一, 熱處理技術發展概況

熱處理質量好壞直接關系著后續的加工質量以致最 終影響零件的使用性能及壽命，同時熱處理又是機械行業 的能源消耗大戶和污染大戶。近年來，隨著科學技術的進 步及其在熱處理方面的應用，熱處理技術的發展主要體現 在以下幾個方面：

（1）：熱處理: 熱處理過程中所形成的廢水、廢氣、廢鹽、 粉塵、噪聲及電磁輻射等均會對環境造成污染。解決熱處 理的環境污染問題，實行清潔熱處理（或稱綠色環保熱處 理）是發達國家熱處理技術發展的方向之一。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， 燃燒器結構的優化和空-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 是根據零件的使用要求、材料、結構尺寸，利用物理冶金知識及先進的計算機模擬和檢測技術，優化工藝參數，達 到所需的性能或最大限度地發揮材料的潛力；另一方面是 充分保證優化工藝的穩定性，實現產品質量分散度很?。ɑ? 為零）及熱處理畸變為零。

（3）：節能熱處理: 科學的生產和能源管理是能源有效利 用的最有潛力的因素，建立專業熱處理廠以保證滿負荷 生 產、充分發揮設備能力是科學管理的選擇。在熱處理能源 結構方面，優先選擇一次能源；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）：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量、減少畸變、提高壽命。

二, 滾動軸承零件熱處理技術

軸承零件的熱處理質量控制在整個機械行業是最為嚴 格的。軸承熱處理在過去的 30 來年里取得了很大的進步， 主要表現在以下幾個方面：熱處理基礎理論的研究；熱處 理工藝及應用技術的研究；新型熱處理裝備及相關技術的 開發。

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），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，根據過冷奧氏體的轉變特點，開發等 溫球化退火工藝：在加熱后快冷至 Ar1 以下某一溫度范圍 內（690~720℃）進行等溫，在等溫過程中完成奧氏體向鐵 素體和碳化物的轉變，轉變完成后可直接出爐空冷。該工 藝的優點是節省熱處理時間（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 常規馬氏體淬回火的組織與性能.近 20 年來，常規的 高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火工藝的發展主要分兩個方 面：一方面是開展淬回火工藝參數對組織和性能的影響， 如淬回火過程中的組織轉變、殘余奧氏體的分解、淬回火 后的韌性與疲勞性能等；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、尺寸穩定性等。常規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，馬氏體的組織形態又可分為兩類：在 金相顯微鏡下（放大倍數一般低于 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—棗核狀馬氏體（軸承行業上所謂的隱晶馬氏體、 結晶馬氏體）；在高倍電鏡下，其亞結構可分為位錯纏結 和孿晶。其具體的組織形態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，亞結構中孿晶的比例越大，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 亞結構為主的板條馬氏體；基體碳含量高于 0.6%時，馬氏 體是位錯和孿晶混合亞結構的片狀馬氏體；基體碳含量為 0.75%時，出現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。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 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），其失穩發生分解為馬氏 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。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 提高其穩定性，如加入奧氏體穩定化元素 Si、Mn, ；進行 穩定化處理等。

2.2 常規馬氏體淬回火工藝.常規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?？筛鶕慵墓ぷ饕筮x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定性，或進行 馬氏體分級淬火以穩定殘余奧氏體獲得高的尺寸穩定性和 較高的韌性。不少學者對加熱過程中的轉變進行了研究， 如奧氏體的形成、奧氏體的再結晶、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于常規淬火。酒井久裕等[7] 對循環熱處理后的 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，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 2μ m、碳化物小于 0.2μ m）， 在 710℃下出現超塑性（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。經這種處理后，接觸 疲勞壽命 L10 比常規處理大幅度提高，其失效形式由常規 處理的早期失效型變為磨損失效型。軸承鋼經 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 充質量標準。

2.3 馬氏體淬回火的變形及尺寸的穩定性.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（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、淬火介質的特性與循環方式、介質的 溫度等均影響零件的變形。國內外對此進行了大量的研究， 提出不少控制變形的措施，如采用旋轉淬火、壓模淬火、 控制零件的入油方式等。Beck 等人的研究表明：由蒸氣膜 階段向沸騰期的轉變溫度過高時，大的冷速而產生大的熱 應力使低屈服點的奧氏體發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 等人系統 研究了淬火介質（包括油及鹽?。A錐滾子軸承內外圈的淬火變形。結果表明：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（單一徑向平面內的直徑變動量 Vdp、 VDp）減??；內圈因剛度較大，其變形小于外圈。馬氏體淬 回火后零件的尺寸穩定性主要受三種不同轉變的影響：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變，其對零件以后使用過程中的 尺寸穩定性的影響可以忽略 100~250℃之間，殘余奧氏體 分解，轉變為馬氏體或貝氏體，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。