國外軸承熱處理
劉耀中、張增歧
熱處理質(zhì)量好壞直接關(guān)系著后續(xù)的加工質(zhì)量以致最終影響零件的使用性能及壽命，同時熱處理又是機械行業(yè)的能源消耗大戶和污染大戶。近年來，隨著科學技術(shù)的進步及其在熱處理方面的應用，熱處理技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）清潔熱處理
熱處理生產(chǎn)形成的廢水、廢氣、廢鹽、粉塵、噪聲及電磁輻射等均會對環(huán)境造成污染。解決熱處理的環(huán)境污染問題，實行清潔熱處理（或稱綠色環(huán)保熱處理）是發(fā)達國家熱處理技術(shù)發(fā)展的方向之一。為減少SO2、CO、CO2、粉塵及煤渣的排放，已基本杜絕使用煤作燃料，重油的使用量也越來越少，改用輕油的居多，天然氣仍然是最理想的燃料。燃燒爐的廢熱利用已達到很高的程度，燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和空-燃比的嚴格控制保證了合理燃燒的前提下，使NOX和CO降低到最低限度；使用氣體滲碳、碳氮共滲及真空熱處理技術(shù)替代鹽浴處理以減少廢鹽及含CN-有毒物對水源的污染；采用水溶性合成淬火油代替部分淬火油，采用生物可降解植物油代替部分礦物油以減少油污染。
（2）精密熱處理
精密熱處理有兩方面的含義：一方面是根據(jù)零件的使用要求、材料、結(jié)構(gòu)尺寸，利用物理冶金知識及先進的計算機模擬和檢測技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，達到所需的性能或最大限度地發(fā)揮材料的潛力；另一方面是充分保證優(yōu)化工藝的穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量分散度很?。ɑ驗榱悖┘盁崽幚砘?yōu)榱恪?
（3）節(jié)能熱處理
科學的生產(chǎn)和能源管理是能源有效利用的最有潛力的因素，建立專業(yè)熱處理廠以保證滿負荷生產(chǎn)、充分發(fā)揮設(shè)備能力是科學管理的選擇。在熱處理能源結(jié)構(gòu)方面，優(yōu)先選擇一次能源；充分利用廢熱、余熱；采用耗能低、周期短的工藝代替周期長、耗能大的工藝等。
（4）少無氧化熱處理
由采用保護氣氛加熱替代氧化氣氛加熱到精確控制碳勢、氮勢的可控氣氛加熱，熱處理后零件的性能得到提高，熱處理缺陷如脫碳、裂紋等大大減少，熱處理后的精加工留量減少，提高了材料的利用率和機加工效率。真空加熱氣淬、真空或低壓滲碳、滲氮、氮碳共滲及滲硼等可明顯改善質(zhì)量、減少畸變、提高壽命。
軸承零件的熱處理質(zhì)量控制在整個機械行業(yè)是最為嚴格的。軸承熱處理在過去的20來年里取得了很大的進步，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：熱處理基礎(chǔ)理論的研究；熱處理工藝及應用技術(shù)的研究；新型熱處理裝備及相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。
1、高碳鉻軸承鋼的退火
高碳鉻軸承鋼的球化退火是為了獲得鐵素體基體上均勻分布著細、小、勻、圓的碳化物顆粒的組織，為以后的冷加工及最終的淬回火作組織準備。傳統(tǒng)的球化退火工藝是在略高于Ac1的溫度（如GCr15為780~810℃）保溫后隨爐緩慢冷卻（25℃/h）至650℃以下出爐空冷。該工藝熱處理時間長（20h以上）[1]，且退火后碳化物的顆粒不均勻，影響以后的冷加工及最終的淬回火組織和性能。之后，根據(jù)過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變特點，開發(fā)等溫球化退火工藝：在加熱后快冷至Ar1以下某一溫度范圍內(nèi)（690~720℃）進行等溫，在等溫過程中完成奧氏體向鐵素體和碳化物的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變完成后可直接出爐空冷。該工藝的優(yōu)點是節(jié)省熱處理時間（整個工藝約12~18h），處理后的組織中碳化物細小均勻。另一種節(jié)省時間的工藝是重復球化退火：第一次加熱到810℃后冷卻至650℃，再加熱到790℃后冷卻到650℃出爐空冷。該工藝雖可節(jié)省一定的時間，但工藝操作較繁。
2、高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火
2.1、常規(guī)馬氏體淬回火的組織與性能
