一, 热处理技术发展概况

热处理质量好坏直接关系着后续的加工质量以致最 终影响零件的使用性能及寿命，同时热处理又是机械行业 的能源消耗大户和污染大户。近年来，随着科学技术的进 步及其在热处理方面的应用，热处理技术的发展主要体现 在以下几个方面：

（1）：热处理: 热处理过程中所形成的废水、废气、废盐、 粉尘、噪声及电磁辐射等均会对环境造成污染。解决热处 理的环境污染问题，实行清洁热处理（或称绿色环保热处 理）是发达国家热处理技术发展的方向之一。为减少 SO2、 CO、CO2、粉尘及煤渣的排放，已基本杜绝使用煤作燃料， 重油的使用量也越来越少，改用轻油的居多，天然气仍然 是最理想的燃料。燃烧炉的废热利用已达到很高的程度， 燃烧器结构的优化和空-燃比的严格控制保证了合理燃烧 的前提下，使 NOX 和 CO 降低到最低限度；使用气体渗碳、 碳氮共渗及真空热处理技术替代盐浴处理以减少废盐及含 CN-有毒物对水源的污染；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矿物油以减少油 污染。

（2）：精密热处理: 精密热处理有两方面的含义：一方面 是根据零件的使用要求、材料、结构尺寸，利用物理冶金知识及先进的计算机模拟和检测技术，优化工艺参数，达 到所需的性能或最大限度地发挥材料的潜力；另一方面是 充分保证优化工艺的稳定性，实现产品质量分散度很小（或 为零）及热处理畸变为零。

（3）：节能热处理: 科学的生产和能源管理是能源有效利 用的最有潜力的因素，建立专业热处理厂以保证满负荷 生 产、充分发挥设备能力是科学管理的选择。在热处理能源 结构方面，优先选择一次能源；充分利用废热、余热；采 用耗能低、周期短的工艺代替周期长、耗能大的工艺等。

（4）：无氧化热处理: 由采用保护气氛加热替代氧化气氛 加热到精确控制碳势、氮势的可控气氛加热，热处理后零 件的性能得到提高，热处理缺陷如脱碳、裂纹等大大减少， 热处理后的精加工留量减少，提高了材料的利用率和机加 工效率。真空加热气淬、真空或低压渗碳、渗氮、氮碳共 渗及渗硼等可明显改善质量、减少畸变、提高寿命。

二, 滚动轴承零件热处理技术

轴承零件的热处理质量控制在整个机械行业是最为严 格的。轴承热处理在过去的 30 来年里取得了很大的进步， 主要表现在以下几个方面：热处理基础理论的研究；热处 理工艺及应用技术的研究；新型热处理装备及相关技术的 开发。

1 .高碳铬轴承钢的退火: 高碳铬轴承钢的球化退火是为了获得铁素体基体上均匀分布着细、小、匀、圆的碳化物 颗粒的组织，为以后的冷加工及最终的淬回火作组织准备。 传统的球化退火工艺是在略高于 Ac1 的温度（如 GCr15 为 780~810℃）保温后随炉缓慢冷却（25℃/h）至 650℃以下 出炉空冷。该工艺热处理时间长（20h 以上），且退火后 碳化物的颗粒不均匀，影响以后的冷加工及最终的淬回火 组织和性能。之后，根据过冷奥氏体的转变特点，开发等 温球化退火工艺：在加热后快冷至 Ar1 以下某一温度范围 内（690~720℃）进行等温，在等温过程中完成奥氏体向铁 素体和碳化物的转变，转变完成后可直接出炉空冷。该工 艺的优点是节省热处理时间（整个工艺约 12~18h）, ；处 理后的组织中碳化物细小均匀。另一种节省时间的工艺是 重复球化退火：第一次加热到 810℃后冷却至 650℃，再加 热到 790℃后冷却到 650℃出炉空冷。该工艺虽可节省一定 的时间，但工艺操作较繁。

2.高碳铬轴承钢的马氏体淬回火:

