轴承钢制典型零件淬火畸变的综合控制
时间：2010-12-20
轴承钢制典型零件淬火畸变的综合控制
本文叙述的是一个重要传动零件(如图1所示) ，其整体硬度要求为58 ～62 HRC。
从结构上看，其左端80mm 外圆处为零件的重要加工基准，这部分呈环形开口结构，
由于缺乏内部支撑，在热处理的淬火过程中会出现明显的形状和尺寸变化。由于机
械加工在某装置上预留的径向加工余量仅为0.10mm，所以需要对其淬火畸变加以严
格控制。另外，此零件还具有外螺纹和内花键等结构，由于该零件在淬火后已呈高
硬度状态，无法在淬火后进行补充加工，所以这些结构在淬火前就已加工至最终尺寸。
机加工方面对热处理淬火工序提出允许的淬火畸变量如表1所示。
注：外螺纹和内花键部分在淬火前后进行检验时，分别使用的是同样规格的量具，
故其允许的名义淬火畸变量为零。
一、影响淬火畸变的因素
1. 内应力的影响
在通常情况下，淬火零件的畸变包括尺寸变化和几何形状变化，但不论哪种畸变，
主要都是由于淬火时零件内部产生的内应力所造成的。根据内应力形成原因的不
同，又分为热应力与组织应力。零件的淬火畸变主要就是这两种应力综合影响的
结果，如果应力大于材料的屈服极限，就会发生永久性畸变。淬火冷却是热应力
与组织应力发生最集中的时段，特别是当淬火剂不纯或冷却能力太强时，引起的
内应力更大，畸变也就更为严重。在零件淬火冷却的前期，主要是热应力起作用；
在淬火冷却的后期，起主导作用的是组织应力。对于钢来说，由于其Ms 点
较低，残余奥氏体较多，故其淬火畸变主要是热应力畸变。
2. 零件尺寸和形状的影响
一般说来，如果零件截面比较对称，厚薄相差不大时，则其畸变比较规则、均匀。
反之则零件淬火时除了表里冷却不同外，零件各个部位间的冷却也很不均匀，棱
角及薄边部分冷却较快，而凹陷或沟槽处冷却较慢。由此可以得出这样的结论：
截面形状不对称的零件在热应力作用下，畸变表现为向快冷面凸起；在慢冷面未
淬透的条件下，畸变也将如此；而在慢冷面能淬透的条件下，零件在组织应力的
作用下畸变表现为向慢冷面凸起。
对于上述的零件，由于零件的各部分薄厚不均，在加热和冷却时，各部分结构之
间存在着较大的温度差，淬火畸变的倾向十分明显，所以在升温和冷却过程中应
采取相应的措施以减少畸变的程度。
3. 机械加工的影响
机械加工时，由于零件各部分加工的切削量不同，势必会造成零件的一部分受到
拉应力，而另一部分受到压应力。切削越多，这些应力也就越大。淬火前，如不
对这些应力加以消除，就会在淬火时发生额外的畸变。
4. 热处理工艺的影响
适度降低淬火温度可以使热应力和组织应力都相应地减小，因而可在一定程度上
避免零件发生畸变。另外，在冷却阶段，降低在Ms 点以下的冷却速度，也可减
少因组织应力而引起的畸变。
二、热处理工艺特性分析
零件选用的材料是钢GCr15Si Mn。这种材料在淬火组织中存在着两种亚稳
定组织―――马氏体和残余奥氏体，且有自发转化或诱发转化为稳定组织的趋势。
同时，零件在淬火后处于高应力状态，在长时间存放或使用过程中，也极易引起
尺寸改变，丧失精度，甚至开裂。通过回火可以消除残余应力，防止开裂，并能
使亚稳组织转变为相对稳定的组织，从而稳定尺寸，提高韧性，获得良好的综合
力学性能。
三、为控制淬火畸变而制定的综合措施
1. 增加预备热处理工序
经过切削加工的零件，往往存在着较大的残余应力。对于畸变要求较严格的零件
来说，在最终淬火前的加工流程中，应进行多次去应力退火工序。对于该零件，
由于加工比较复杂，可在整个工艺流程中进行三次真空去应力退火，第一次的保
温温度为( 680 ±10) ℃，第二次和第三次的保温温度为( 640 ±10) ℃，三次
退火的保温时间均设定为2h，保温结束后均在真空炉的冷却室里进行冷却。
2. 采用合理的淬火参数及方法
为了避免淬火后零件发生氧化，影响其加工精度，所以最好采用真空炉作为淬火
加热设备。为减小热应力，淬火时的加热温度不易太高，时间不宜太长，冷却速
度不宜太快，并应尽量保持零件各部分温度均匀一致。所以相对合理的淬火工艺是：
先在再结晶温度附近(720 ～750 ℃) 预热30 ～40min，再随炉升至( 820 ±10)
℃这一下限淬火温度，保温时间缩短至40 ～50min，冷却方式采用油冷，此时可
将真空淬火油的温度升至60 ℃以上，以减小淬火畸变的倾向。在真空淬火时，还
可专门设计一个简易的淬火套圈对环形开口部位加以固定。零件在装夹时，可采用
大头向下、孔口朝上的装夹方式，大而厚的部分先入油，小而薄的部分后入油，这
样就可以进一步起到防止畸变的效果。
淬火后，为了尽可能减少残余奥氏体的含量，可迅速进行- 70 ℃以下的冷处理，
冷处理的时间为1. 5 ～2h。冷处理后，零件内的残余奥氏体的含量将会降至6%
以下，这样就可达到稳定零件尺寸的目的。冷处理后，零件应在油炉中进行回火，
回火的温度为( 180 ±20) ℃，保温时间为3 ～4h，冷却采用空冷的方式。综上
所述，本零件各热处理工序及其工艺曲线如图2 所示。
四、工艺效果
通过采用以上的改进措施，经过近10个批次的生产试验，该零件的外螺纹和内花
键这两个部位允许畸变量的合格率均为100 %，80mm 外圆对轴线跳动量以及其
尺寸变化量的合格率均超过了95% ，取得了较为满意的效果。
五、结语
在工业生产中，重要和关键的零件大多要进行淬火，淬火中零件发生畸变是不可
避免的，因此为了提高产品质量，降低废品率，减小淬火畸变是关键任务之一。
经过理论分析、制定相应的措施并付诸试验。笔者初步摸索出了一些减小畸变的
方法，并取得了一定的成效。