近20年來，常規(guī)的高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火工藝的發(fā)展主要分兩個方面：一方面是開展淬回火工藝參數(shù)對組織和性能的影響，如淬回火過程中的組織轉(zhuǎn)變、殘余奧氏體的分解、淬回火后的韌性與疲勞性能等[2~10]；另一方面是淬回火的工藝性能，如淬火條件對尺寸和變形的影響、尺寸穩(wěn)定性等[11~13]。
常規(guī)馬氏體淬火后的組織為馬氏體、殘余奧氏體和未溶（殘留）碳化物組成。其中，馬氏體的組織形態(tài)又可分為兩類：在金相顯微鏡下（放大倍數(shù)一般低于1000倍），馬氏體可分為板條狀馬氏體和片狀馬氏體兩類典型組織，一般淬火后為板條和片狀馬氏體的混合組織，或稱介于二者之間的中間形態(tài)—棗核狀馬氏體（軸承行業(yè)上所謂的隱晶馬氏體、結(jié)晶馬氏體）；在高倍電鏡下，其亞結(jié)構(gòu)可分為位錯纏結(jié)和孿晶。其具體的組織形態(tài)主要取決于基體的碳含量，奧氏體溫度越高，原始組織越不穩(wěn)定，則奧氏體基體的碳含量越高，淬后組織中殘余奧氏體越多，片狀馬氏體越多，尺寸越大，亞結(jié)構(gòu)中孿晶的比例越大，且易形成淬火顯微裂紋。一般，基體碳含量低于0.3%時，馬氏體主要是位錯亞結(jié)構(gòu)為主的板條馬氏體；基體碳含量高于0.6%時，馬氏體是位錯和孿晶混合亞結(jié)構(gòu)的片狀馬氏體；基體碳含量為0.75%時，出現(xiàn)帶有明顯中脊面的大片狀馬氏體，且片狀馬氏體生長時相互撞擊處帶有顯微裂紋[8]。與此同時，隨奧氏體化溫度的提高，淬后硬度提高，韌性下降，但奧氏體化溫度過高則因淬后殘余奧氏體過多而導致硬度下降。
常規(guī)馬氏體淬火后的組織中殘余奧氏體的含量一般為6~15%，殘余奧氏體為軟的亞穩(wěn)定相，在一定的條件下（如回火、自然時效或零件的使用過程中），其失穩(wěn)發(fā)生分解為馬氏體或貝氏體。分解帶來的后果是零件的硬度提高，韌性下降，尺寸發(fā)生變化而影響零件的尺寸精度甚至正常工作。對尺寸精度要求較高的軸承零件，一般希望殘余奧氏體越少越好，如淬火后進行補充水冷或深冷處理，采用較高溫度的回火等[12~14]。但殘余奧氏體可提高韌性和裂紋擴展抗力，一定的條件下，工件表層的殘余奧氏體還可降低接觸應力集中，提高軸承的接觸疲勞壽命，這種情況下在工藝和材料的成分上采取一定的措施來保留一定量的殘余奧氏體并提高其穩(wěn)定性，如加入奧氏體穩(wěn)定化元素Si、Mn, 進行穩(wěn)定化處理等[15,16]。
2.2、常規(guī)馬氏體淬回火工藝
常規(guī)高碳鉻軸承鋼馬氏體淬回火為：把軸承零件加熱到830~860℃保溫后，在油中進行淬火，之后進行低溫回火。淬回火后的力學性能除淬前的原始組織、淬火工藝有關(guān)外，還很大程度上取決于回火溫度及時間。隨回火溫度升高和保溫時間的延長，硬度下降，強度和韌性提高。可根據(jù)零件的工作要求選擇合適的回火工藝：GCr15鋼制軸承零件：150~180℃；GCr15SiMn鋼制軸承零件：170~190℃。對有特殊要求的零件或采用較高溫度回火以提高軸承的使用溫度，或在淬火與回火之間進行-50~-78℃的冷處理以提高軸承的尺寸穩(wěn)定性，或進行馬氏體分級淬火以穩(wěn)定殘余奧氏體獲得高的尺寸穩(wěn)定性和較高的韌性。
不少學者對加熱過程中的轉(zhuǎn)變進行了研究[2，7~9,17]，如奧氏體的形成、奧氏體的再結(jié)晶、殘留碳化物的分布及使用非球化組織作為原始組織等。
G. Lowisch等[3，8]兩次奧氏體化后淬火的軸承鋼100Cr6的機械性能進行了研究：首先，進行1050℃奧氏體化并快冷至550℃保溫后空冷，得到均勻的細片狀珠光體，隨后進行850℃二次奧氏體化、淬油，其淬后組織中馬氏體及碳化物的尺寸細小、馬氏體基體的碳含量及殘余奧氏體含量較高，通過較高溫度的回火使奧氏體分解，馬氏體中析出大量的微細碳化物，降低淬火應力，提高硬度、強韌性和軸承的承載能力。在接觸應力的作用下，其性能如何，需進行進一步的研究，但可推測：其接觸疲勞性能應優(yōu)于常規(guī)淬火。
酒井久裕等[7]對循環(huán)熱處理后的SUJ2軸承鋼的顯微組織及機械性能進行了研究：先加熱到1000℃保溫0.5h使球狀碳化物固溶，然后，預冷至850℃淬油。接著重復1~10次由快速加熱到750℃、保溫1min后油冷至室溫的熱循環(huán)，最后快速加熱到680℃保溫5min油冷。此時組織為超細鐵素體加細密的碳化物（鐵素體晶粒度小于2μm、碳化物小于0.2μm），在710℃下出現(xiàn)超塑性（斷裂延伸率可到500%），可利用材料的這一特性進行軸承零件的溫加工成型。最后，加熱到800℃保溫淬油并進行160℃回火。經(jīng)這種處理后，接觸疲勞壽命L10比常規(guī)處理大幅度提高，其失效形式由常規(guī)處理的早期失效型變?yōu)槟p失效型。
