陳孟子倞

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海研究院

本文根據(jù)近年來(lái)軸承套圈熱處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)和軸承制造客戶的要求，復(fù)配考察了基礎(chǔ)油、催冷劑、抗氧劑、光亮劑等淬火油添加劑，研制了軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品。產(chǎn)品已成功應(yīng)用于邯鄲、聊城地區(qū)的軸承套圈熱處理工藝。

軸承是各類(lèi)裝備最重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)件之一，廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、精密機(jī)床、冶金設(shè)備、重型裝備等重大裝備領(lǐng)域以及各種新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[1，2]。有代表性的我國(guó)軸承產(chǎn)業(yè)集群的典型地區(qū)有：生產(chǎn)重大裝備類(lèi)軸承的黑龍江哈爾濱和遼寧瓦房店地區(qū)，河南洛陽(yáng)地區(qū)軸承及零部件產(chǎn)學(xué)研集群，浙江新昌、慈溪、常山等地的集群，山東聊城及河北邯鄲地區(qū)等[3，4]。

軸承套圈是軸承重要的組成部分，其材質(zhì)種類(lèi)眾多，傳統(tǒng)的軸承材料有碳鋼、GCr15軸承鋼等，近年來(lái)也有一些新型材料，如淬透性和強(qiáng)度更好的GCr15SiMo等[5]。軸承在熱處理過(guò)程中需要使用淬火油來(lái)完成熱處理過(guò)程，合理的熱處理工藝能使軸承套圈具有更高而均勻的硬度、良好的耐磨性和抗接觸疲勞性，故淬火油的性能經(jīng)常能夠決定軸承套圈的質(zhì)量[6]。目前，軸承套圈行業(yè)的熱處理工藝具有新的技術(shù)要求和發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為使用溫度在90 ℃左右，在冷淬火油加工工藝中屬于較高溫度，但是又低于一般的熱淬火油使用溫度；此外，新型熱處理工藝在要求零件淬火后達(dá)到一定硬度和淬硬層深的同時(shí)，還對(duì)變形量控制的要求十分嚴(yán)格。因此，需要配套開(kāi)發(fā)新型的軸承套圈專(zhuān)用淬火油。

山東聊城至河北邯鄲一帶的軸承廠是新型軸承生產(chǎn)技術(shù)的代表性廠商，在國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)具有一定的知名度和影響力。該地區(qū)典型的熱處理加工溫度在85 ～100 ℃，加工工件既有直徑50 mm以下的碳鋼軸承套圈，又有直徑50 mm以上的軸承鋼套圈，通常對(duì)屈氏體的金相組織要求不大于2級(jí)，且變形量要求不大于0.1%，此外還有較嚴(yán)格的光亮性要求。目前在熱處理油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0564—93中，適合軸承套圈熱處理工藝的淬火油類(lèi)別主要是快速光亮淬火油，但是這類(lèi)淬火油在幾方面與聊城、邯鄲等地區(qū)軸承套圈的新型熱處理工藝要求有一定偏差，其不足之處見(jiàn)表1。

表1 快速光亮淬火油在新型軸承套圈熱處理工藝中的不足之處

軸承套圈熱處理工藝對(duì)冷速的要求決定了配套淬火油應(yīng)具有貼合工藝要求的特定冷卻性能。本文針對(duì)以聊城、邯鄲為代表的軸承套圈新型熱處理工藝的要求，研發(fā)新型軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品。

產(chǎn)品性能及主要技術(shù)指標(biāo)

軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品的主要性能

擬研制的軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品具有以下主要性能：

◇具有優(yōu)異的冷卻性能，冷卻速度貼合新型軸承套圈熱處理工藝要求，淬火后工件可獲得足夠的表面硬度和淬硬層深，同時(shí)可以將變形量控制在要求的范圍內(nèi)；

◇光亮性好，淬火工件表面光潔度符合產(chǎn)品要求；

◇具有良好的抗氧化性能，使用壽命長(zhǎng)。

軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，聊城、邯鄲的軸承套圈所需要的淬火油大致可分為3個(gè)黏度級(jí)別。新型軸承加工工藝對(duì)淬火油的要求見(jiàn)表2。

