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发表于 2013-12-20 08:35:45
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摘 要：本文介绍了保护气氛辊底式炉盐浴生产线在轴承行业的应用情况，盐浴作为淬火介质的优越性及局限，保护气氛辊底炉盐浴生产线的主要形式及适用的热处理工艺，保护气氛辊底炉盐浴生产线与其他轴承热处理设备相比的优点，以及保护气氛辊底炉盐浴生产线在轴承行业应用的发展方向。
关键词：保护气氛辊底式炉盐浴生产线；轴承；新发展
0 引言
熔盐浴（KNO3+NaNO2）作为淬火介质早在上世纪八九十年代就已经应用于国内轴承行业的热处理过程中，较多应用于轴承贝氏体等温淬火和厚壁轴承的马氏体淬火。当时因大多采用普通箱式炉或井式炉加热，人工放入敞开式硝盐槽，工人劳动强度大，生产效率低，硝盐污染不能解决，故普及率不高。本世纪初，铁道部要求提速客车全部采用贝氏体轴承，促使瓦轴[1]（ZWZ）、哈轴（HRB）、浦镇[2]（CSR）、洛轴（LYC）等分别订购了“铁路客车轴承贝氏体淬火专用生产线”并相继投产，实现了轴承盐浴淬火的自动化，轴承钢采用盐浴贝氏体淬火获得优良的综合机械性能和较长的使用寿命以及较小的淬火畸变得到行业专家的充分认可[3]，但这种设备只适用于单品种大批量生产，故并未能普及到车客轴承以外的领域。
2006年SKF在大连设厂，使用“保护气氛辊底炉盐浴马氏体贝氏体生产线”作为其主要轴承热处理设备引起国内轴承企业的关注，同年北京人民轴承厂（BRM）订购了“保护气氛辊底炉盐浴马氏体贝氏体多用生产线”并于2007年成功投产[4]，随后人本（C&U）、天马（TMB）、瓦轴（ZWZ）、大冶轴（DYZV）等相继订购了“保护气氛辊底炉盐浴生产线”，到2009年底洛轴（LYC）一次订购6条“保护气氛辊底炉盐浴生产线”标志着该设备开始在轴承行业开始大面积普及推广。据不完全统计，目前“保护气氛辊底炉盐浴生产线”在轴承行业已投产70余条生产线，成为轴承热处理先进设备的代表。
1 低温盐浴作为淬火介质的优越性及局限
1.1 轴承淬火常用盐浴成分及冷却性能
1.1.1 轴承淬火常用盐浴成分
表1 轴承淬火常用盐浴配比及工作温度
序号 配比（重量%） 熔点（℃） 工作温度（℃）
1 50%KNO3+50%NaNO2 145 160-550
2 55%KNO3+45%NaNO2 137 150-500
从表1可以看出，两种配比从熔点到工作温度都能满足轴承钢马氏体分级淬火及贝氏体等温淬火，区别是序号1是硝酸钾与亚硝酸钠为重量比1:1，序号2是硝酸钾与亚硝酸钠为摩尔比1:1。因重量比1:1在生产实践中更方便，所以被大多数企业采用。
1.1.2 盐浴冷却性能
从图1 可以看出，盐浴在冷却过程中不产生蒸汽膜，主要靠对流冷却，高温冷速快，最大冷速达到120℃/s，最大冷速出现温度在795℃，低温冷速慢，300℃时冷速为6℃/s。这种冷却特性能够使材料最大限度地实现其淬透性，避免屈氏体的产生，又能减少淬火畸变。
图1 脱水盐浴（50%KNO3+50%NaNO2）180℃冷却性能曲线
1.1.3 盐浴加水后的冷却性能
盐浴中适量加水能提高盐浴的冷却性能，从图2 可以看出，含水量0.4%的盐浴最大冷速达到140℃/s，从图3 可以看出，含水量1.2%的盐浴最大冷速达到155℃/s。
图2 含水量0.4%盐浴（50%KNO3+50%NaNO2）180℃冷却性能曲线 图3含水量1.2%盐浴（50%KNO3+50%NaNO2）180℃冷却性能曲线
虽然盐浴中加水后水的存在形式目前还没有结论性说法，有结晶水、游离水（盐包水）、三相图等多种说法，但盐浴加水（2.5%以下）能提高盐浴的冷却速度是经过生产实践验证的不争事实。