軸承鋼經(jīng)820℃奧氏體化后在250℃進行短時分級等溫空冷，接著進行180℃回火，可使淬后的馬氏體中碳濃度分布更為均勻，沖擊韌性比常規(guī)淬回火提高一倍。因此，В.В.БЁЛОЗЕРОВ等提出把馬氏體的碳濃度均勻程度可作為熱處理零件的補充質(zhì)量標準[6]。
2.3、馬氏體淬回火的變形及尺寸穩(wěn)定性
馬氏體淬回火過程中，由于零件各個部位的冷卻不均勻，不可避免地出現(xiàn)熱應力和組織應力而導致零件的變形。淬回火后零件的變形（包括尺寸變化和形狀變化）受很多因素影響，是一個相當復雜的問題。如零件的形狀與尺寸、原始組織的均勻性、淬火前的粗加工狀態(tài)（車削時進刀量的大小、機加工的殘余應力等）、淬火時的加熱速度與溫度、工件的擺放方式、入油方式、淬火介質(zhì)的特性與循環(huán)方式、介質(zhì)的溫度等均影響零件的變形。國內(nèi)外對此進行了大量的研究，提出不少控制變形的措施，如采用旋轉(zhuǎn)淬火、壓模淬火、控制零件的入油方式等[11,13，18]。Beck等人的研究表明：由蒸氣膜階段向沸騰期的轉(zhuǎn)變溫度過高時，大的冷速而產(chǎn)生大的熱應力使低屈服點的奧氏體發(fā)生變形而導致零件的畸變。Lübben 等人認為變形是單個零件或零件之間浸油不均勻造成，尤其是采用新油是更易出現(xiàn)這種情形。Tensi等人認為：在Ms點的冷卻速度對變形起決定性作用，在Ms點及以下溫度采用低的冷速可減少變形。Volkmuth等人[13]系統(tǒng)研究了淬火介質(zhì)（包括油及鹽?。A錐滾子軸承內(nèi)外圈的淬火變形。結(jié)果表明：由于冷卻方式不同，套圈的直徑將有不同程度的“增大”，且隨介質(zhì)溫度的提高，套圈大小端的直徑增大程度趨于一致，即“喇叭”狀變形減小，同時，套圈的橢圓變形（單一徑向平面內(nèi)的直徑變動量Vdp、VDp）減??；內(nèi)圈因剛度較大，其變形小于外圈。
馬氏體淬回火后零件的尺寸穩(wěn)定性主要受三種不同轉(zhuǎn)變的影響[12,14]：碳從馬氏體晶格中遷移形成ε-碳化物、殘余奧氏體分解和形成Fe3C，三種轉(zhuǎn)變相互疊加。50~120℃之間，由于ε-碳化物的沉淀析出，引起零件的體積縮小，一般零件在150℃回火后已完成這一轉(zhuǎn)變，其對零件以后使用過程中的尺寸穩(wěn)定性的影響可以忽略；100~250℃之間，殘余奧氏體分解，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體，將伴隨著體積漲大；200℃以上，ε-碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)化，導致體積縮小。研究也表明：殘余奧氏體在外載作用下或較低的溫度下（甚至在室溫下）也可發(fā)生分解，導致零件尺寸變化。因此，在實際使用中，所有的軸承零件的回火溫度應高于使用溫度50℃，對尺寸穩(wěn)定性要求較高的零件要盡量降低殘余奧氏體的含量，并采用較高的回火溫度。
3、貝氏體等溫淬火
3.1、貝氏體淬火的組織與力學性能
高碳鉻軸承鋼經(jīng)下貝氏體淬火后，其組織由下貝氏體、馬氏體和殘余碳化物組成。其中貝氏體為不規(guī)則相交的條片，條片為碳過飽和的α結(jié)構(gòu)，其上分布著與片的長軸成55~60°的粒狀或短桿狀的碳化物，空間形態(tài)為凸透鏡狀，亞結(jié)構(gòu)為位錯纏結(jié)，未發(fā)現(xiàn)有孿晶亞結(jié)構(gòu)。貝氏體的數(shù)量及形態(tài)因工藝條件不同而各異。隨淬火溫度的升高，貝氏體條變長；等溫溫度升高，貝氏體條變寬，碳化物顆粒變大，且貝氏體條之間的相交的角度變小，逐趨向于平行排列，形成類似與上貝氏體的結(jié)構(gòu)；貝氏體轉(zhuǎn)變是一個與等溫轉(zhuǎn)變時間有關(guān)的過程，等溫淬火后的貝氏體量隨等溫時間的延長而增加[5,19]。
高碳鉻軸承鋼下貝氏體組織能提高鋼的比例極限、屈服強度、抗彎強度和斷面收縮率，與淬回火馬氏體組織相比，具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性及尺寸穩(wěn)定性，表面應力狀態(tài)為壓應力，高的門坎值ΔKth和低的裂紋擴展速度da/dN則代表貝氏體組織不易萌生裂紋，已有的裂紋或新萌生的裂紋也不易擴展[2,19,20]。
