張春寶，劉榮格，曹海軍

浙江為尚機(jī)械有限公司 浙江湖州 313000

1 序言

硝酸鉀（KNO3）與亞硝酸鈉（NaNO2）按一定比例混合制成的淬火冷卻介質(zhì)，在熱處理行業(yè)普遍認(rèn)為是理想的淬火冷卻介質(zhì)，與其他淬火冷卻介質(zhì)的淬火過程相比，該淬火冷卻介質(zhì)在淬火過程中沒有蒸汽膜階段，高溫冷卻速度快，低溫冷卻速度慢，工作溫度高，對于熱處理組織和變形控制非常有利。硝鹽作為淬火冷卻介質(zhì)，硝鹽內(nèi)水分含量的多少直接影響其最大冷卻速度，會對淬火、回火質(zhì)量造成直接的影響[1，2]。

軸承套圈熱處理質(zhì)量關(guān)注最多的為硬度、金相組織和變形。隨著淬火時(shí)冷卻速度的變化，硬度、金相組織和變形也會有些不同。冷卻速度慢，容易產(chǎn)生屈氏體組織，影響最終硬度和耐磨性，導(dǎo)致軸承成品早期失效；冷卻速度快，雖然會減少屈氏體生成的可能性，但是也會在一定程度上增加變形的概率，使后續(xù)磨削加工效率降低且產(chǎn)生廢品的可能性增加。因此，合適的冷卻速度選擇或冷卻工藝的設(shè)計(jì)，是保證獲得軸承套圈良好淬回火質(zhì)量的關(guān)鍵。

本文以軸承鋼GCr15硝鹽淬火時(shí)硝鹽內(nèi)不同水分含量對軸承套圈淬回火質(zhì)量的影響為研究對象，闡述硝鹽內(nèi)水分含量的控制方法及其對軸承套圈金相組織、硬度、變形的影響，為軸承套圈硝鹽淬火時(shí)水分含量的控制提供參考。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用GCr15軸承鋼制成的直徑200mm、最大壁厚13.5mm、有效壁厚8.5mm的軸承套圈，其化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)軸承套圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

軸承套圈采用840℃×6min的節(jié)拍在輥棒爐內(nèi)加熱，冷卻工藝相同，具體熱處理工藝參數(shù)見表2。

表2 套圈熱處理工藝參數(shù)

根據(jù)相關(guān)資料，硝鹽中水分含量一般為0.3%～1.0%，硝鹽內(nèi)水分含量越多，零件冷卻速度越快[3-5]，用IVF冷卻特性儀在180℃硝鹽浴溫下檢測不同水分含量冷卻曲線如圖1所示。按淬火冷卻介質(zhì)供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整硝鹽的水分含量分別為0.5%和1.0%，將上述工件分兩組進(jìn)行試驗(yàn)，熱處理后的兩組工件，分別進(jìn)行硬度、金相組織（馬氏體、屈氏體）和變形量的檢測。

圖1 不同水分含量的硝鹽冷卻速度

3 試驗(yàn)與檢驗(yàn)分析

3.1 套圈淬回火組織檢測分析

將水分含量0.5%和1%硝鹽淬火后的套圈分別編號，沿套圈縱切取產(chǎn)品截面進(jìn)行鑲嵌、磨制、拋光，并用硝酸酒精腐蝕后進(jìn)行組織觀察，分別檢測套圈屈氏體組織和馬氏體組織情況，如圖2、圖3所示。套圈屈氏體組織、馬氏體組織良好，符合GB/T 34891—2017《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》要求。

圖2 淬回火套圈微觀組織（屈氏體）

圖3 淬回火套圈微觀組織（馬氏體）

顯微鏡下可以觀察到套圈顯微組織為細(xì)小結(jié)晶馬氏體、隱晶馬氏體、細(xì)小的碳化物顆粒彌散分布于馬氏體基體，水分含量0.5%硝鹽淬火一組中，偶爾可見細(xì)小針狀的冷卻不良型屈氏體組織，但其含量及組織形態(tài)遠(yuǎn)小于GB/T 34891—2017規(guī)定第三級別圖第一級，判定合格。

