圆锥滚子轴承的选材热处理工艺分析
专业：机械设计与制造
班级：机械设计与制造2班
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轴承广泛用于柴油机、拖拉机、机床、汽车和火车等各种机械设备与车辆上，它由轴承内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。

内圈紧装于主轴上，随轴一起转动。

外圈则装在轴承座中静止不动，在轴转动过程中，内圈和滚动体发生转动和滚动，在高速运动下服役，承受点或线的接触的周期性的高压交变载荷和应力的作用，因此容易造成局部应力集中。

滚动体和内外圈三者之间既呈现滚动又呈现滑动，故会产生滚动摩擦和滑动摩擦，因此分析上述过程可知，滚动轴承的损坏形式为接触疲劳破坏和磨损，要求滚动体与内外圈应具有高的抗疲劳性能和耐磨性，有良好的尺寸稳定性，才能确保轴承高的使用寿命。

1.1.2圆锥滚子轴承的失效分析
一般情况下，滚动轴承的主要破坏形式是在交变应力作用下的疲劳剥落，以及由于摩擦磨损而使轴承精度丧失。

此外，还有裂纹、压痕、锈蚀等原因造成轴承的非正常破坏。

图1-1圆锥滚子轴承图1-2圆锥滚子
常见的失效形式：
(1)接触疲劳失效；
(2)磨损失效；
(3)断裂失效；
(4)塑性变形失效；
(5)游隙变化失效。

1.1.3性能要求
圆锥滚子轴承对材料热处理后应具备下列性能：
(1)高的接触疲劳强度；
(2)高的耐磨性；
(3)高的弹性极限；
(4)适宜的硬度；
(5)一定的冲击韧性；
(6)良好的尺寸稳定性；
1.2.1材料初选
目前，国内使用最久应用最为广泛的是高碳铬轴承钢，其成分特点是：高碳，轴承钢的W（C）一般控制在0.95％~1.05％范围内，以保证淬火后的硬度达到最大值，同时获得一定数量的碳化物，以提高耐磨性。

Cr作为基本合金元素，轴承钢的W（Cr）一般控制在1.65％以下。

Cr一方面提高淬透性，使淬火后的组织
和硬度均匀；另一方面，Cr溶于渗碳体中形成较稳定的含Cr渗碳体，这种合金渗碳体在淬火加热时溶解较慢，并以细小颗粒均匀分布在基体上，有利于提高耐磨性。

GCr15是铬轴承钢中典型的钢种，它的使用量很大，约占铬轴承钢的90％。

国外所使用的铬轴承钢的成分也大致相似。

GCr15钢含有较少量合金元素，综合性能良好，淬火回火后具有高而均匀的硬度，耐磨性能好，接触疲劳强度高。

钢的热加工型号，球化退火后有良好的可切削性。

综上所述，圆锥滚子轴承可以选用GCr15钢。

表1-1碳铬滚动轴承钢的室温力学性能
组成滚动轴承的零件有外圈、内圈、滚动体和保持架。

对于不同的零件，其加工过程和方法是不同的。

对于同一种零件，若结构、公差等级不同，其加工过程和方法也有差异。

轴承钢中应用最广泛的是GCrl5。

以GCr15为钢的圆锥滚子轴承的热处理工艺。

这里主要讨论一下套圈的热处理。

1.3.1套圈的加工工艺路线
套圈热处理工序有退火、淬火、回火等，各工序对套圈材料性能的影响不同，所处在套圈整个工艺流程中的位置也不同。

具体工艺路线为：管料或棒料—锻造—球化退火—车加工成型—软磨（主要针对沟道）—淬火—回火—粗磨—精磨—成品
轴承钢经过预备热处理后应得到均匀的细球状的珠光体组织，无片状和网状碳化物。

该组织热处理后具有较高的接触疲劳强度、耐磨性和韧性等，同时其过热变形的倾向减小，故轴承钢进行球化退火。

球化退火的目的是为了改善毛坯的组织，降低材料的硬度，便于切削加工，同时为后继的热处理工艺做好组织准备球化退火后片状碳化物变为均匀球状的碳化物，既有利于改善钢的切削加工性能，又能使钢的淬透性增加。

退火温度是依据钢的临界点而定，GCr15的球化退火温度为780-810℃。

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

一般而言，轴承钢进行淬火+低温回火即为最终热处理，GCr15淬火加热温度为830-860℃，冷却介质为10号或20号机械油，冷却介质的温度为30-80℃。

GCr15钢的淬火工艺：将试样加热到840℃保温20min,油冷，淬火工艺曲线如图所示。

淬火时间计算：t=aKD ①
式中t加热时间（min/mm）， a----加热系数（min/mm）通常取1.2-1.5，（取1.2），K装炉修正系数（取2.0）， D----零件有效厚度（mm）
所以代入经验公式得： t=aKD=1.2X2X20=48min 取50min 所以保温时间为50min。

图1淬火工艺曲线
说明：把工件先经两次次预热，第一次加热到550℃保温150分钟，第二次加热到850℃保温60分钟，然后加热到1010度左右油淬冷却最后700℃高温回火。

（2）回火
防止轴承零件的开裂，提高力学性能，一般根据零件的具体硬度要求来确定回火温度和时间，轴承零件的硬度一般为60-65HRC，GCr15的回火温度为150-170℃，中小型零件保温时间为2.5-3h。

为确保回火均匀，通常回火在油浴炉或具有强制空气循环装置的空气炉内回火。

淬火+低温回火工艺
回火就是将淬火后的钢/铁，在AC1以下加热、保温后冷却下来的金属热处理工艺。

回火时间：t=aD+b ②
式中t回火保温时间（min），D工件有效尺寸（mm），a加热系数（min）
b附加时间，一般为10~20 min
井式回火炉（RJJ回火电炉）加热系数为：1.0—1.5min/mm在实际生产中，由于装炉量比较多，有时甚至要堆放，因此，必须在上述计算时间的基础上增加1—1.5倍，以保证工件在回火时得到充分的转变机会。

所以
由以上经验公式计算得：t=1.5X20+20=50min 。

为了使工件完全焼透，在计算的保温时间基础上增加一倍，所以最终保温时间为:t=2X50=100min GCr15钢淬火+低温回火工艺曲线。

图2回火工艺曲线
1.4圆锥滚子轴承热处理的常见缺陷及防止方法
轴承零件经热处理后常见的质量缺陷有：淬火显微组织过热、欠热、淬火裂纹、表面脱碳、软点等。

（1）过热防止方法：提高或降低淬火加热温度。

（2）欠热与冷速不足防止方法：提高或降低淬火加热温度。

（3）淬火裂纹防止办法：降低温度、提高出油温度或加热油温、降低车加工的表面粗糙度、采用可控气氛或盐炉加热、正火后进行淬火、立即回火、采用符合要求的材料。

（4）表面脱碳防止方法:改进炉子使其内部具有还原性气体、除锈迹和清洗干净零件表面、严格执行工艺要求、粗车后再进行热处理。

（5）软点防止方法：
局部软点：控制锻造加热时间、提高加热温度或延长时间、增强介质的冷却能力。

表面软点：配置合格的冷却介质、使介质的温度控制在35℃以下、增加碳酸钠水溶液的浓度至15%-20%。