一般認為,全貝氏體或馬/貝復合組織的耐磨性和接觸疲勞性能低于淬火低溫回火馬氏體，與相近溫度回火的馬氏體組織的耐磨性和接觸疲勞性能相近或略高。但潤滑不良條件下(如煤漿或水這類介質(zhì))，全BL組織呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，具有比低溫回火的M組織還要高的接觸疲勞壽命，如水潤滑時全BL組織的L10=168h，回火M組織的L10=52h[21]。
3.2、應用效果
BL組織的突出特點是沖擊韌性、斷裂韌性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性好，表面殘余應力為壓應力。因此適用于裝配過盈量大、服役條件差的軸承，如承受大沖擊負荷的鐵路、軋機、起重機等軸承，潤滑條件不良的礦山運輸機械或礦山裝卸系統(tǒng)、煤礦用軸承等。高碳鉻軸承鋼BL等溫淬火工藝已在鐵路、軋機軸承上得到成功應用，取得了較好效果。
(1)擴大了GCr15鋼應用范圍，一般地GCr15鋼M淬火時套圈有效壁厚在12mm以下，但BL淬火時由于硝鹽冷卻能力強，若采用攪拌、串動、加水等措施，套圈有效壁厚可擴大至28 mm左右。
(2)硬度穩(wěn)定、均勻性好
由于BL轉(zhuǎn)變是一個緩慢過程，一般GCr15鋼需4h，GCr18Mo鋼需5h，套圈在硝鹽中長時間等溫，表面心部組織轉(zhuǎn)變幾乎同時進行，因此硬度穩(wěn)定、均勻性好，一般GCr15鋼BL淬火后硬度在59～61HRC,均勻性≤1 HRC，不象M 淬火時套圈壁厚稍大一些就出現(xiàn)硬度低、軟點、均勻性差等問題。
(3)減少淬火、磨削裂紋
在鐵路、軋機軸承生產(chǎn)中，由于套圈尺寸大、重量重，油淬火時M組織脆性大，為使淬火后獲得高硬度常采取強冷卻措施，結(jié)果導致淬火微裂紋；由于M淬火后表面為拉應力，在磨加工時磨削應力的疊加使整體應力水平提高，易形成磨削裂紋，造成批量廢品。而BL淬火時，由于BL組織比M組織韌性好得多，同時表面形成高達-400～-500MPa的壓應力，極大地減小了淬火裂紋傾向[19]；在磨加工時表面壓應力抵消了部分磨削應力，使整體應力水平下降，大大減少了磨削裂紋。
?。?）軸承使用壽命提高
對于承受大沖擊載荷的鐵路、軋機軸承等，經(jīng)M淬火后使用時主要失效形式為：裝配時內(nèi)套開裂，使用過程中受沖擊外圈擋邊掉塊、內(nèi)圈碎裂，而等溫淬火軸承由于沖擊韌性好、表面壓應力，無論裝配時內(nèi)套開裂，還是使用過程中外套擋邊掉塊、內(nèi)套碎裂傾向性大大減小，且可降低滾子的邊緣應力集中。因此，經(jīng)等溫淬火后比M淬火后平均壽命及可靠性提高。
SKF公司把高碳鉻軸承鋼貝氏體等溫淬火工藝主要應用于鐵路軸承、軋機軸承以及在特殊工況下使用的軸承，同時開發(fā)了適合于貝氏體淬火的鋼種（SKF24、SKF25、100Mo7）[19]。其淬火時采用較長的等溫時間，淬后得到全下貝氏體組織。近來SKF又研制出一種新鋼種775V[22]，并通過特殊的等溫淬火得到更均勻的下貝氏體，淬后硬度增加的同時其韌性比常規(guī)等溫淬火提高60%，耐磨性提高了3倍，處理的套圈壁厚超過100mm。部分等溫后得到M/BL復合組織的性能尚有爭議，如BL的含量多少為最佳等。即使有一最佳含量，在生產(chǎn)實際中如何控制，且復合組織在等溫后還需進行一次附加回火，增加了生產(chǎn)成本。FAG公司主要采用貝氏體分級淬火工藝，其具體的工藝狀況不詳。
4、滲碳、滲氮及碳氮共滲
4.1、低碳鋼滲碳、滲氮及碳氮共滲
滲碳是傳統(tǒng)的表面化學熱處理工藝，滲碳鋼（低碳低合金鋼、低碳高合金高溫滲碳鋼）經(jīng)滲碳淬火后表面高硬耐磨、心部強韌。滲碳工藝發(fā)展一方面是滲碳介質(zhì)的改進，如加入增加滲速的添加劑，采用強滲--擴散的交替循環(huán)工藝提高滲速、改善滲層組織等。
隨著真空技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了真空低壓滲碳及等離子滲碳。易普森等公司[23]開發(fā)的乙炔低壓滲碳工藝是在10mbar以下的低壓下，以乙炔為滲碳介質(zhì)在真空爐內(nèi)進行。其特點是滲速快、滲層均勻、碳黑少、滲后工件光亮；另外，對滲層要求較薄的沖壓滾針軸承類零件碳氮共滲或滲碳而言，滲層深度、成分的控制及如何提高滲速更是一大難題，采用真空低壓滲碳技術(shù)將有利用解決這些問題。
對高合金滲碳鋼進行等離子滲碳可提高滲速、減少表面粗大碳化物的形成[24]。對低碳鋼制滾針軸承內(nèi)外圈及保持架采用滲氮或碳氮共滲，可提高其耐磨性及耐蝕性、降低摩擦系數(shù)。
