冷處理在軸承鋼零件加工中的應(yīng)用

將淬火工件由常溫繼續(xù)冷卻到更低的溫度，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理操作稱為冷處理。冷處理的目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性，穩(wěn)定工件尺寸，主要用于軸承、工具以及部分滲碳件等。

一般把鋼鐵材料經(jīng)過普通的熱處理后進(jìn)一步冷卻到攝氏零度以下某一溫度(通常為0～-80℃）的處理方法稱為普通冷處理或冰冷（subzero）處理；而把低于-130℃以下(通常為-130～-196℃)的冷處理叫做深冷（cryogenic）處理，深冷處理又常稱為超低溫處理。

深冷處理是將被處理工件置于特定的、可控的低溫環(huán)境中，使材料的微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而達(dá)到提高或改善材料性能的一種技術(shù)。被處理材料在低溫環(huán)境下由于微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，宏觀上表現(xiàn)為材料的耐磨性、尺寸穩(wěn)定性、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等方面的提高。應(yīng)用行業(yè)包括航空航天、精密儀器儀表、摩擦偶件、工模具、量具、紡織機(jī)械零件、汽車工業(yè)和軍事科學(xué)等領(lǐng)域。深冷處理可以使得賽車、摩托車、輪船、滑雪撬、小型賽車等上的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的使用壽命大大延長(zhǎng)。

冷處理的原理

鋼奧氏體化加熱后淬火到室溫，奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度和強(qiáng)度明顯提高。鋼淬火冷卻時(shí)奧氏體要過冷到一定溫度才開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，此溫度稱為馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Ms)，降溫到更低的一定溫度完成馬氏體轉(zhuǎn)變，此溫度被稱為馬氏體終止轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Mf)（圖1）。鋼的碳含量、化學(xué)成分、奧氏體化加熱溫度等均影響奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是對(duì)于高碳鉻軸承鋼，淬火熱處理后一定存在部分殘余奧氏體和殘余應(yīng)力，對(duì)零件的使用性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響（過多的殘余奧氏體和殘余應(yīng)力導(dǎo)致尺寸不穩(wěn)定、容易產(chǎn)生磨削裂紋等）。冷處理能使鋼中奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并能改善鋼中殘余應(yīng)力的分布，析出更多的細(xì)小碳化物，從而起到彌散強(qiáng)化的作用，對(duì)無(wú)相變材料能使晶界發(fā)生畸變，從而增強(qiáng)基體性能。

圖1 鋼中馬氏體開始和終止轉(zhuǎn)變溫度和含碳量的關(guān)系

軸承鋼的冷處理

有關(guān)軸承鋼冷處理的研究也非常多，包括GCr15鋼、航空高溫軸承鋼、滲碳軸承鋼等，除了在韌性方面有所降低之外（沖擊韌性降低，最高降低21%^[1]），幾乎所有的研究都表明了冷處理的諸多優(yōu)點(diǎn)：殘奧降低；硬度提高；耐磨性提高；抗拉強(qiáng)度提高；細(xì)小碳化物析出，疲勞壽命提高等等。

例如：文獻(xiàn)[2]對(duì)一種以馬氏體為基體的航空軸承鋼（Cr-Co-Mo系高溫軸承鋼）開展了真空低壓滲碳及滲碳后熱處理工藝研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)鋼經(jīng)過“滲碳+淬火+深冷+回火+深冷+回火”后，得到了良好的組織性能，殘留奧氏體得到有效的控制、網(wǎng)狀碳化物得以消除、硬度梯度平緩且無(wú)“低頭”現(xiàn)象。通過馬氏體相變、碳化物的析出使得試驗(yàn)鋼的表面硬度相較于退火態(tài)初始硬度提高了20HRC。