2.1 常规马氏体淬回火的组织与性能.近 20 年来，常规的 高碳铬轴承钢的马氏体淬回火工艺的发展主要分两个方 面：一方面是开展淬回火工艺参数对组织和性能的影响， 如淬回火过程中的组织转变、残余奥氏体的分解、淬回火 后的韧性与疲劳性能等；另一方面是淬回火的工艺性能， 如淬火条件对尺寸和变形的影响、尺寸稳定性等。常规马氏体淬火后的组织为马氏体、残余奥氏体和未溶（残留） 碳化物组成。其中，马氏体的组织形态又可分为两类：在 金相显微镜下（放大倍数一般低于 1000 倍），马氏体可分 为板条状马氏体和片状马氏体两类典型组织，一般淬火后 为板条和片状马氏体的混合组织，或称介于二者之间的中 间形态—枣核状马氏体（轴承行业上所谓的隐晶马氏体、 结晶马氏体）；在高倍电镜下，其亚结构可分为位错缠结 和孪晶。其具体的组织形态主要取决于基体的碳含量，奥 氏体温度越高，原始组织越不稳定，则奥氏体基体的碳含 量越高，淬后组织中残余奥氏体越多，片状马氏体越多， 尺寸越大，亚结构中孪晶的比例越大，且易形成淬火显微 裂纹。一般，基体碳含量低于 0.3%时，马氏体主要是位错 亚结构为主的板条马氏体；基体碳含量高于 0.6%时，马氏 体是位错和孪晶混合亚结构的片状马氏体；基体碳含量为 0.75%时，出现带有明显中脊面的大片状马氏体，且片状马 氏体生长时相互撞击处带有显微裂纹。与此同时，随奥氏 体化温度的提高，淬后硬度提高，韧性下降，但奥氏体化 温度过高则因淬后残余奥氏体过多而导致硬度下降。常规 马氏体淬火后的组织中残余奥氏体的含量一般为 6~15%， 残余奥氏体为软的亚稳定相，在一定的条件下（如回火、 自然时效或零件的使用过程中），其失稳发生分解为马氏 体或贝氏体。分解带来的后果是零件的硬度提高，韧性下降，尺寸发生变化而影响零件的尺寸精度甚至正常工作。 对尺寸精度要求较高的轴承零件，一般希望残余奥氏体越 少越好，如淬火后进行补充水冷或深冷处理，采用较高温 度的回火等。但残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力， 一定的条件下，工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力 集中，提高轴承的接触疲劳寿命，这种情况下在工艺和材 料的成分上采取一定的措施来保留一定量的残余奥氏体并 提高其稳定性，如加入奥氏体稳定化元素 Si、Mn, ；进行 稳定化处理等。

2.2 常规马氏体淬回火工艺.常规高碳铬轴承钢马氏体淬 回火为：把轴承零件加热到 830~860℃保温后，在油中进 行淬火，之后进行低温回火。淬回火后的力学性能除淬前 的原始组织、淬火工艺有关外，还很大程度上取决于回火 温度及时间。随回火温度升高和保温时间的延长，硬度下 降，强度和韧性提高。可根据零件的工作要求选择合适的 回火工艺：GCr15 钢制轴承零件：150~180℃；GCr15SiMn 钢制轴承零件：170~190℃。对有特殊要求的零件或采用较 高温度回火以提高轴承的使用温度，或在淬火与回火之间 进行-50~-78℃的冷处理以提高轴承的尺寸稳定性，或进行 马氏体分级淬火以稳定残余奥氏体获得高的尺寸稳定性和 较高的韧性。不少学者对加热过程中的转变进行了研究， 如奥氏体的形成、奥氏体的再结晶、残留碳化物的分布及使用非球化组织作为原始组织等。G.Lowisch 等两次奥氏 体化后淬火的轴承钢 100Cr6 的机械性能进行了研究：首 先，进行 1050℃奥氏体化并快冷至 550℃保温后空冷，得 到均匀的细片状珠光体，随后进行 850℃二次奥氏体化、 淬油，其淬后组织中马氏体及碳化物的尺寸细小、马氏体 基体的碳含量及残余奥氏体含量较高，通过较高温度的回 火使奥氏体分解，马氏体中析出大量的微细碳化物，降低 淬火应力，提高硬度、强韧性和轴承的承载能力。在接触 应力的作用下，其性能如何，需进行进一步的研究，但可 推测：其接触疲劳性能应优于常规淬火。酒井久裕等[7] 对循环热处理后的 SUJ2 轴承钢的显微组织及机械性能进 行了研究：先加热到 1000℃保温 0.5h 使球状碳化物固溶， 然后，预冷至 850℃淬油。接着重复 1~10 次由快速加热到 750℃、保温 1min 后油冷至室温的热循环，最后快速加热 到 680℃保温 5min 油冷。此时组织为超细铁素体加细密的 碳化物（铁素体晶粒度小于 2μ m、碳化物小于 0.2μ m）， 在 710℃下出现超塑性（断裂延伸率可到 500%），可利用 材料的这一特性进行轴承零件的温加工成型。最后，加热 到 800℃保温淬油并进行 160℃回火。经这种处理后，接触 疲劳寿命 L10 比常规处理大幅度提高，其失效形式由常规 处理的早期失效型变为磨损失效型。轴承钢经 820℃奥氏 体化后在 250℃进行短时分级等温空冷，接着进行 180℃回火，可使淬后的马氏体中碳浓度分布更为均匀，冲击韧性 比常规淬回火提高一倍。因此，В .В .БЁЛОЗЕРОВ 等提出把马氏体的碳浓度均匀程度可作为热处理零件的补 充质量标准。

