國外機械行業的軸承熱處理方法(下)
2016-01-02
國外機械行業的軸承熱處理方法(下)摘要：振興裝備制造業的行業地位的提升安全環保地控制微生物生長A/B回轉工作頭變頻器制動新思路、新方法縱波法探傷定量分析的不確定度評定電路板數控銑加工模具高速銑削加工技術及數控編程實例多功能砂輪修整器的設計與應用高效CNC磨削基于AutoCAD的規劃圖庫管理系統的設計與實現金屬切削新概念和平軟起動器節能原理數控機床安裝與調試數控機床走向信息化時代大連在尖端數控設備領域的研發取得突破性進展金屬切削原理和刀具振動時效工藝原理國內外不銹鋼焊條研究的歷史現狀及發展趨勢可編程序控制器的五種標準編程語言數控機床的系統組成及其功能處理方法行業機械國外氣氛清洗設備軸承冷卻軸承熱處理裝備7.1退火設備工業發達國家早在世紀六七十年代全面推廣推桿式輥底式等溫球化火爐縮短退火周期節約能源提高退火質量軸承零件加工技術發展精密鍛造精密輾擴工藝采用零件毛坯加工精度越來越逐步推廣車削工藝帶來保護氣氛退火需求工業發達國家.
7軸承熱處理裝備
7.1退火設備
工業發達國家早在20世紀六七十年代全面推廣推桿式和輥底式等溫球化退火爐，縮短退火周期，節約能源，提高退火質量。隨著軸承零件加工技術的發展，精密鍛造及精密輾擴(冷輾)工藝的采用，零件毛坯的加工精度越來越高，逐步推廣少無車削工藝，由此帶來了對保護氣氛退火的需求。工業發達國家已普遍采用保護氣氛退火，以減少退火后的機加工量，提高加工效率，節材節能，降低成本。
7.2常規馬氏體淬火的工裝設備
傳統的加熱設備是不帶保護氣氛的箱式爐、鹽浴爐或井式爐，近幾十年來，馬氏體淬火的工裝設備發展主要集中在以下幾個方面：
(1)自動化生產線
目前，國外采用的自動生產線按其結構(或工件在爐中的運動方式)可分為：有馬弗網帶爐和無馬弗網帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐系列生產線，從上料、前清洗、保護氣氛(或可控氣氛)下加熱、淬火、后清洗(有時還進行二次深冷)及回火均自動完成。自動化程度及控制精度高，處理后工件的質量均勻，有些生產線還配有在線檢測設備對處理后的工件進行變形或質量檢測與控制，整條熱處理生產線可作為軸承自動生產線的一部分使用。不同的熱處理生產線根據其結構特點適用于不同類型和尺寸軸承零件的熱處理，如網帶爐適用于中小型軸承套圈；輥底爐配有自動升降淬火裝置，適用于尺寸較大的軸承零件；滾筒爐適用于滾動體及小型套圈。
(2)多用爐
多用爐把可控氣氛加熱和保護氣氛下淬火結合為一體，完成工件的無氧化淬火工藝過程，主要適用于小批量多品種的軸承零件熱處理。
(3)感應加熱淬回火設備
感應加熱具有加熱速度快、節能等優點，處理后的工件具有一些常規加熱所沒有的性能。設備體積小，易于集成到軸承生產線中，實現自動化生產。
(4)真空爐
真空狀態下加熱可減少或避免工件的氧化，配合高壓氣淬可控制工件的冷卻及變形，避免了油淬帶來的環境污染問題，實現清潔熱處理，另外，真空熱處理后，工件的顯微組織更加細小均勻，表面與心部組織一致，硬度均勻，有利于軸承疲勞壽命的提高。
(5)淬火冷卻介質及裝備
淬火介質可分為三大類：油基、水基和氣體淬火介質。油基淬火介質是最常用的淬火介質。普通的淬火油是N32或N15機械油，為提高其冷卻性能、抗老化性能、光亮性能、高溫性能等分別加入催冷劑、清洗劑、光亮劑、抗氧化劑，形成了快速油、快速光亮油、高溫分級等溫油等系列淬火油以應用于不同尺寸和要求的軸承零件的淬火，另外還有低揮發性的真空淬火油。油基淬火介質的缺點是淬火過程中產生油煙造成空氣污染、在隨后的清洗過程中造成水污染。