1.2 盐浴作为淬火介质的优越性
盐浴作为淬火介质的优越性在于其高温区冷速快，能尽量躲开轴承钢C曲线的鼻子尖，避免出现屈氏体不良组织，低温冷速慢，减少热应力变形。在一定范通过调整盐浴的含水量，可以盐浴的冷却速度，增加了工艺的灵活性。
1.3 盐浴作为淬火介质的局限性
盐浴作为淬火介质的局限性在于：1、适合于连续生产而不适合断续生产，连续生产时一次熔盐后，不再消耗能源，而断续生产停炉后再次熔盐或保温都会造成能源的浪费；2、硝酸盐属于有毒易爆物品，必须有效解决环保排放及安全问题才能使用。3、熔盐含水量缺乏统一的检测标准及手段，难以在线自动化控制，调整不好产品质量会失去控制。
2 轴承行业用保护气氛辊底炉盐浴生产线主要形式
2.1 保护气氛辊底炉马氏体生产线
图4 保护气氛辊底炉马氏体生产线示意图
保护气氛辊底炉马氏体生产线一般由升降上料台、前清洗机、保护气氛辊底式加热炉、盐浴淬火槽、风冷台、盐清洗机、辊底式回火炉、卸料台组成。
典型工艺流程为：
上料→前清洗→烘干→加热保温→盐浴淬火→风冷→盐清洗→二次冷却→烘干→回火→卸料
2.2 保护气氛辊底炉贝氏体生产线
图4 保护气氛辊底炉贝氏体生产线示意图
保护气氛辊底炉贝氏体生产线一般由升降上料台、前清洗机、保护气氛辊底式加热炉、盐浴淬火槽、盐浴等温槽、风冷台、盐清洗机、（辊底式回火炉）、卸料台组成。
典型工艺流程为：
上料→前清洗→烘干→加热保温→盐浴淬火→盐浴等温→风冷→盐清洗→烘干（→回火）→卸料
贝氏体等温淬火后，附加回火工艺是否有必要，目前没有权威结论，据采用此工艺的一些厂家称此工艺有助于提高贝氏体套圈的韧性。
2.3 保护气氛辊底炉马氏体、贝氏体生产线
图4 保护气氛辊底炉马氏体贝氏体生产线示意图
保护气氛辊底炉贝氏体生产线一般由升降上料台、前清洗机、保护气氛辊底式加热炉、盐浴淬火槽、盐浴等温槽、风冷台、盐清洗机、运料转移小车、辊底式等温回火炉、卸料台组成。
典型马氏体工艺流程为：
上料→前清洗→烘干→加热保温→盐浴淬火→风冷→盐清洗→二次冷却→烘干→回火→卸料
典型贝氏体工艺流程为：
上料→前清洗→烘干→加热保温→盐浴淬火→盐浴等温→空气等温回火→风冷→盐清洗→烘干→卸料
3 保护气氛辊底炉盐浴生产线主要优势及局限
3.1 保护气氛辊底炉盐浴生产线的优势
保护气氛辊底炉盐浴生产线与轴承行业传统热处理设备相比有很多优势，体现在：
3.1.1 设备自动化程度高
除装卸料需人工操作外其余整个热处理过程完全由计算机PLC可编程控制，工人劳动强度底，产品质量稳定。
3.1.2 工艺适应性好
可以实现马氏体淬火工艺、贝氏体等温淬火工艺、马氏体贝氏体复合组织淬火工艺。
3.1.3 盐浴的优越性得到体现
产品能获得优良的组织，较小的热处理畸变，压缩磨加工流量，扩大了GCr15钢的应用范围。
3.1.4 辊底炉结构的优势得到体现
辊底炉周期性进料，淬火时工件按方阵进入淬火升降台，避免了工件的磕碰伤，杜绝了热处理混料、遗失现象。工件淬火时，升降平台上下窜动左右摆动，频率可调，工件淬火冷却均匀性好，产品质量一致性好。
3.1.5 热处理后工件表面应力状态
轴承钢保护气氛加热盐浴贝氏体淬火后，工件表面呈压应力状态（400Mpa-500Mpa）[3]已经得到实践验证并得到理论证明。有单位检测保护气氛加热盐浴马氏体淬火工件也呈压应力状态，但理论依据还没有得到普遍认可。表面呈压应力的轴承工件，在磨削时其产生裂纹的倾向性会减少，并能提高轴承的使用说明。
3.2 保护气氛辊底炉盐浴生产线在轴承行业遇到的问题及解决方案
保护气氛辊底炉盐浴生产线在轴承行业生产实践中遇到的主要问题是：1、硝酸盐作为有毒易爆物品带来的安全环保问题；2、盐水蒸汽对炉内气氛影响及由此带来的热处理套圈脱贫碳问题；3、盐浴含水量缺乏统一的检测标准及手段，难以在线自动化控制问题。