3.2 套圈淬回火硬度檢測分析

套圈端面洛氏硬度檢測結(jié)果見表3，水分含量0.5%和1%硝鹽淬火后的兩組產(chǎn)品分別取兩盤料盤，每盤選盤內(nèi)四個角落和中心各一件套圈（共20件），前后兩盤料盤前進(jìn)方向左前、右前、中間、左后及右后分別編號為1～5、1′～5′和a～e、a′～e′進(jìn)行檢測，產(chǎn)品硬度散差分別61.2～61.8HRC和61.5～62.0HRC，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的60～65HRC。

表3 套圈硬度檢測 （HRC）

3.3 套圈變形量的檢測

表4是對兩種水分含量下淬回火的工件隨機(jī)抽取20件的變形量的檢測結(jié)果。從檢測結(jié)果看，套圈的變形隨水分含量變化明顯，當(dāng)水分含量少時(shí)，由于介質(zhì)冷卻速度變緩使變形降低，合格率提升。

表4 不同水分含量淬回火時(shí)變形情況 （mm）

4 水分含量測量及研究

測量硝鹽中水分含量，比較常見的是烘干法。取10～20g的液態(tài)硝鹽，在樣品盤內(nèi)均勻放置，連同樣品盤一起稱重記錄為T1，然后將硝鹽連同樣品盤放入烘箱內(nèi)，在240～250℃充分烘烤4～5h，經(jīng)冷卻后硝鹽及樣品盤再次稱重記錄為T2，水分含量可表示為C，則可用算式表示為

水在硝鹽中一般以結(jié)晶水的形式存在，因水的沸點(diǎn)100℃遠(yuǎn)低于硝鹽的工作溫度170℃，所以添加的水分在熱作用下會逐漸蒸發(fā)脫離出來，從而使硝鹽內(nèi)的水分總含量呈明顯下降趨勢。

在軸承熱處理的冷卻工藝中，硝鹽的使用溫度是決定水分失去速度的一個重要因素。為了研究水分失去速度與硝鹽的溫度關(guān)系，在固定硝鹽溫度的條件下，調(diào)整硝鹽水分含量分別到1.0%和0.5%，經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，?h取樣，用鹵素天平快速檢測硝鹽中水分含量的變化情況，變化趨勢如圖4所示，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 硝鹽中水分含量變化情況

圖4 硝鹽中水分含量變化趨勢

通過硝鹽水分含量的變化趨勢可知，在一定時(shí)間內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，硝鹽水分含量逐漸降低，而且硝鹽初始水分含量越高，鹽浴溫度越高，水分含量下降速度越快，但當(dāng)硝鹽水分含量下降至一定程度后，水分含量變化趨于緩和，下降速度減緩變慢。

在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)軸承企業(yè)采用硝鹽淬火時(shí)，一般采用的是每班或每天加水的方法，每次加水后隨著熱處理加工的進(jìn)行，鹽的水分含量遞減。經(jīng)試驗(yàn)查證，鹽浴淬火輥棒爐每周期加工量、硝鹽內(nèi)初始水分含量和鹽浴溫度均對水分含量的降低速度有影響。圖5所示為初始水分含量為1.0%時(shí)，180℃工作條件下硝鹽失水趨勢。

圖5 硝鹽內(nèi)水分含量變化趨勢

每班或每天加水完成時(shí)水分比較高，隨著加工的延續(xù)，水分會逐漸減少，水分的波動比較大，產(chǎn)品質(zhì)量也會隨著波動，變形量及變形比例、金相組織（尤其屈氏體的含量）也出現(xiàn)一定的波動。