表2 新型軸承加工工藝對(duì)淬火油的要求

針對(duì)上述技術(shù)要求，確定擬開(kāi)發(fā)的軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列包括A、B、C三個(gè)產(chǎn)品。按照現(xiàn)場(chǎng)工藝要求、相應(yīng)軸承套圈的技術(shù)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 0564的指標(biāo)，制定了各產(chǎn)品的研制指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3 軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法

另外，在淬火油和軸承熱處理行業(yè)內(nèi)，通行另一種冷卻性能測(cè)試方法ISO 9950。考慮到行業(yè)內(nèi)這種方法的承認(rèn)程度較高，本文在研制過(guò)程中注重這一方法，試驗(yàn)溫度選擇和工藝要求同樣的90 ℃溫度，參考指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品的ISO9950冷卻性能參考指標(biāo)

產(chǎn)品研制過(guò)程

基礎(chǔ)油選擇

根據(jù)工藝技術(shù)要求，選擇高黏度指數(shù)溶劑精制基礎(chǔ)油a與b按混合比例1、2、3分別調(diào)配作為軸承套圈專(zhuān)用淬火油A、B、C的基礎(chǔ)油，確保產(chǎn)品的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)等指標(biāo)均在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。所選基礎(chǔ)油典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 基礎(chǔ)油典型數(shù)據(jù)

催冷劑的選擇

為了滿足各種淬火油的冷卻性能技術(shù)指標(biāo)要求，必須在基礎(chǔ)油中添加能改善油品冷卻性能的催冷劑。催冷劑分為高溫催冷劑和低溫催冷劑。高溫催冷劑的作用主要是提高高溫區(qū)的冷卻速度，包括聚合物類(lèi)、酰胺類(lèi)、石油樹(shù)脂類(lèi)等種類(lèi)，其作用機(jī)理是具有較好的穿透性，能夠加速破壞工件浸入介質(zhì)后形成的蒸汽膜；低溫催冷劑的作用是提高低溫區(qū)的冷卻速度，包括磺酸鈉類(lèi)等，其作用機(jī)理是降低淬火介質(zhì)在工件表面的接觸角，促進(jìn)介質(zhì)鋪展，進(jìn)而加速對(duì)流傳熱。由于軸承套圈淬火工藝一般要求淬火油的低溫冷速盡可能低，以避免軸承淬火過(guò)程中發(fā)生過(guò)大變形量，因此軸承套圈專(zhuān)用淬火油不應(yīng)添加低溫催冷劑。

綜上，在催冷劑的選擇方面重點(diǎn)考查了聚合物類(lèi)和酰胺類(lèi)兩種高溫催冷劑，分別按不同比例加入到按前述比例調(diào)配好的基礎(chǔ)油中，并測(cè)試?yán)鋮s性能，結(jié)果見(jiàn)表6 ～表8。

由表6的配方A1 ～A3可看出，聚合物類(lèi)催冷劑加劑量的提高對(duì)低溫冷速無(wú)影響，對(duì)高溫冷速的提高有一定效果，但是超過(guò)1.5%后效果不明顯。根據(jù)配方A4、A5，提高酰胺類(lèi)催冷劑的含量可以顯著提高高溫冷速，同時(shí)不影響低溫冷速。配方A4的ISO 9950冷速和SH/T 0220冷速均可以滿足研制指標(biāo)，故選用配方A4。

表6 軸承套圈專(zhuān)用淬火油A添加催冷劑后冷卻性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表7、表8可知，兩種催冷劑在軸承套圈專(zhuān)用淬火油B、C中，和在軸承套圈專(zhuān)用淬火油A中發(fā)揮相似的作用。表中各配方均能滿足ISO 9950和SH/T 0220質(zhì)量指標(biāo)，但是考慮到軸承套圈專(zhuān)用淬火油B、C有可能使用在更高的溫度下，有必要考慮到添加劑在高溫下?lián)p耗較快的可能性，故有必要留出較多的余量，因此以B4、C4作為理想的配方組合。

表7 軸承套圈專(zhuān)用淬火油B添加催冷劑后冷卻性能測(cè)試數(shù)據(jù)