3.2.1 环保问题及解决方案
环保要求使用硝盐要做到零排放，目前设备制造厂商已有完整的解决方案，正因如此，SKF、舍弗勒等在欧洲及国内的工厂才能广泛使用盐浴热处理设备。解决方案主要包括：①废气集中收集，经过溶解过滤后排放，实现无空气污染；②盐槽的加水从清洗机初洗槽引入，清洗机阶梯补水；③清洗机配有盐浓度自动监测装置和盐水自动分离装置，分离后的盐、水回收利用，实现无残盐、废水排放。
3.3.2 气氛干扰问题及解决方案
保护气氛辊底炉盐浴生产线早期采用淬火槽与加热炉是连为一体的密封式设计，由此遇到的一个难题是：在红热工件由加热炉进入淬火槽时，淬火槽内含盐蒸汽迅速加热膨胀窜入加热炉，从而影响炉内气氛，造成热处理后表面贫碳（贫碳层0.04-0.08mm）甚至出现自由铁素体（2μ），造成热处理工件表面不能形成压应力，易产生磨削裂纹。虽然后来设备上采取了增加后换气室、泄压阀等措施，但包括SKF在内早期设备上都难以彻底解决此问题。从2011年开始，设备厂商采纳舍弗勒专家的建议，将淬火槽与加热炉分离，并将保护气氛由氮基保护气氛（99%高纯氮+1%富化气）改为氮甲醇可控气氛（约80%N2+10%CO+10%H2），彻底解决了此问题，真正做到了零脱贫碳。
3.3.3. 安全问题及解决方案
早期保护气氛辊底炉盐浴生产线使用氮基保护气氛（99%高纯氮+1%富化气）的一个重要原因是处于安全考虑，盐槽中含有KNO3，决不能进入炭黑。使用这种气氛带来的另一问题是，由于CO值非常低，碳控仪无法计算碳势，只能用氧探头mV值显示和控制气氛状态，碳势不直观。目前分离式盐槽设计彻底消灭了炭黑进入盐槽的隐患，氮甲醇可控气氛可以由碳控仪直接计算显示控制碳势。
熔盐槽另一安全隐患是带水工装、工具、机械手决不能进入高温硝盐槽，在美国某轴承厂出现过因机械手存水，从清洗机进入硝盐槽引起熔盐汽爆伤人的事故。目前采用双机械手或全辊棒式设计可以杜绝此类现象出现。
3.3.4.盐浴含水量检测问题及解决方案
盐浴冷却性能可以通过调整其含水量来改变，这为工艺的灵活性提供了便利，但盐浴含水量的测定一直没有统一的标准并且难以在线监测及实时控制，这是影响产品稳定性的一个因素。
目前盐浴含水量检测方法主要有：①进口淬火烈度仪，直接检测盐浴淬火烈度，准确性高，检测周期较短，不能在线实时监测，仪器价格贵。②卡尔费休库仑仪，准确性高，检测周期较短，不能在线实时监测，仪器价格贵。③失重法人工检测，相对准确性较高，不能在线实时监测，仪器价格低，缺乏统一的检测标准。④比重法液位压力差检测，温度恒定时准确性可以，温度变化时准确性差，可以在线监测，仪器价格较高。⑤比重法浮力监测，温度恒定时准确性可以，温度变化时准确性差，可以在线监测，仪器价格低。
4 保护气氛辊底炉盐浴生产线发展方向
4.1 高温加热快速通过工艺在保护气氛辊底炉盐浴生产线上的应用
保护气氛辊底炉盐浴生产线采用高温（最高900℃）加热，快速通过（零保温）工艺，可以大大提高生产线的产能（达到700Kg/h)，同时缩短生产线长度(设备总长26M）和设备造价，这种设备及工艺已在SKF欧洲工厂使用多年。襄轴（ZXY）从2009年做过这方面的尝试，最高尝试温度达到880℃，加热保温时间缩短到28min，从工艺及产品质量角度讲是成功的，但遇到了设备稳定性差故障率高的问题。在设备制造商解决了稳定性问题后，这种设备及工艺是有很大推广价值的。
4.2 先马后贝复合组织工艺在保护气氛辊底炉盐浴生产线上的应用
