7 軸承熱處理裝備

7.1 退火設(shè)備

工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)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(kuò)（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(duì)保護(hù)氣氛退火的需求。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用保護(hù)氣氛退火，以減少退火后的機(jī)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(hù)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(gè)方面：

（1） 自動(dòng)化生產(chǎn)線

目前，國(guó)外采用的自動(dòng)生產(chǎn)線按其結(jié)構(gòu)（或工件在爐中的運(yùn)動(dòng)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(hù)氣氛（或可控氣氛）下加熱、淬火、后清洗（有時(shí)還進(jìn)行二次深冷）及回火均自動(dòng)完成。自動(dòng)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(cè)設(shè)備對(duì)處理后的工件進(jìn)行變形或質(zhì)量檢測(cè)與控制，整條熱處理生產(chǎn)線可作為軸承自動(dòng)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)體及小型套圈。

（2） 多用爐

多用爐把可控氣氛加熱和保護(hù)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(yīng)加熱淬回火設(shè)備

感應(yīng)加熱具有加熱速度快、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)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(xì)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(jī)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(jí)等溫油等系列淬火油以應(yīng)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)物附著在零件表面可減少零件淬火開裂的危險(xiǎn)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(duì)溶液經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試，定期添加有機(jī)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?dú)猓褖嚎s氣體通過特殊設(shè)計(jì)的噴嘴噴射到工件表面實(shí)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(dāng)?shù)獨(dú)獾牧魉龠_(dá)到100m/s時(shí)，其冷卻特性與油相近，當(dāng)對(duì)工件的表面的光亮度沒有特殊的要求時(shí)，可采用壓縮空氣作為淬火介質(zhì)，淬火時(shí)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(jì)。

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(guó)外對(duì)常用的淬火油槽實(shí)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(shí)把變形減小到最小程度。日本NSK等著名軸承公司對(duì)淬火油進(jìn)行定期或在線檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果添加所需的添加劑或更新淬火油；另一方面，對(duì)淬火后工件的變形進(jìn)行在線檢測(cè)，把變形超差的工件自動(dòng)分檢出去，進(jìn)行矯正后再進(jìn)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(fēng)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(dòng)淬火壓床也是國(guó)外普遍采用的淬火工裝，可自動(dòng)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(dòng)作，微機(jī)控制，生產(chǎn)節(jié)拍可調(diào)，可作為軸承自動(dòng)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(fēng)烘干等過程，并帶有油水分離裝置。先進(jìn)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(diǎn)下降和油、水、水蒸氣等有機(jī)液一起加熱其沸點(diǎn)亦下降的原理進(jìn)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(shí)產(chǎn)生的爆破力破壞污漬和工件的結(jié)合力，從而進(jìn)一步提高真空清洗的效果。在前室清洗后，進(jìn)入后真空室，通過抽真空將殘存的油和水蒸發(fā)出來并進(jìn)行真空快速干燥。該類清洗設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：清洗效果好，尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)環(huán)境有害的氯化物和石油類溶劑；自動(dòng)化程度高，且可利用清洗加熱替代低溫回火，節(jié)省回火費(fèi)用。

7.3貝氏體等溫淬火裝備

根據(jù)軸承加工的特點(diǎn)，所使用的設(shè)備主要有兩大類：自動(dòng)生產(chǎn)線和周期爐。

（1）自動(dòng)生產(chǎn)線：品種少、批量大的軸承適合自動(dòng)化生產(chǎn)，如鐵路軸承的生產(chǎn)多使用自動(dòng)生產(chǎn)線。自動(dòng)生產(chǎn)線主要由保護(hù)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(yùn)送工件的動(dòng)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(jī)構(gòu)置于等溫鹽浴中，工件按一定的節(jié)拍進(jìn)出，記憶控制順序出料，動(dòng)作由PLC程序控制，該類設(shè)備自動(dòng)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(dòng)線與目前普遍使用的網(wǎng)帶式保護(hù)氣氛淬火自動(dòng)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(jī)軸承由于品種多、批量小，中小型軋機(jī)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(gè)等溫槽。該配置投資少，適用性強(qiáng)，但勞動(dòng)強(qiáng)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(diǎn)進(jìn)行小批量多品種軸承零件的處理，克服了一般自動(dòng)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(jià)值。

7.4 保護(hù)氣氛及控制

隨著對(duì)工件淬火后表面質(zhì)量要求的提高，保護(hù)（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(hù)（或可控）氣氛加熱。20世紀(jì)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(yīng)形成一種含18～23%CO、37～42%H2、余量N2的保護(hù)氣氛。80年代，國(guó)際能源危機(jī)給世界經(jīng)濟(jì)以巨大沖擊，氮基氣氛應(yīng)運(yùn)而生，氮-甲醇?xì)夥盏慕M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?xì)浠衔镏苯油ㄈ敫哂?00°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(yīng)達(dá)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(jìn)行碳勢(shì)控制是可以實(shí)現(xiàn)的。直生式氣氛的主要優(yōu)點(diǎn)是大量節(jié)省了原料氣消耗量，據(jù)統(tǒng)計(jì)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(fèi)用70%左右。今天，全球約有300多臺(tái)套氣氛爐使用這種氣氛進(jìn)行滲碳、碳氮共滲、保護(hù)氣氛淬火等多種熱處理。

近幾年的實(shí)際應(yīng)用表明，氧探頭的使用壽命是不定的，氧探頭信號(hào)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(yùn)行工況的影響，而且漂移的開始及大幅度的漂移是不可預(yù)見的，所以由氧探頭測(cè)量的碳勢(shì)與實(shí)際值之間差異也是不可預(yù)見的。因此，人們定期校驗(yàn)其測(cè)量精度，例如，一個(gè)星期一次，用鋼箔定碳片來檢測(cè)氧探頭信號(hào)是否失真，這真是一個(gè)麻煩的工作，不利于爐子實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，有時(shí)甚至?xí)绊懻Ｉa(chǎn)。鑒于上述原因，Ipsen開發(fā)了一個(gè)雙重測(cè)量系統(tǒng)。

其中一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)氧探頭用于正常的控制碳勢(shì)，另一個(gè)獨(dú)立測(cè)量系統(tǒng)用于檢測(cè)這個(gè)氧探頭的工作狀況，即這兩個(gè)系統(tǒng)分別測(cè)量氣氛的碳勢(shì)，當(dāng)結(jié)果出現(xiàn)很大偏差時(shí)，就會(huì)報(bào)警。這第二個(gè)測(cè)量系統(tǒng)工作元件可以是CO2紅外分析儀，也可以是一個(gè)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(cè)量系統(tǒng)。