4.2、高碳鉻軸承鋼的滲碳或碳氮共滲
高碳鉻軸承鋼一般是整體淬硬，淬后的殘余應力為表面拉應力狀態(tài)，易造成淬火裂紋、降低軸承的使用性能。通過對其進行滲碳、滲氮或碳氮共滲，提高表層的碳、氮含量，降低表面層的Ms點，在淬火過程中表面后發(fā)生轉(zhuǎn)變而形成表面壓應力，提高耐磨性及滾動接觸疲勞性能[25，26]。最近的研究還表明：高碳鉻軸承鋼經(jīng)滲碳或碳氮共滲后還可提高軸承在污染條件下的接觸疲勞壽命[25~27]。一般，在淬火加熱時，通過控制氣氛的碳（氮）勢，可達到以上目的。但如果對高碳鉻軸承鋼進行超常滲碳（碳勢>2%），則必須加大加工余量，去除滲碳淬火后表層的粗大碳化物。
4.3、工藝控制
滲碳（滲氮或碳氮共滲）氣氛的檢測和控制是關(guān)鍵參數(shù)，最早是采用露點儀、CO2紅外分析儀，目前主要采用氧探頭來檢測碳勢（或氮勢），其反應速度快，可進行實時監(jiān)控，配合CO2紅外分析儀或其他測量措施（如易普森開發(fā)的HydroNit探頭[28]）可對碳勢（或氮勢）實行精確控制。
工藝控制的另一方面是滲碳（滲氮或碳氮共滲）過程的計算機模擬控制。碳在鋼中傳遞和擴散的計算機模擬開始于20世紀80年代，之后進一步開發(fā)了人機對話軟件（Carb-o-Prof），使人們可以現(xiàn)場計算不同鋼種在滲碳過程中任一時間碳的傳遞與擴散速度。該軟件考慮了溫度、碳勢等工藝參數(shù)變化的影響，可以實現(xiàn)所需的表面碳含量及滲層深度的工藝參數(shù)的計算，并能根據(jù)工藝過程中的參數(shù)發(fā)生的變化或出現(xiàn)的干擾自動調(diào)整碳勢、滲碳時間等工藝參數(shù)，以達到工件預定的要求。最近，又推出了“Carb-o-Prof-Expert”專家系統(tǒng)。該軟件集成了大多數(shù)滲碳鋼及滲碳淬火的物理冶金知識、設(shè)備性能、工件的技術(shù)要求等數(shù)據(jù)，只要向計算機輸入工件的鋼種、重量、幾何尺寸、淬透性、滲層要求及爐型等數(shù)據(jù)，計算機便會輸出一個滲碳工藝，并自動實現(xiàn)該工藝[29]。
5表面改性技術(shù)
5.1、離子注入
離子注人與其他表面強化技術(shù)相比，具有以下的顯著優(yōu)點：(1)離子注人后的零件，能很好地保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，不需要再做其它表面加工處理,很適合于航空軸承等精密零件生產(chǎn)的最后一道工序；(2)原則上不受冶金學或平衡相圖的限制，可根據(jù)零件的工作條件和技術(shù)要求，選擇需要的任何注人元素，注人劑量和能量，獲得預期的高耐磨性或耐腐蝕性等特殊要求的軸承表面，靈活性大，實用性強，對基體材料的選擇也可以適當放寬，從而可節(jié)省貴重的高合金鋼材和其它貴重金屬材料；(3)注入層與基體材料結(jié)合牢固可靠、無明顯界面，在使用中不會產(chǎn)生脫落和剝皮現(xiàn)象，這對提高軸承壽命和工作可靠性來說非常重要；(4)離子注人是一個非高溫過程，可以在較低的溫度下完成，零件不會發(fā)生回火、變形和表面氧化；（5）具有很好的可控性和重復性。歐美等國對離子注入進行了大量的研究[30~37]。
美國海軍實驗室從1979年起進行了軸承零件離子注入的研究，英國、丹麥和葡萄牙等國從1989年開始進行與美國海軍實驗室類似的工作。結(jié)果表明：注入鉻離子能顯著提高M50鋼的抗腐蝕性能，而且抗接觸疲勞性能也有所提高；此外還用注人硼離子來提高儀表軸承的抗磨損能力；對軸承鋼52100進行氮等離子源離子注入（PSⅡ）后在表面形成薄層氮化物，可提高軸承鋼的耐蝕性，用于代替昂貴的不銹鋼；對SUS440C不銹鋼球軸承進行氮、硼離子注入可減小球軸承微小擺動的微振磨損及軸承的灰塵排放，另外，對不銹鋼進行（Ti+N）或（Ta+N）等離子體浸沒離子注入（PSⅢ）可顯著提高其顯微硬度、耐磨性和壽命。
5.2、表面涂覆
表面涂覆技術(shù)包括：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、射頻濺射（RF）、離子噴涂（Plasma spraying coating, PSC）、化學鍍等[38~42]。PVD與CVD相比，其工藝過程中被處理工件的溫生低，鍍后不需再進行熱處理，再軸承零件的表面處理中得到較廣泛的應用。100Cr6、440C等鋼制軸承零件經(jīng)PVD、CVD或RF鍍TiC、TiN、TiAlN等后，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，降低表面摩擦系數(shù)。