水基淬火介質是由有機聚合物、抗腐蝕劑和其他添加劑組成的水溶液。通過改變有機聚合物的類型和濃度可得到不同的冷卻特性以適合于不同軸承零件的淬火冷卻要求，在淬火冷卻過程中，有機物附著在零件表面可減少零件淬火開裂的危險性，且不產生油煙，清洗方便，無污染，是淬火介質的發展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介質，需對溶液經常進行測試，定期添加有機物溶液以保證其冷卻性能。
氣體淬火是采用惰性氣體為介質(常用的氮氣)，把壓縮氣體通過特殊設計的噴嘴噴射到工件表面實現工件的淬火冷卻。通過調節氣體的壓力和噴嘴的結構可以控制冷卻特性和變形，如Tinscher等人的研究[11]表明：當氮氣的流速達到100m/s時，其冷卻特性與油相近，當對工件的表面的光亮度沒有特殊的要求時，可采用壓縮空氣作為淬火介質，淬火時表面形成的3~5μm的氧化層可通過以后的磨加工去除掉。氣體淬火比水基淬火更潔凈，且成本更低，其關鍵技術是噴嘴的結構設計。
淬火冷卻裝備是除淬火介質外影響工件淬火效果的另一大因素。國外對常用的淬火油槽實行多參數控制，如油溫、油的冷卻特性、油的循環與攪拌的方向及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火組織與性能，同時把變形減小到最小程度。日本NSK等著名軸承公司對淬火油進行定期或在線檢測，根據檢測結果添加所需的添加劑或更新淬火油；另一方面，對淬火后工件的變形進行在線檢測，把變形超差的工件自動分檢出去，進行矯正后再進入下道工序，可大大減小工件的磨加工留量。另外，油槽中淬火介質的冷卻逐步由水循環冷卻改為全風冷，利用空氣作為冷卻介質節省大量的水資源。
多工位自動淬火壓床也是國外普遍采用的淬火工裝，可自動完成升降、上下料、噴油冷卻、油溫調節及張緊(或壓力)的調節等動作，微機控制，生產節拍可調，可作為軸承自動生產線的一部分適用。
(6)清洗設備
清洗通常是油淬后的必備工序。連續生產線所用的清洗設備一般完成熱皂水浸泡、清水噴淋、熱風烘干等過程，并帶有油水分離裝置。先進的清洗設備中，在烘干前還加有二次冷卻裝置(配有制冷設備，溫度在5~10℃之間可調)，以減少殘余奧氏體的含量，提高尺寸穩定性。
真空清洗是近年來發展起來的清洗設備。其利用淬火油等揮發性液體減壓后沸點下降和油、水、水蒸氣等有機液一起加熱其沸點亦下降的原理進行清洗；另外，使用特殊的氣、液混合泵產生微小的空氣泡混入清洗液中，利用微氣泡在工件表面破裂時產生的爆破力破壞污漬和工件的結合力，從而進一步提高真空清洗的效果。在前室清洗后，進入后真空室，通過抽真空將殘存的油和水蒸發出來并進行真空快速干燥。該類清洗設備的優點是：清洗效果好，尤其是對結構復雜的零件，清洗效果更為顯著，清洗后工件表面光亮；安全、清潔，清洗液為清水，不加對環境有害的氯化物和石油類溶劑；自動化程度高，且可利用清洗加熱替代低溫回火，節省回火費用。
7.3貝氏體等溫淬火裝備
根據軸承加工的特點，所使用的設備主要有兩大類：自動生產線和周期爐。
(1)自動生產線：品種少、批量大的軸承適合自動化生產，如鐵路軸承的生產多使用自動生產線。自動生產線主要由保護氣氛加熱爐和等溫淬火槽組成，其中等溫淬火部分所用設備按運送工件的動作又可分為三類：轉底、推盤及輸送帶式。由愛協林公司開發的轉底、推盤式等溫淬火設備是把轉底或推盤機構置于等溫鹽浴中，工件按一定的節拍進出，記憶控制順序出料，動作由PLC程序控制，該類設備自動化程度高，投資大；由沙菲公司開發的輸送帶式等溫淬火自動線與目前普遍使用的網帶式保護氣氛淬火自動線結構原理相似，只是所用淬火介質為鹽浴，這類設備一般只適用于小尺寸的零件。
