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、屈服強度、抗拉強度等方面的提高。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)動機零部件的使用壽命大大延長。

冷處理的原理

鋼奧氏體化加熱后淬火到室溫，奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼的硬度和強度明顯提高。鋼淬火冷卻時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(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(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，對零件的使用性能會產(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，從而起到彌散強化的作用，對無相變材料能使晶界發(fā)生畸變，從而增強基體性能。

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：殘奧降低；硬度提高；耐磨性提高；抗拉強度提高；細(xì)小碳化物析出，疲勞壽命提高等等。

例如：文獻[2]對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，試驗結(jié)果表明，試驗鋼經(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“低頭”現(xiàn)象。通過馬氏體相變、碳化物的析出使得試驗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[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：隨著深冷處理時間的延長，殘余奧氏體含量下降，滲碳層的表面硬度得以提高；同時深冷處理可提高其材料的抗拉強度，減少滲碳鋼的沖擊功。

幾個問題的探討

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）來平衡，對尺寸精度、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