SKF公司近年來開發(fā)了兩種涂鍍技術(shù)：一是采用PVD在軸承套圈及滾動體表面鍍硬度極高的金剛石結(jié)構(gòu)的碳（Diamond-Like Carbon, DLC），表面硬度比淬硬軸承鋼高40~80%、摩擦系數(shù)類似于PTFE或MoS2，具有自潤滑特性，且與基體結(jié)合良好、無剝落，軸承壽命、耐磨性大幅度提高，在斷油的情況下仍可正常工作，被稱為“NoWear bearing”[38]; 二是采用PSC在軸承的外圈外圓面噴涂一層100μm后的氧化鋁，使軸承的絕緣能力高達1000V以上，通過增加氧化鋁的厚度使軸承具有更高絕緣能力。涂鍍的氧化鋁與基體結(jié)合牢固，還可提高軸承的耐蝕性，鍍后的軸承（INSOCOATTM bearing）可像一般軸承一樣進行安裝[39]。
低溫離子滲硫是20世紀80年代后期出現(xiàn)的表面改性技術(shù)。其基本原理與離子滲氮相似，在一定的真空度下，利用高壓直流電使含硫氣體電離，生成的硫離子轟擊工件表面，在工件表面與鐵反應生成以FeS為主的10μm左右厚的硫化物層。硫化物是良好的固體潤滑劑，有效地降低鋼件接觸表面的摩擦系數(shù)，且隨載荷增大，摩擦系數(shù)進一步降低，因此可以大大提高重載下軸承的耐磨性，軸承的壽命可提高3倍左右。
低溫磷化與滲硫的作用相似。通過把工件放置于40℃的TAP溶液（磷酸十三烷酸脂）中浸滲4h可在工件表面獲得0.05~0.25μm厚的Fe2O3和Fe4(P2O7)3的表面層，降低摩擦系數(shù)、提高耐磨性。經(jīng)磷化的M50鋼軸承在短期斷油的情況下不出現(xiàn)卡死，提高了軸承的可靠性[36]。
擴散滲鉻是用氣體方法（粉末法）在850~1100℃進行，時間為1~9h，根據(jù)零件所用鋼種（ШХ15、95Х18、55СМ5ФА）及性能需要選用相應的溫度和時間，在軸承生產(chǎn)及修復中均可使用。滲后擴散層由Cr2(NC)3、(Cr, Fe)23C6及(Cr, Fe)7C3組成，層深16~27μm，硬度1650~1900HV。滲鉻并進行常規(guī)熱處理后，耐熱性、耐蝕性、耐磨性及接觸疲勞強度均明顯提高[42]。
6、表面加熱淬火
感應加熱表面淬火是使用較為廣泛的方法之一，原蘇聯(lián)對對這一工藝的理論和生產(chǎn)應用開展了較多的研究[43~48]，其主要應用場合分兩類：一是鐵路軸承的表面感應加熱淬火，采用新材料ШХ4鋼制的套圈經(jīng)感應加熱淬火后，表面為硬而耐磨的馬氏體組織，心部為韌性較好的索氏體、屈氏體，表面為高達500Mpa的壓應力，其使用壽命比ШХ15СГ制軸承高1倍，并且完全消除了套圈使用時突然脆斷的現(xiàn)象，提高了軸承的可靠性，性能與低碳鋼滲碳淬火相似，但成本遠低于后者。同時，也開發(fā)出相應的專用感應器和淬火設(shè)備，并把這一材料及感應淬火的成果推廣到要求耐磨和高韌性的軋機軸承等重載軸承；感應加熱表面淬火的另一應用是特大型軸承的熱處理，減少大型軸承套圈的淬火變形和硬度不均勻性，同時節(jié)省設(shè)備的投資費用。日本[47]把表面感應加熱淬火成功地應用于汽車等速完向節(jié)的熱處理，包括階梯軸、殼體內(nèi)表面及滾道的淬火均由特制的感應圈一次加熱完成。高頻熱處理和冷鍛技術(shù)的應用使生產(chǎn)成本大大降低，產(chǎn)品的可靠性也大幅度提高。
激光等高能束表面熱處理是近年來開發(fā)的新的熱處理方法[49~50]，使用較多的CO2激光束。通過激光加熱可獲得0.25~2.0mm的硬化層，與其他表面硬化方法相比，其具有硬化層深度及位置控制精確、無變形等優(yōu)點。高碳鉻軸承鋼零件經(jīng)表面激光硬化后淬硬層的馬氏體極細小、碳化物分布更均勻、殘余奧氏體極少，比一般淬回火具有更高硬度和滑動耐磨性。另外，激光等高能束還可作為表面涂覆工藝的熱源，一次可完成表面淬火和涂覆過程，尤其是近年來納米技術(shù)的發(fā)展，這一復合工藝過程在精密軸承零件的表面處理中將有廣闊的應用前景。
7、軸承熱處理裝備
7.1、退火設(shè)備
工業(yè)發(fā)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(jié)約能源，提高退火質(zhì)量。隨著軸承零件加工技術(shù)的發(fā)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(yè)發(fā)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(jié)材節(jié)能，降低成本。
7.2、常規(guī)馬氏體淬火的工裝設(shè)備