2.3 马氏体淬回火的变形及尺寸的稳定性.马氏体淬回火 过程中，由于零件各个部位的冷却不均匀，不可避免地出 现热应力和组织应力而导致零件的变形。淬回火后零件的 变形（包括尺寸变化和形状变化）受很多因素影响，是一 个相当复杂的问题。如零件的形状与尺寸、原始组织的均 匀性、淬火前的粗加工状态（车削时进刀量的大小、机加 工的残余应力等）、淬火时的加热速度与温度、工件的摆 放方式、入油方式、淬火介质的特性与循环方式、介质的 温度等均影响零件的变形。国内外对此进行了大量的研究， 提出不少控制变形的措施，如采用旋转淬火、压模淬火、 控制零件的入油方式等。Beck 等人的研究表明：由蒸气膜 阶段向沸腾期的转变温度过高时，大的冷速而产生大的热 应力使低屈服点的奥氏体发生变形而导致零件的畸变。 Lübben 等人认为变形是单个零件或零件之间浸油不均匀 造成，尤其是采用新油是更易出现这种情形。Tensi 等人 认为：在 Ms 点的冷却速度对变形起决定性作用，在 Ms 点 及以下温度采用低的冷速可减少变形。Volkmuth 等人系统 研究了淬火介质（包括油及盐浴）对圆锥滚子轴承内外圈的淬火变形。结果表明：由于冷却方式不同，套圈的直径 将有不同程度的“增大”，且随介质温度的提高，套圈大 小端的直径增大程度趋于一致，即“喇叭”状变形减小， 同时，套圈的椭圆变形（单一径向平面内的直径变动量 Vdp、 VDp）减小；内圈因刚度较大，其变形小于外圈。马氏体淬 回火后零件的尺寸稳定性主要受三种不同转变的影响：碳 从马氏体晶格中迁移形成 ε-碳化物、残余奥氏体分解和 形成 Fe3C，三种转变相互叠加。50~120℃之间，由于 ε碳化物的沉淀析出，引起零件的体积缩小，一般零件在 150℃回火后已完成这一转变，其对零件以后使用过程中的 尺寸稳定性的影响可以忽略 100~250℃之间，残余奥氏体 分解，转变为马氏体或贝氏体，将伴随着体积涨大；200℃ 以上，ε-碳化物向渗碳体转化，导致体积缩小。研究也表 明：残余奥氏体在外载作用下或较低的温度下（甚至在室 温下）也可发生分解，导致零件尺寸变化。因此，在实际 使用中，所有的轴承零件的回火温度应高于使用温度 50℃， 对尺寸稳定性要求较高的零件要尽量降低残余奥氏体的含 量，并采用较高的回火温度。