(2)周期式等溫淬火設備：軋機軸承由于品種多、批量小，中小型軋機軸承生產廠家多采用箱式爐+淬火冷卻槽+等溫槽+清洗槽，也有采用箱式爐+多個等溫槽。該配置投資少，適用性強，但勞動強度大，安全性差。易普森公司把多用爐和貝氏體淬火等溫結合為一體,避免了由加熱設備到等溫淬火之間的氧化,且等溫采用空氣爐,配一套殘鹽回收系統,避免了殘鹽的環境污染。除此之外，可利用多用爐的特點進行小批量多品種軸承零件的處理，克服了一般自動等溫設備的尺寸限制。目前，在貝氏體等溫淬火大力推廣之際，該設備具有很大的推廣價值。
7.4保護氣氛及控制
隨著對工件淬火后表面質量要求的提高，保護(可控)氣氛加熱越來越普及，包括退火在內的熱處理均采用保護(或可控)氣氛加熱。20世紀70年代，主要采用吸熱式氣氛。吸熱式氣氛是原料氣和空氣的混合氣體在催化劑的作用下部分反應形成一種含18～23％CO、37～42％H2、余量N2的保護氣氛。80年代，國際能源危機給世界經濟以巨大沖擊，氮基氣氛應運而生，氮-甲醇氣氛的組份與吸熱式氣氛相近，以氮-甲醇為代表的氮基氣氛得到廣泛推廣。90年代，出現了把空氣和碳氫化合物直接通入高于800°C爐膛內的產氣方法，即直生式氣氛。通過研究發現，這種含有高CH4成分的氣氛，雖然其氣體反應達不到類似于吸熱式氣氛的平衡程度，但其碳的傳輸能力還是由氣氛中CO與H2的含量來控制，用氧探頭結合CO2分析儀進行碳勢控制是可以實現的。直生式氣氛的主要優點是大量節省了原料氣消耗量，據統計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續性氣氛爐，其原料氣消耗節省費用70％左右。今天，全球約有300多臺套氣氛爐使用這種氣氛進行滲碳、碳氮共滲、保護氣氛淬火等多種熱處理。
近幾年的實際應用表明，氧探頭的使用壽命是不定的，氧探頭信號的逐步漂移是固定電解質的典型缺陷所致。由于這種漂移主要受爐子運行工況的影響，而且漂移的開始及大幅度的漂移是不可預見的，所以由氧探頭測量的碳勢與實際值之間差異也是不可預見的。因此，人們定期校驗其測量精度，例如，一個星期一次，用鋼箔定碳片來檢測氧探頭信號是否失真，這真是一個麻煩的工作，不利于爐子實現全自動化，有時甚至會影響正常生產。鑒于上述原因，Ipsen開發了一個雙重測量系統。
其中一個帶標準氧探頭用于正常的控制碳勢，另一個獨立測量系統用于檢測這個氧探頭的工作狀況，即這兩個系統分別測量氣氛的碳勢，當結果出現很大偏差時，就會報警。這第二個測量系統工作元件可以是CO2紅外分析儀，也可以是一個微型氧探頭(λ-探頭)，迄今為止，已有許多氣氛爐安裝了這種雙重測量系統。
7軸承熱處理裝備
7.1退火設備
工業發達國家早在20世紀六七十年代全面推廣推桿式和輥底式等溫球化退火爐，縮短退火周期，節約能源，提高退火質量。隨著軸承零件加工技術的發展，精密鍛造及精密輾擴(冷輾)工藝的采用，零件毛坯的加工精度越來越高，逐步推廣少無車削工藝，由此帶來了對保護氣氛退火的需求。工業發達國家已普遍采用保護氣氛退火，以減少退火后的機加工量，提高加工效率，節材節能，降低成本。
7.2常規馬氏體淬火的工裝設備
傳統的加熱設備是不帶保護氣氛的箱式爐、鹽浴爐或井式爐，近幾十年來，馬氏體淬火的工裝設備發展主要集中在以下幾個方面：
(1)自動化生產線
目前，國外采用的自動生產線按其結構(或工件在爐中的運動方式)可分為：有馬弗網帶爐和無馬弗網帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐系列生產線，從上料、前清洗、保護氣氛(或可控氣氛)下加熱、淬火、后清洗(有時還進行二次深冷)及回火均自動完成。自動化程度及控制精度高，處理后工件的質量均勻，有些生產線還配有在線檢測設備對處理后的工件進行變形或質量檢測與控制，整條熱處理生產線可作為軸承自動生產線的一部分使用。不同的熱處理生產線根據其結構特點適用于不同類型和尺寸軸承零件的熱處理，如網帶爐適用于中小型軸承套圈；輥底爐配有自動升降淬火裝置，適用于尺寸較大的軸承零件；滾筒爐適用于滾動體及小型套圈。