表8 軸承套圈專(zhuān)用淬火油C添加催冷劑后冷卻性能測(cè)試數(shù)據(jù)

抗氧劑的選擇

淬火油的抗氧化性關(guān)系到淬火油使用壽命的長(zhǎng)短。由于軸承套圈專(zhuān)用淬火油的使用溫度在90 ℃左右，因此采用耐高溫的抗氧劑b，同時(shí)加入常規(guī)的抗氧劑a。根據(jù)工藝要求和淬火油添加抗氧劑的經(jīng)驗(yàn)，向配方中添加0 ～3%的抗氧劑a和0 ～2%的抗氧劑b，并按照SH/T 0219方法開(kāi)展熱氧化安定性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9。

根據(jù)表9可知，按上述加劑量加入抗氧劑后，產(chǎn)品的熱氧化安定性可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

表9 軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品熱氧化安定性試驗(yàn)結(jié)果

光亮劑的選擇

軸承套圈對(duì)淬火后表面的光亮性要求較嚴(yán)格，故研制的淬火油需要有較好的光亮性，這通常通過(guò)加入光亮劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般有兩種光亮劑可供選擇：鹽類(lèi)光亮劑和樹(shù)脂類(lèi)光亮劑。二者對(duì)淬火油的光亮性能影響相似，但是樹(shù)脂類(lèi)的溶解性相對(duì)較差，故選用鹽類(lèi)光亮劑。按照經(jīng)驗(yàn)向淬火油產(chǎn)品中加入光亮劑，加劑量為0 ～1%，并按照SH/T 0564附錄A方法開(kāi)展光亮性試驗(yàn)。結(jié)果表明，軸承套圈專(zhuān)用淬火油A、B、C的光亮性均可以達(dá)到1級(jí)，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中不大于1級(jí)的指標(biāo)。

產(chǎn)品配方組成

由上述產(chǎn)品研制試驗(yàn)結(jié)果，初步確認(rèn)軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品的配方組成，見(jiàn)表10。

表10 軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品配方組成

產(chǎn)品全分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

研制的軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室樣品實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)全分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證

軸承套圈專(zhuān)用淬火油A成功應(yīng)用于邯鄲某軸承制造有限公司。該公司生產(chǎn)小型軸承套圈，直徑多為50 mm以下，材質(zhì)為碳鋼K195。熱處理工藝是工件加熱至900 ℃后進(jìn)行淬火，淬火工件為網(wǎng)帶爐，油槽約10 t，油溫80 ℃左右。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，用軸承套圈專(zhuān)用淬火油A加工的軸承套圈硬度、變形量、表面光亮性等各項(xiàng)指標(biāo)均符合該公司要求。

軸承套圈專(zhuān)用淬火油B成功應(yīng)用于聊城某軸承制造有限公司。該公司生產(chǎn)軸承套圈，直徑在60 ～120 mm之間，材質(zhì)為碳鋼GCr15。熱處理工藝是工件加熱至830 ℃后進(jìn)行淬火，淬火工件為網(wǎng)帶爐，油槽約20 t，油溫90 ℃左右。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，用軸承套圈專(zhuān)用淬火油B加工的軸承套圈硬度、變形量、表面光亮性等各項(xiàng)指標(biāo)均符合該公司要求。

結(jié)論

☆本文研制的軸承套圈專(zhuān)用淬火油系列產(chǎn)品包括三個(gè)產(chǎn)品，主要采用高黏度指數(shù)溶劑精制基礎(chǔ)油，添加催冷劑、抗氧劑和光亮劑復(fù)配調(diào)合而成，產(chǎn)品全分析質(zhì)量指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到了研制目標(biāo)，在冷卻性能、抗氧化性、運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)等方面均達(dá)到了預(yù)期。研制過(guò)程無(wú)新增污染源，研制的產(chǎn)品符合HSE要求。

☆研制的軸承套圈專(zhuān)用淬火油各項(xiàng)性質(zhì)貼合以邯鄲、聊城軸承廠為代表的軸承套圈熱處理新工藝，現(xiàn)場(chǎng)使用效果表明，用該產(chǎn)品加工的軸承套圈硬度、變形量、表面光亮度均滿足要求。