轴承套圈淬火用硝盐水分控制研究

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编者按

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硝酸钾与亚硝酸钠1∶1混合制成的淬火冷却介质由于水分含量不同而有不同的冷却特性，所以其水分的控制至关重要。介绍了硝盐内不同水分含量对轴承套圈淬回火马氏体、屈氏体和变形的影响。通过试验，总结了一种硝盐内水分含量的控制方法，并用于指导生产。

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序 言

硝酸钾（KNO₃）与亚硝酸钠（NaNO₂）按一定比例混合制成的淬火冷却介质，在热处理行业普遍认为是理想的淬火冷却介质，与其他淬火冷却介质的淬火过程相比，该淬火冷却介质在淬火过程中没有蒸汽膜阶段，高温冷却速度快，低温冷却速度慢，工作温度高，对于热处理组织和变形控制非常有利。硝盐作为淬火冷却介质，硝盐内水分含量的多少直接影响其最大冷却速度，会对淬火、回火质量造成直接的影响。

轴承套圈热处理质量关注最多的为硬度、金相组织和变形。随着淬火时冷却速度的变化，硬度、金相组织和变形也会有些不同。冷却速度慢，容易产生屈氏体组织，影响最终硬度和耐磨性，导致轴承成品早期失效；冷却速度快，虽然会减少屈氏体生成的可能性，但是也会在一定程度上增加变形的概率，使后续磨削加工效率降低且产生废品的可能性增加。因此，合适的冷却速度选择或冷却工艺的设计，是保证获得轴承套圈良好淬回火质量的关键。本文以轴承钢GCr15硝盐淬火时硝盐内不同水分含量对轴承套圈淬回火质量的影响为研究对象，阐述硝盐内水分含量的控制方法及其对轴承套圈金相组织、硬度、变形的影响，为轴承套圈硝盐淬火时水分含量的控制提供参考。

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试验材料及方法

试验采用GCr15轴承钢制成的直径200mm、最大壁厚13.5mm、有效壁厚8.5mm的轴承套圈，其化学成分见表1。

表1  试验轴承套圈的化学成分（质量分数）   （%）

轴承套圈采用840℃×6min的节拍在辊棒炉内加热，冷却工艺相同，具体热处理工艺参数见表2。

表2  套圈热处理工艺参数

根据相关资料，硝盐中水分含量一般为0.3%~1.0%，硝盐内水分含量越多，零件冷却速度越快，用IVF冷却特性仪在180℃硝盐浴温下检测不同水分含量冷却曲线如图1所示。

图1  不同水分含量的硝盐冷却速度

按淬火冷却介质供应商的经验数据，调整硝盐的水分含量分别为0.5%和1.0%，将上述工件分两组进行试验，热处理后的两组工件，分别进行硬度、金相组织（马氏体、屈氏体）和变形量的检测。

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试验与检验分析

3.1套圈淬回火组织检测分析

将水分含量0.5%和1%硝盐淬火后的套圈分别编号，沿套圈纵切取产品截面进行镶嵌、磨制、抛光，并用硝酸酒精腐蚀后进行组织观察，分别检测套圈屈氏体组织和马氏体组织情况，如图2、图3所示。套圈屈氏体组织、马氏体组织良好，符合GB/T 34891—2017《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件 热处理技术条件》要求。

显微镜下可以观察到套圈显微组织为细小结晶马氏体、隐晶马氏体、细小的碳化物颗粒弥散分布于马氏体基体，水分含量0.5%硝盐淬火一组中，偶尔可见细小针状的冷却不良型屈氏体组织，但其含量及组织形态远小于GB/T 34891—2017规定第三级别图第一级，判定合格。

                  a）硝盐水分含量0.5%                       

 b）硝盐水分含量1.0%

图2 淬回火套圈微观组织（屈氏体）

a）硝盐水分含量0.5% 

      b）硝盐水分含量1.0%

图3 淬回火套圈微观组织（马氏体）

3.2套圈淬回火硬度检测分析

套圈端面洛氏硬度检测结果见表3。

表3    套圈硬度检测

水分含量0.5%和1%硝盐淬火后的两组产品分别取两盘料盘，每盘选盘内四个角落和中心各一件套圈（共20件），前后两盘料盘前进方向左前、右前、中间、左后及右后分别编号为1~5、1'~5'和a~e、a'~e'进行检测，产品硬度散差分别61.2~61.8HRC和61.5~62.0HRC，符合标准要求的60~65HRC。

3.3套圈变形量的检测

表4是对两种水分含量下淬回火的工件随机抽取20件的变形量的检测结果。从检测结果看，套圈的变形随水分含量变化明显，当水分含量少时，由于介质冷却速度变缓使变形降低，合格率提升。

表4  不同水分含量淬回火时变形情况

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水分含量测量及研究

测量硝盐中水分含量，比较常见的是烘干法。取10~20g的液态硝盐，在样品盘内均匀放置，连同样品盘一起称重记录为T1，然后将硝盐连同样品盘放入烘箱内，在240~250℃充分烘烤4~5h，经冷却后硝盐及样品盘再次称重记录为T2，水分含量可表示为C，则可用算式表示为