(2)多用爐
多用爐把可控氣氛加熱和保護氣氛下淬火結合為一體，完成工件的無氧化淬火工藝過程，主要適用于小批量多品種的軸承零件熱處理。
(3)感應加熱淬回火設備
感應加熱具有加熱速度快、節能等優點，處理后的工件具有一些常規加熱所沒有的性能。設備體積小，易于集成到軸承生產線中，實現自動化生產。
(4)真空爐
真空狀態下加熱可減少或避免工件的氧化，配合高壓氣淬可控制工件的冷卻及變形，避免了油淬帶來的環境污染問題，實現清潔熱處理，另外，真空熱處理后，工件的顯微組織更加細小均勻，表面與心部組織一致，硬度均勻，有利于軸承疲勞壽命的提高。
(5)淬火冷卻介質及裝備
淬火介質可分為三大類：油基、水基和氣體淬火介質。油基淬火介質是最常用的淬火介質。普通的淬火油是N32或N15機械油，為提高其冷卻性能、抗老化性能、光亮性能、高溫性能等分別加入催冷劑、清洗劑、光亮劑、抗氧化劑，形成了快速油、快速光亮油、高溫分級等溫油等系列淬火油以應用于不同尺寸和要求的軸承零件的淬火，另外還有低揮發性的真空淬火油。油基淬火介質的缺點是淬火過程中產生油煙造成空氣污染、在隨后的清洗過程中造成水污染。
水基淬火介質是由有機聚合物、抗腐蝕劑和其他添加劑組成的水溶液。通過改變有機聚合物的類型和濃度可得到不同的冷卻特性以適合于不同軸承零件的淬火冷卻要求，在淬火冷卻過程中，有機物附著在零件表面可減少零件淬火開裂的危險性，且不產生油煙，清洗方便，無污染，是淬火介質的發展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介質，需對溶液經常進行測試，定期添加有機物溶液以保證其冷卻性能。
氣體淬火是采用惰性氣體為介質(常用的氮氣)，把壓縮氣體通過特殊設計的噴嘴噴射到工件表面實現工件的淬火冷卻。通過調節氣體的壓力和噴嘴的結構可以控制冷卻特性和變形，如Tinscher等人的研究[11]表明：當氮氣的流速達到100m/s時，其冷卻特性與油相近，當對工件的表面的光亮度沒有特殊的要求時，可采用壓縮空氣作為淬火介質，淬火時表面形成的3~5μm的氧化層可通過以后的磨加工去除掉。氣體淬火比水基淬火更潔凈，且成本更低，其關鍵技術是噴嘴的結構設計。
淬火冷卻裝備是除淬火介質外影響工件淬火效果的另一大因素。國外對常用的淬火油槽實行多參數控制，如油溫、油的冷卻特性、油的循環與攪拌的方向及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火組織與性能，同時把變形減小到最小程度。日本NSK等著名軸承公司對淬火油進行定期或在線檢測，根據檢測結果添加所需的添加劑或更新淬火油；另一方面，對淬火后工件的變形進行在線檢測，把變形超差的工件自動分檢出去，進行矯正后再進入下道工序，可大大減小工件的磨加工留量。另外，油槽中淬火介質的冷卻逐步由水循環冷卻改為全風冷，利用空氣作為冷卻介質節省大量的水資源。
多工位自動淬火壓床也是國外普遍采用的淬火工裝，可自動完成升降、上下料、噴油冷卻、油溫調節及張緊(或壓力)的調節等動作，微機控制，生產節拍可調，可作為軸承自動生產線的一部分適用。
(6)清洗設備
清洗通常是油淬后的必備工序。連續生產線所用的清洗設備一般完成熱皂水浸泡、清水噴淋、熱風烘干等過程，并帶有油水分離裝置。先進的清洗設備中，在烘干前還加有二次冷卻裝置(配有制冷設備，溫度在5~10℃之間可調)，以減少殘余奧氏體的含量，提高尺寸穩定性。