不同的加水方法，會使硝鹽內(nèi)水分控制在不同的范圍之內(nèi)。合理地控制水分波動極差，是優(yōu)化軸承套圈熱處理理化質(zhì)量和變形的關(guān)鍵。圖6所示為不同加水時(shí)間間隔下水分波動曲線。

圖6 不同間隔時(shí)間加水時(shí)水分變化對比

5 討論

根據(jù)分析，水分含量的變化會對軸承套圈淬回火理化性能和變形情況產(chǎn)生重要影響，且隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移，在一定范圍內(nèi)水分含量持續(xù)下降。因此在日常生產(chǎn)中，當(dāng)裝爐量、鹽浴溫度等工藝參數(shù)基本固化后，將鹽浴失水量與單位時(shí)間加水量平衡后，可實(shí)現(xiàn)硝鹽浴內(nèi)對水分含量的穩(wěn)定控制，達(dá)到穩(wěn)定淬回火產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

硝鹽浴的水分含量是指水重量占硝鹽總重量的比值，因此在計(jì)算加水量平衡鹽浴內(nèi)水分時(shí)，必須要清楚淬火鹽槽內(nèi)硝鹽的總量。

單位時(shí)間失水量M的計(jì)算式為

式中M——單位時(shí)間失水量（kg）；

W——硝鹽總量（kg）；

C——硝鹽初始水分含量（%）；

C1——單位時(shí)間失水后水分含量（%）。

將水分含量調(diào)整到期望值（C）以后，反復(fù)測量單位時(shí)間失水總量，如果希望硝鹽內(nèi)水分含量保持平衡，可以將單位時(shí)間內(nèi)失水總量M，通過補(bǔ)水機(jī)構(gòu)再添加到鹽槽。

經(jīng)過長時(shí)間的跟蹤嘗試，建立起以硝鹽水分含量為研究對象的方程式，通過不同的鹽浴工作溫度、不同裝爐裝載量、加熱周期時(shí)間等條件的變化，按每小時(shí)或者每個工步周期模擬加水量，以維持硝鹽水分的相對穩(wěn)定。經(jīng)數(shù)據(jù)摸索和積累，可以模擬出硝鹽水分含量變化的趨勢，甚至編寫成PLC控制程序，在上位機(jī)中設(shè)置自動管理。

6 結(jié)束語

1）硝鹽淬火時(shí)，硝鹽內(nèi)水分含量對軸承套圈金相組織、硬度和變形量都有較大的影響，在一定的工藝條件下，水分含量大時(shí)產(chǎn)生變形的傾向稍大，產(chǎn)生屈氏體的傾向較小。

2）合理的控制水分含量，必須控制單次加水量和加水時(shí)間間隔，熱處理車間應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)軸承產(chǎn)品的大小、壁厚、裝爐量以及產(chǎn)品熱處理技術(shù)要求，制定合理的水分控制范圍和加水操作規(guī)范。

3）控制硝鹽水分含量是工藝中的一個方面，在一定的水分含量內(nèi)，匹配合適的鹽槽攪拌速度，才能實(shí)現(xiàn)工藝的最佳設(shè)計(jì)。

4）硝鹽內(nèi)加水時(shí)，一定要保證加水裝置的穩(wěn)定性和加水計(jì)量裝置的精度，避免因裝置故障致使加水過多造成安全事故。

5）加水太少時(shí)，蒸發(fā)的水分得不到補(bǔ)充，使水分含量不斷降低，淬火產(chǎn)生屈氏體組織；加水過多時(shí)，易造成批量變形不良。因此，水分含量的多少需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際質(zhì)量情況平衡處理。

6）硝鹽一般工作溫度在170～230℃，而水的沸點(diǎn)為100℃，加水時(shí)必須注意安全，避免一次性加水過多發(fā)生安全事故。加水位置和攪拌的設(shè)計(jì)需要遵從設(shè)備廠商的建議與指導(dǎo)，應(yīng)嚴(yán)格避免形成封閉狀態(tài)水體而造成鹽爆事故。