马贝复合组织（不区分“先贝后马”还是“先马后贝”）轴承，已在国外知名轴承企业应用多年，近一两年瓦轴(ZWZ)有技术人员提出“先贝后马”复合组织综合性能优于“先马后贝”及贝氏体组织，并从试验数据中得到验证,原理为：“马贝复合组织内的马氏体含碳量比贝马复合淬火组织的低，具有更好的冲击韧性、断裂韧性和耐磨性。马贝复合组织淬火先发生马氏体转变，奥氏体内含碳量低的部分转变为马氏体，奥氏体内含碳量高的部分在随后的Ms 点以上的下贝氏体转变温度等温过程中转变为下贝氏体；而贝马复合淬火先发生下贝氏体转变，奥氏体内含碳量低的部分转变为下贝氏体，奥氏体内含碳量高的部分在随后Ms 点以下冷却过程中转变为马氏体，马氏体为大片状的高碳马氏体，其亚结构为孪晶，脆性极大，同时，高碳马氏体片形成时，互相撞击，极易产生内应力和微裂纹。”[5]2012年初，银河轴承（YHJT）“先马后贝”复合组织轴承以实现量产。
“先马后贝”复合组织可以由两个工艺途径产生：①将淬火温度设定在Ms和Mf之间Md，淬火一定时间后，在Ms点之上等温，通过调整Md可以调整马氏体、贝氏体含量。②合理设定加热温度及保温时间，利用因碳及合金化元素局部溶解度不同造成的局部Ms 差异，在贴近理论Ms 点温度淬火，然后在Ms 点以上等温。实践证明，在现有保护气氛辊底炉盐浴生产线上稍加改进，可以有控制地得到“先马后贝”复合组织。这种工艺及设备在轴承行业中特别是冶金轴承领域会有推广价值。
4.2 相变超塑性及限型淬火设备与保护气氛辊底炉盐浴生产线的结合
轴承套圈淬火微变形量（椭圆度≤0.05mm）一直是轴承热处理的梦想追求，其产生的经济效益（包括材料节约和磨加工工时缩短）是巨大的，传统轴承热处理工艺和设备难以实现这一梦想。相变超塑性效应及保护气氛辊底炉盐浴生产线与限型淬火设备的结合，让我们对这一梦想的实现看到了希望。
相变超塑性效应是指钢在热处理相变过程中，出现短时间塑性超高的现象，此现象早在上世纪六七十年代就被发现，并应于热处理过程中[6],将红热的工件转移到模具（淬火压床或手工操作）加压淬火也广泛应用于渗碳轴承的二次淬火及部分高碳铬轴承钢的淬火，但因为红热工件转移比较难以实现自动化生产，生产效率低下，所以不能在全行业普及。
本文定义传统“淬火压床”与“限型淬火设备”的区别是：“淬火压床”是将奥氏体化的红热工件放入压模中冷却并马氏体转变；“限型淬火设备”是将已经在盐浴（或热油）中冷却到Ms 点附近（稍高或略低）温度的“温工件”放入压模中继续冷却并马氏体（或贝氏体）转变。根据相变超塑性效应，“限型淬火设备”仅需较少的作用力就可以实现套圈淬火微变形，所以“限型淬火设备”可以做到体积小而多工位，从而提高生产效率；同时“温工件”的转移实现自动化相对容易，并能依据马氏体转变时材料的磁特性转变方便地判断工件转移时机。类似这种设备国外已有成功应用，国内几家设备生产厂商也都基本完成技术准备阶段，相信此设备在国内生产实践中开始应用的时间也不会太长了。
5 结束语
近些年，随保护气氛辊底炉盐浴生产线在轴承行业的普及，并成功解决了排放、气氛、安全、等问题后，使人们对盐浴作为淬火介质的优越性得到了重新认识，盐浴高温冷速快、低温冷速慢这种近乎理想的冷却特性以及冷却能力可以通过含水量调节的特点得到轴承行业普遍认可，不但冶金轴承企业生产贝氏体轴承普遍采用保护气氛辊底炉盐浴生产线，许多中小轴承（汽车轴承）企业生产马氏体轴承也开始采用这种设备。这种设备与传统轴承热处理设备相比有自动化程度高，适用工艺广泛，扩大材料的使用范围，产品无磕碰伤无混料，组织性能好，表面应力状态好、热处理变形小等优点。
高温加热快速通过工艺、先马后贝复合组织工艺、相变超塑性效应及限型淬火设备在保护气氛辊底炉盐浴生产线上应用及结合，将是这种设备的发展方向。
[1] 王秀艳，孙茂林.铁路提速客车轴承贝氏体淬火工艺研究[J].国外金属热处理，2001,（4）：13-15
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