真空清洗是近年來發展起來的清洗設備。其利用淬火油等揮發性液體減壓后沸點下降和油、水、水蒸氣等有機液一起加熱其沸點亦下降的原理進行清洗；另外，使用特殊的氣、液混合泵產生微小的空氣泡混入清洗液中，利用微氣泡在工件表面破裂時產生的爆破力破壞污漬和工件的結合力，從而進一步提高真空清洗的效果。在前室清洗后，進入后真空室，通過抽真空將殘存的油和水蒸發出來并進行真空快速干燥。該類清洗設備的優點是：清洗效果好，尤其是對結構復雜的零件，清洗效果更為顯著，清洗后工件表面光亮；安全、清潔，清洗液為清水，不加對環境有害的氯化物和石油類溶劑；自動化程度高，且可利用清洗加熱替代低溫回火，節省回火費用。
7.3貝氏體等溫淬火裝備
根據軸承加工的特點，所使用的設備主要有兩大類：自動生產線和周期爐。
(1)自動生產線：品種少、批量大的軸承適合自動化生產，如鐵路軸承的生產多使用自動生產線。自動生產線主要由保護氣氛加熱爐和等溫淬火槽組成，其中等溫淬火部分所用設備按運送工件的動作又可分為三類：轉底、推盤及輸送帶式。由愛協林公司開發的轉底、推盤式等溫淬火設備是把轉底或推盤機構置于等溫鹽浴中，工件按一定的節拍進出，記憶控制順序出料，動作由PLC程序控制，該類設備自動化程度高，投資大；由沙菲公司開發的輸送帶式等溫淬火自動線與目前普遍使用的網帶式保護氣氛淬火自動線結構原理相似，只是所用淬火介質為鹽浴，這類設備一般只適用于小尺寸的零件。
(2)周期式等溫淬火設備：軋機軸承由于品種多、批量小，中小型軋機軸承生產廠家多采用箱式爐+淬火冷卻槽+等溫槽+清洗槽，也有采用箱式爐+多個等溫槽。該配置投資少，適用性強，但勞動強度大，安全性差。易普森公司把多用爐和貝氏體淬火等溫結合為一體,避免了由加熱設備到等溫淬火之間的氧化,且等溫采用空氣爐,配一套殘鹽回收系統,避免了殘鹽的環境污染。除此之外，可利用多用爐的特點進行小批量多品種軸承零件的處理，克服了一般自動等溫設備的尺寸限制。目前，在貝氏體等溫淬火大力推廣之際，該設備具有很大的推廣價值。
7.4保護氣氛及控制
隨著對工件淬火后表面質量要求的提高，保護(可控)氣氛加熱越來越普及，包括退火在內的熱處理均采用保護(或可控)氣氛加熱。20世紀70年代，主要采用吸熱式氣氛。吸熱式氣氛是原料氣和空氣的混合氣體在催化劑的作用下部分反應形成一種含18～23％CO、37～42％H2、余量N2的保護氣氛。80年代，國際能源危機給世界經濟以巨大沖擊，氮基氣氛應運而生，氮-甲醇氣氛的組份與吸熱式氣氛相近，以氮-甲醇為代表的氮基氣氛得到廣泛推廣。90年代，出現了把空氣和碳氫化合物直接通入高于800°C爐膛內的產氣方法，即直生式氣氛。通過研究發現，這種含有高CH4成分的氣氛，雖然其氣體反應達不到類似于吸熱式氣氛的平衡程度，但其碳的傳輸能力還是由氣氛中CO與H2的含量來控制，用氧探頭結合CO2分析儀進行碳勢控制是可以實現的。直生式氣氛的主要優點是大量節省了原料氣消耗量，據統計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續性氣氛爐，其原料氣消耗節省費用70％左右。今天，全球約有300多臺套氣氛爐使用這種氣氛進行滲碳、碳氮共滲、保護氣氛淬火等多種熱處理。
近幾年的實際應用表明，氧探頭的使用壽命是不定的，氧探頭信號的逐步漂移是固定電解質的典型缺陷所致。由于這種漂移主要受爐子運行工況的影響，而且漂移的開始及大幅度的漂移是不可預見的，所以由氧探頭測量的碳勢與實際值之間差異也是不可預見的。因此，人們定期校驗其測量精度，例如，一個星期一次，用鋼箔定碳片來檢測氧探頭信號是否失真，這真是一個麻煩的工作，不利于爐子實現全自動化，有時甚至會影響正常生產。鑒于上述原因，Ipsen開發了一個雙重測量系統。
其中一個帶標準氧探頭用于正常的控制碳勢，另一個獨立測量系統用于檢測這個氧探頭的工作狀況，即這兩個系統分別測量氣氛的碳勢，當結果出現很大偏差時，就會報警。這第二個測量系統工作元件可以是CO2紅外分析儀，也可以是一個微型氧探頭(λ-探頭)，迄今為止，已有許多氣氛爐安裝了這種雙重測量系統。