滲碳熱處理工藝

文獻(xiàn)[3]研究了滲碳軸承鋼G20Cr2Ni4A經(jīng)滲碳、二次淬火及不同條件的深冷處理后力學(xué)性能：隨著深冷處理時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余奧氏體含量下降，滲碳層的表面硬度得以提高；同時(shí)深冷處理可提高其材料的抗拉強(qiáng)度，減少滲碳鋼的沖擊功。

幾個(gè)問題的探討

1）殘余奧氏體含量

軸承鋼中殘余奧氏體的含量要根據(jù)其服役條件（應(yīng)用工況）來(lái)平衡，對(duì)尺寸精度、耐磨性要求高，可能需要冷處理等工序嚴(yán)格控制奧氏體的含量。GB/T 34891—2017《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》規(guī)定的淬回火后的殘余奧氏體含量見下表。

表E.1 軸承零件常規(guī)回火后的殘余奧氏體含量

表E.2 軸承零件高溫回火后的殘余奧氏體含量

2）奧氏體穩(wěn)定化

這里主要是指奧氏體熱穩(wěn)定化，奧氏體在冷卻過程中因等溫停留而使繼續(xù)冷卻時(shí)的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低和殘余奧氏體量增多的相變遲滯現(xiàn)象。奧氏體熱穩(wěn)定化的確切機(jī)理還不是特別清晰，對(duì)軸承鋼的冷處理來(lái)說，主要是冷處理的工序問題，是在回火前還是回火后處理。需要根據(jù)機(jī)加工性能、力學(xué)性能和殘余奧氏體含量等綜合后確定熱處理工藝路線。

3）冷處理溫度

軸承鋼冷處理的學(xué)術(shù)研究上基本都是進(jìn)行深冷處理，文獻(xiàn)[4]給出的常用軸承零件的冷處理溫度見下表，因此，實(shí)際冷處理溫度還需要根據(jù)具體情況深入探討。

4）冷處理時(shí)間

冷處理保溫時(shí)間的長(zhǎng)短，有學(xué)者認(rèn)為：殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的量只取決于冷卻達(dá)到的溫度，在低溫下的保持時(shí)間無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)闅埩魥W氏體一馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)诘蜏乩鋮s的瞬間即完成，故不必在低溫保持，只需使工件從外到里冷透即可。也有人認(rèn)為：要根據(jù)工件的導(dǎo)熱性、體積、冷透所需的時(shí)間及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變穩(wěn)定情況等因素確定冷處理時(shí)間，冷處理時(shí)間長(zhǎng)的要比短的效果好，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間冷處理可以使鋼中的殘余奧氏體充分地轉(zhuǎn)變及更有利于碳化物粒子的形成，轉(zhuǎn)變完成后，零件的硬度不會(huì)再有明顯地變化。因此，冷處理保溫時(shí)間也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙國(guó)華，于文平，魏建勛. 深冷處理對(duì)GCr15組織和力學(xué)性能的影響[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25（1）：26-29.

[2]王會(huì),王昊杰,賈濤,等. 航空軸承鋼的真空低壓滲碳工藝[J].金屬熱處理，2020，45（1）：1-5.

[3]張玲,陳卉珍, 陳小超,等. 深冷處理對(duì)G20Cr2Ni4A滲碳軸承鋼力學(xué)性能的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備[J].2016,37(3):41-46.

[4] 劉秀蓮，羅燕，班君. 深冷處理原理及其在軸承零件加工中的應(yīng)用[J].哈爾濱軸承，2014,35（4）：36-37.

[5] 冷處理和深冷處理，金屬熱處理，2021.

[6] 樊東黎.鋼的冷處理和深冷處理[J].熱處理，2010,25（6）：1-6.

[7] 陳九龍,魯蘇皖,龔易愷,等.鋼鐵材料深冷處理的研究進(jìn)展[J].四川冶金，2020,42（4）：2-8.

[8] 陳葉青,吳益文，秦子威，等. 深冷處理對(duì)GCr15軸承鋼組織及力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2018，42（5）：55-58,62.