傳統(tǒng)的加熱設(shè)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(shè)備發(fā)展主要集中在以下幾個方面：
（1）自動化生產(chǎn)線
目前，國外采用的自動生產(chǎn)線按其結(jié)構(gòu)（或工件在爐中的運動方式）可分為：有馬弗網(wǎng)帶爐和無馬弗網(wǎng)帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐系列生產(chǎn)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(zhì)量均勻，有些生產(chǎn)線還配有在線檢測設(shè)備對處理后的工件進行變形或質(zhì)量檢測與控制，整條熱處理生產(chǎn)線可作為軸承自動生產(chǎn)線的一部分使用。不同的熱處理生產(chǎn)線根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點適用于不同類型和尺寸軸承零件的熱處理，如網(wǎng)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(jié)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(shè)備
感應加熱具有加熱速度快、節(jié)能等優(yōu)點，處理后的工件具有一些常規(guī)加熱所沒有的性能。設(shè)備體積小，易于集成到軸承生產(chǎn)線中，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
（4）真空爐
真空狀態(tài)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(huán)境污染問題，實現(xiàn)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(zhì)及裝備
淬火介質(zhì)可分為三大類：油基、水基和氣體淬火介質(zhì)。
油基淬火介質(zhì)是最常用的淬火介質(zhì)。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(fā)性的真空淬火油。油基淬火介質(zhì)的缺點是淬火過程中產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)生油煙，清洗方便，無污染，是淬火介質(zhì)的發(fā)展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介質(zhì)，需對溶液經(jīng)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(zhì)（常用的氮氣），把壓縮氣體通過特殊設(shè)計的噴嘴噴射到工件表面實現(xiàn)工件的淬火冷卻。通過調(diào)節(jié)氣體的壓力和噴嘴的結(jié)構(gòu)可以控制冷卻特性和變形，如Tinscher等人的研究[11]表明：當?shù)獨獾牧魉龠_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(zhì)，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(guān)鍵技術(shù)是噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
淬火冷卻裝備是除淬火介質(zhì)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(shù)控制，如油溫、油的冷卻特性、油的循環(huán)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(jù)檢測結(jié)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(zhì)的冷卻逐步由水循環(huán)冷卻改為全風冷，利用空氣作為冷卻介質(zhì)節(jié)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(diào)節(jié)及張緊（或壓力）的調(diào)節(jié)等動作，微機控制，生產(chǎn)節(jié)拍可調(diào)，可作為軸承自動生產(chǎn)線的一部分適用。
（6）清洗設(shè)備