C=[（T1－T2）/T1]×100%

水在硝盐中一般以结晶水的形式存在，因水的沸点100℃远低于硝盐的工作温度170℃，所以添加的水分在热作用下会逐渐蒸发脱离出来，从而使硝盐内的水分总含量呈明显下降趋势。

在轴承热处理的冷却工艺中，硝盐的使用温度是决定水分失去速度的一个重要因素。为了研究水分失去速度与硝盐的温度关系，在固定硝盐温度的条件下，调整硝盐水分含量分别到1.0%和0.5%，经充分搅拌均匀后，每1h取样，用卤素天平快速检测硝盐中水分含量的变化情况，变化趋势如图4所示，具体数据见表5。

表5   硝盐中水分含量变化情况

图4 硝盐中水分含量变化趋势

通过硝盐水分含量的变化趋势可知，在一定时间内，随着时间的推移，硝盐水分含量逐渐降低，而且硝盐初始水分含量越高，盐浴温度越高，水分含量下降速度越快，但当硝盐水分含量下降至一定程度后，水分含量变化趋于缓和，下降速度减缓变慢。在实际生产中，大多数轴承企业采用硝盐淬火时，一般采用的是每班或每天加水的方法，每次加水后随着热处理加工的进行，盐的水分含量递减。经试验查证，盐浴淬火辊棒炉每周期加工量、硝盐内初始水分含量和盐浴温度均对水分含量的降低速度有影响。图5所示为初始水分含量为1.0%时，180℃工作条件下硝盐失水趋势。

图5  硝盐内水分含量变化趋势

每班或每天加水完成时水分比较高，随着加工的延续，水分会逐渐减少，水分的波动比较大，产品质量也会随着波动，变形量及变形比例、金相组织（尤其屈氏体的含量）也出现一定的波动。不同的加水方法，会使硝盐内水分控制在不同的范围之内。合理地控制水分波动极差，是优化轴承套圈热处理理化质量和变形的关键。图6所示为不同加水时间间隔下水分波动曲线。

图5  硝盐内水分含量变化趋势

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讨论

根据分析，水分含量的变化会对轴承套圈淬回火理化性能和变形情况产生重要影响，且随着生产时间的推移，在一定范围内水分含量持续下降。因此在日常生产中，当装炉量、盐浴温度等工艺参数基本固化后，将盐浴失水量与单位时间加水量平衡后，可实现硝盐浴内对水分含量的稳定控制，达到稳定淬回火产品质量的目的。

硝盐浴的水分含量是指水重量占硝盐总重量的比值，因此在计算加水量平衡盐浴内水分时，必须要清楚淬火盐槽内硝盐的总量。

单位时间失水量M的计算式为

M=W（C－C1）

式中 　M——单位时间失水量（kg）；

　        W——硝盐总量（kg）；

　         C——硝盐初始水分含量（%）；

　        C1——单位时间失水后水分含量（%）。

将水分含量调整到期望值（C）以后，反复测量单位时间失水总量，如果希望硝盐内水分含量保持平衡，可以将单位时间内失水总量M，通过补水机构再添加到盐槽。

经过长时间的跟踪尝试，建立起以硝盐水分含量为研究对象的方程式，通过不同的盐浴工作温度、不同装炉装载量、加热周期时间等条件的变化，按每小时或者每个工步周期模拟加水量，以维持硝盐水分的相对稳定。经数据摸索和积累，可以模拟出硝盐水分含量变化的趋势，甚至编写成PLC控制程序，在上位机中设置自动管理。

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结束语

1）硝盐淬火时，硝盐内水分含量对轴承套圈金相组织、硬度和变形量都有较大的影响，在一定的工艺条件下，水分含量大时产生变形的倾向稍大，产生屈氏体的倾向较小。

2）合理的控制水分含量，必须控制单次加水量和加水时间间隔，热处理车间应根据生产轴承产品的大小、壁厚、装炉量以及产品热处理技术要求，制定合理的水分控制范围和加水操作规范。

3）控制硝盐水分含量是工艺中的一个方面，在一定的水分含量内，匹配合适的盐槽搅拌速度，才能实现工艺的最佳设计。

4）硝盐内加水时，一定要保证加水装置的稳定性和加水计量装置的精度，避免因装置故障致使加水过多造成安全事故。

5）加水太少时，蒸发的水分得不到补充，使水分含量不断降低，淬火产生屈氏体组织；加水过多时，易造成批量变形不良。因此，水分含量的多少需根据生产实际质量情况平衡处理。

6）硝盐一般工作温度在170~230℃，而水的沸点为100℃，加水时必须注意安全，避免一次性加水过多发生安全事故。加水位置和搅拌的设计需要遵从设备厂商的建议与指导，应严格避免形成封闭状态水体而造成盐爆事故。

本文发表于《金属加工（热加工）》2021年第10期第76~79页，作者：浙江为尚机械有限公司  张春宝，刘荣格，曹海军。