度的相对运动，从而导致摩擦发热和磨损，甚至烧伤。因此轴承钢球必须有可靠的润滑。
轴承的防锈工作是轴承管理的重要方面。一般普通级精度的轴承的有效防锈期，自轴承制造厂出厂日期起不应少于12月，精密级轴承或经特殊防锈处理和包装的轴承，其有效防锈期自轴承制造厂出厂日期起不应少于24个月，如果采用全密封或真空包装的轴承、并在严格遵守存储规则的前提下，有效防锈期可延长至5年。
长期储存的轴承应进行防锈抽检，抽检周期一般为三个月，抽验的主要目的是检查轴承的有效防锈日期、轴承包装油封完好情况及是否发生锈蚀，同时检查库房里的防锈设施是否符合要求。
库存轴承在验收或检查过程中，均需进行：
轴承启封→去除原油封→检查或除锈处理→涂防锈油（脂）→轴承内包装→轴承外包装。

5、GCr15钢球热处理后的检验及缺陷分析
5.1钢球热处理后组织结构与力学性能及检验
（1）GCr15轴承钢球最终组织
GCr15轴承钢球最终的组织为隐晶或细小结晶状马氏体和细小残余碳化物和少量残余奥氏体。图7为钢球热处理后的组织图

图 14 GCr15钢球热处理后组织图
（2）GCr15轴承钢球检验项目
GCr15轴承钢球硬度符合要求要达到61HRC或以上硬度，有符合标准的接触疲劳强度、耐磨性、冲击韧性、尺寸稳定性、弹性极限、防锈性能等。
钢球经最终加工完成后，均应进行一次综合性的全面检查，以保证能够达到符合有关标准所规定的技术条件，最终检测时，对测量温度、测量仪器、测力及支撑点都是有特定要求的。
①钢球表面外观质量检查 包括钢球表面质量和表面粗糙度。钢材表面质量通常用肉眼检查，肉眼检查必须在散光灯下进行二次100％的目视外观检查，以挑出各种废品和缺陷。对经超精研加工的钢球，还要在表面粗糙度测量仪上测表面粗糙度，对于低噪音轴承采用的钢球要测量钢球振动值。
②钢球的硬度检查 在洛式硬度计上检查其硬度，并抽取一定数量成品钢球进行压碎载荷或压缩试验
③高倍组织检查 高倍组织用金相显微镜进行检查，检验的项目有：退火组织（放大500倍）脱碳层深度（放大100倍），在钢材的横截面上检查。碳化物液析、碳化物带状、非金属夹杂物（放大100倍）在钢材的纵向截面上检查。

5.2 热处理后缺陷分析
5.2.1 退火缺陷分析及防止办法
退火由于加热或冷却不当，会出现一些与预期目的相反的组织，造成缺陷。常见的退火缺陷有硬度过高，组织反常，表面脱碳等。
（1）硬度过高 中高碳钢退火的重要目的之一是降低硬度，便于切削加工，因而对退火后的硬度有一定要求，但是如果退火时加热温度过高，冷却速度过块，特别是合金元素高、过冷奥氏体稳定的钢，就会出现索氏体、屈氏体、甚至贝氏体、马氏体组织。因而硬度高于规定的硬度范围。
防止方法：为了获得所需硬度，应重新进行退火，调整工艺进行二次退火；先进行正火然后进行退火
（2）反常组织（图 15） 其组织特征是：在亚共析钢中，在先共析铁素体晶界上有粗大的渗碳体存在，珠光体片间距也很大。在过共析钢中，在先共析渗碳体周围有很宽铁素体条，而先共析渗碳体网也很宽出现反常组织的原因是：当亚共、析钢或过共析钢退火时，在Ar1点附近冷却过慢，特别在略低于Ar1点(例如低10)℃的温度下长期停留。这种组织的形成过程是待先共析相析出后，在后续的珠光体转变中，铁素体或渗碳体自由长大，而形成游离着的铁素体或渗碳体.结果在亚共析钢中出现非共析渗碳体，而在过共析钢中出现游离铁素体。这和正常组织相反,因而称为反常组织。反常组织将造成淬火软点。

图 15 反常组织
防止方法：出现这种组织时应进行重新退火消。
（3）表面脱碳（图 16） 轴承钢球在热处理过程中，如果是在氧化性介质中加热，表面会发生氧化作用使零件表面碳的质量分数减少，造成表面脱碳。表面脱碳层的深度超过最后加工的留量就会使零件报废。表面脱碳层深度的测定在金相检验中可用金相法和显微硬度法。以表面层显微硬度分布曲线测量法为准，可做仲裁判据。

图 16 表面脱碳
防止方法：加强对原材料和锻件的脱碳控制；正确执行工艺，防止跑温；尽可能不进行正火和不重复退火；提高炉子密封性，在中性火焰炉中加热。
5.2.2 淬火缺陷分析及防止办法
常见的淬火缺陷有过热、欠热、淬火裂纹、变形、表面脱碳、软点等．
（1）过热（图 17） 从轴承零件粗糙口上可观察到淬火后的显微组织过热。但要确切判断其过热的程度必须观察显微组织。若在GCr15钢球的淬火组织中出现粗针状马氏体，则为淬火过热组织。形成原因可能是淬火加热温度过高或加热保温时间太长造成的全面过热；也可能是因原始组织带状碳化物严重，在两带之间的低碳区形成局部马氏体针状粗大，造成的局部过热。过热组织中残留奥氏体增多，尺寸稳定性下降。由于淬火组织过热，钢的晶体粗大，会导致零件的韧性下降，抗冲击性能降低，轴承的寿命也降低。过热严重甚至会造成淬火裂纹。