清洗通常是油淬后的必備工序。連續(xù)生產(chǎn)線所用的清洗設(shè)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(shè)備中，在烘干前還加有二次冷卻裝置（配有制冷設(shè)備，溫度在5~10℃之間可調(diào)），以減少殘余奧氏體的含量，提高尺寸穩(wěn)定性。
真空清洗是近年來發(fā)展起來的清洗設(shè)備。其利用淬火油等揮發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生的爆破力破壞污漬和工件的結(jié)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(fā)出來并進行真空快速干燥。該類清洗設(shè)備的優(yōu)點是：清洗效果好，尤其是對結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)省回火費用。
7.3、貝氏體等溫淬火裝備
根據(jù)軸承加工的特點，所使用的設(shè)備主要有兩大類：自動生產(chǎn)線和周期爐。
（1）自動生產(chǎn)線： 品種少、批量大的軸承適合自動化生產(chǎn)，如鐵路軸承的生產(chǎn)多使用自動生產(chǎn)線。自動生產(chǎn)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(shè)備按運送工件的動作又可分為三類：轉(zhuǎn)底、推盤及輸送帶式。由愛協(xié)林公司開發(fā)的轉(zhuǎn)底、推盤式等溫淬火設(shè)備是把轉(zhuǎn)底或推盤機構(gòu)置于等溫鹽浴中，工件按一定的節(jié)拍進出，記憶控制順序出料，動作由PLC程序控制，該類設(shè)備自動化程度高，投資大；由沙菲公司開發(fā)的輸送帶式等溫淬火自動線與目前普遍使用的網(wǎng)帶式保護氣氛淬火自動線結(jié)構(gòu)原理相似，只是所用淬火介質(zhì)為鹽浴，這類設(shè)備一般只適用于小尺寸的零件。
（2）周期式等溫淬火設(shè)備：軋機軸承由于品種多、批量小，中小型軋機軸承生產(chǎn)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(jié)合為一體,避免了由加熱設(shè)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(tǒng),避免了殘鹽的環(huán)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(shè)備的尺寸限制。目前，在貝氏體等溫淬火大力推廣之際，該設(shè)備具有很大的推廣價值。
3.4 保護氣氛及控制
隨著對工件淬火后表面質(zhì)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(nèi)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(jīng)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(xiàn)了把空氣和碳氫化合物直接通入高于800°C爐膛內(nèi)的產(chǎn)氣方法，即直生式氣氛。通過研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)合CO2 分析儀進行碳勢控制是可以實現(xiàn)的。直生式氣氛的主要優(yōu)點是大量節(jié)省了原料氣消耗量，據(jù)統(tǒng)計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續(xù)性氣氛爐，其原料氣消耗節(jié)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(zhì)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(xiàn)全自動化，有時甚至會影響正常生產(chǎn)。鑒于上述原因，Ipsen開發(fā)了一個雙重測量系統(tǒng)。 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(tǒng)用于檢測這個氧探頭的工作狀況，即這兩個系統(tǒng)分別測量氣氛的碳勢，當結(jié)果出現(xiàn)很大偏差時，就會報警。這第二個測量系統(tǒng)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(tǒng)。