图 17 过热组织
防止方法：合理制定工艺，严格执行工艺；改善炉温均匀性；装炉量合理，放置要均匀；严格控制原材料及锻件质量降低淬火温度；按材料标准控制碳化物不均匀程度；提高退火质量，使退火组织为均匀细粒状珠光体。
（2）欠热 淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中产生超过标准规定的托氏体组织，称为欠热组织，它使硬度下降，耐磨性急剧降低，影响轴承寿命。
防止方法：提高淬火温度；合理制定工艺，严格执行工艺；改善炉温均匀性；装炉量合理，放置要均匀；控制冷却速度不宜过快。
（3）淬火裂纹（图 18） 轴承零件在淬火冷却过程中因内应力所形成的裂纹称淬火裂纹。造成这种裂纹的原因有：由于淬火加热温度过高或冷却太急，热应力和金属质量体积变化时的组织应力大于钢材的抗断裂强度；工作表面的原有缺陷（如表面微细裂纹或划痕）或是钢材内部缺陷（如夹渣、严重的非金属夹杂物、白点、缩孔残余等）在淬火时形成应力集中；严重的表面脱碳和碳化物偏析；零件淬火后回火不足或未及时回火；前面工序造成的冷冲应力过大、锻造折叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等。总之，造成淬火裂纹的原因可能是上述因素的一种或多种，内应力的存在是形成淬火裂纹的主要原因。
图 18 淬火裂纹
防止方法：降低淬火温度；提高零件出油温度或提高淬火油温度；降低车加工表面粗糙度；增加去应力工序；减少表面的脱碳，贫碳以及从设计和加工中避免零件产生应力集中。
（4）变形 轴承零件在热处理时，存在有热应力和组织应力，这种内应力能相互叠加或部分抵消，是复杂多变的，因为它能随着加热温度、加热速度、冷却方式、冷却速度、零件形状和大小的变化而变化，所以热处理变形是难免的。当然在热处理过程中的机械碰撞也会使零件产生变形，但这种变形是可以用改进操作加以减少和避免的。
防止方法：提高退火组织的均匀性；增加去应力退火工序；降低淬火加热温度；提高加热和冷却的均匀性；在热油中冷却或压模淬火；消除加热和冷却中机械碰撞等。
5.2.3 回火缺陷分析及防止办法
常见的回火缺陷有硬度过高或过低，硬度不均匀，以及回火产生变形及脆性等。
（1）回火硬度 回火硬度过高、过低或不均匀，主要由于回火温度过低、过高或炉温不均匀所造成。回火后硬度过高还可能由于回火时间过短。硬度不均匀的原因，可能是由于一次装炉量过多，或选用加热炉不当所致。如果回火在气体介质炉中进行，炉内应有气流循环风扇，否则炉内温度不可能均匀。
防止方法：回火后硬度过低需返修，重新淬火回火；选择合适的装炉量；选择合适的温度进行加热保温。
（2）变形 回火后工件发生变形，常由于回火前工件内应力不平衡，回火时应力松弛或产生应力重分布所致。表面脱碳后，在回火过程中可能形成网状裂纹。因为表面脱碳后，马氏体的比容减少，以致产生多向拉应力而形成网状裂纹。此外，高碳钢件在回火时，如果加热过快，表面先回火，比容减少，产生多向拉应力，从而产生网状裂纹。
防止方法：采用回火校直法或热点校直法。多次校直，多次加热，或采用压具回火。
（3）回火脆性 回火后脆性的出现，主要由于所选回火温度不当，或回火后冷却速度不够(笫二类回火脆性)所致。
防止方法：防止脆性的出现，应正确选择回火温度和冷却方式．一旦出现回火脆性，对第一类回火脆性，只有通过重新加热淬火，另选温庹回火；对第二类回火脆性，可以采取重新加热回火，然后加速回火后冷却速度的方法消除。
9、结轮
本次论文讨论了GCr15轴承钢球的失效，并重点设计了钢球从预先热处理到最终热处理的工艺，还分析了热处理后所可能产生的热处理缺陷，最终得到了以下结论：
GCr15钢球在生产、制造中由于会产生失效的同时，钢球在使用过程中由于安装、润滑等也会造成钢球的失效。
GCr15轴承钢球的一般热处理工艺路线：
将钢球加热到790℃进行球化退火，球化退火工艺是将钢球保温4小时左右，然后炉冷至600℃出炉空冷直至室温，再将钢球加热到840℃进行淬火，淬火保温相应的时间（10-15min），然后取出油冷，最后将钢球加热到150℃-180℃进行回火，回火保温时间约为4小时，取出油冷至室温。
虽然设计的方法多种多样，只要能达到产品的性能要求且工艺成本尽量的低，就能找到一个比较完美的设计方案。对于有特殊性能要求的钢球而言以上的方案可能存在着缺陷，但只要熟悉了设计思路，掌握了设计方法，都可以给以后不同种类的设计提供经验。
GCr15轴承钢球在热处理后可能产生的缺陷虽然多种多样，但只要我们了解工艺，严格按照工艺流程制造产品，就不会产生十分严重的错误，也不会使钢球产生严重的热处理缺陷。产品出现了缺陷也应该及时反思自己的工艺与操作，找到解决修复的方法。产生的缺陷虽然可以通过一些措施修复，但能够避免的应该尽量避免。

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