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軸承知識

硝鹽浴在軸承熱處理中的應用與管理

2020-03-26
李昭昆 董漢杰 張玲
(洛陽LYC軸承有限公司、航空精密軸承國家重點實驗室)
  2006年國內軸承生產廠家開始采用低溫硝鹽替代淬火油作為淬火冷卻介質,隨著硝鹽的投入使用,軸承零件的淬火方式實現了淬火冷卻技術的跨躍式發展,目前低溫鹽浴淬火在軸承行業相當普及。我公司擁有多條氮基保護氣氛的輥底式鹽淬自動化生產線、輥底式馬貝熱處理生產線的熱加工設備,其所用的淬火冷卻介質大都實現了硝鹽浴淬火代替淬火油,并積累了豐富的應用技術經驗。
  通過使用硝鹽淬火冷卻介質擴大了GCr15鋼的應用范圍,滾子由φ30mm擴大到φ40mm,鋼球由φ42mm擴大到φ50.8mm,套圈有效壁厚由15mm擴大到24mm,為高碳鉻軸承鋼的材料代用降本增效,提供了強有力的技術保障工藝。硝鹽溶液淬火過程中沒有蒸氣膜階段,高溫區冷卻速度很快,所以對于厚壁工件可以獲得優良的淬火組織,而在低溫區等溫時冷卻速度近乎為零,所以淬火變形很小。硝鹽的冷卻速度可以通過變化含水量進行調節,十分簡單方便。
  隨著低溫硝鹽的廣泛使用,也存在著訂貨、驗收及管理的規范性問題,若訂貨產品發生質量問題而后續的驗收工作跟不上去,直接影響淬火冷卻介質的冷卻性能。近十年來,通過加強硝鹽淬火冷卻技術的應用及管理,軸承套圈的熱處理內在質量得到了較好的控制,減小了產品的留量,提升了產品質量的層次和水平,不斷滿足主要主機配套軸承的精度、性能、壽命、質量穩定性及可靠性的要求,使得軸承零件的熱處理質量大大提升。
  1.硝鹽訂貨技術要求
  硝酸鉀+亞硝酸鈉的混合鹽應用于金屬材料熱處理行業擁有多種的配比,對于高碳鉻軸承鋼制軸承零件而言,由于硝鹽混合鹽的配比為50%KNO3+50%NaNO2配比會更好控制,在軸承熱處理行業比較常用;而且50%硝酸鉀+50%亞硝酸鈉的混合鹽,屬于低溫鹽浴系列,所以實際使用的生產廠家更多一些。為了保證進廠的硝鹽質量,規定了相關的訂貨技術要求,該組分鹽的熔化溫度為140℃,考慮到儀器誤差等因素,因此規定驗收的混合硝酸鹽熔點如表1所示。

表1 混合硝酸鹽熔點要求
  第一種方式:單組分的鹽采購標準執行《HB5408航空熱處理用鹽規范》,淬火用鹽的成分為亞硝酸鈉和硝酸鉀,單組分要求如表2所示,自行配比按照各占50%進行配置。

表2 硝酸鹽的化學成分
  第二種方式:生產廠家配制混合硝酸鹽(或直接使用)的各單組分(硝酸鉀、亞硝酸鈉)也應符合《HB5408航空熱處理用鹽規范》要求,最終提供各含有50%配比的亞硝酸鈉和硝酸鉀混合態淬火用鹽,其組分要求如表3所示。若是自行配置,高碳鉻軸承鋼制軸承零件淬火用硝酸鹽相應熔點及配比應符合表1、表2規定,若廠家直接提供混合硝酸鹽時,其熔點及配比應符合表1、表3規定。

表3 混合硝酸鹽的化學成分及pH值
  2.淬火用鹽驗收
  淬火用鹽進廠后,對生產廠家提供的第三方檢驗出具的原件質量檢驗證明和供方出具的原件質量進行對標檢驗,并放置在特定的倉庫予以保存管理;每批次應隨機取樣,取樣重量為500g,放入容器內,注明生產廠家、產品名稱、批號、數量、生產日期、進廠日期,相關部門按表1進行熔點的檢驗,合格后方可發貨使用。生產現場領用的鹽根據消耗量的多少隨領隨加,不準在生產現場存放;生產部門領用的鹽在使用過程中發現顏色異?;蚱渌惓栴}時應停止使用,通知相關部門處理;該類材料在領用運輸過程中應輕裝輕卸,防止撞擊,防止日曬、雨淋,不得與有機物、還原劑及易燃品等物質混運。
  3.硝鹽浴管理使用
  硝鹽浴是指亞硝酸鈉和硝酸鉀混合鹽加熱熔化后形成液態介質,屬于低溫鹽浴。開爐前,檢查淬火槽是否需要添加淬火冷卻介質,根據消耗量的多少確定添加量。添加時應從熔鹽槽裝料口加入,禁止從淬火槽中添加;熔鹽和打鹽應保證濃度的均勻性:起動熔鹽槽后,當鹽浴溫度達到150℃以上時開起攪拌機,保證使用鹽浴濃度的均勻性。當熔鹽槽的溫度達到工藝要求時結束熔鹽,將熔鹽槽中的鹽打入到淬火槽中,并開起其中的攪拌裝置,淬火槽達到工藝要求溫度時方可加工產品。不允許在淬火鹽槽或熔鹽槽中放入其他物品。
  高碳鉻軸承鋼制軸承零件淬火用硝鹽浴工藝要求溫度控制在(160±5)℃~(240±5)℃,根據不同的組織和性能要求,選擇不同的淬火冷卻介質使用溫度。對于風電及鐵路軸承零件等重點產品正常生產時,鹽浴介質冷卻性能應采用淬火烈度測試儀實時在線監測。要求采用失重法對淬火烈度測定儀按照相關規定進行定期校驗。根據產品的型號按工藝要求選擇不同的淬火烈度值和不同的含水量控制,按照作業規范進行水量添加。加工軸承零件的純鹽浴冷卻能力不足,需要向淬火槽中加入自來水,將淬火烈度控制在工藝要求范圍內,淬火烈度用淬火烈度測試儀實時在線監測,并建立相關臺帳記錄。若連續淬火,鹽浴中水含量應及時補充:水的添加量及添加頻率按相關規定執行。若不能達到工藝要求的鹽浴溫度和淬火烈度時,應查清原因,給予調整;當淬火烈度達到穩定及鹽浴溫度滿足工藝要求后方可進行淬火;若發現水含量嚴重超標,應查明原因,及時調整,方能繼續生產。當淬火槽中鹽浴液面低于下限時,應停止淬火,并向淬火槽中加入適量淬火冷卻介質,待鹽浴溫度和淬火烈度達到工藝要求,且鹽浴溫度和淬火烈度穩定后方可繼續淬火。短期停爐時,需將淬火槽保溫,防止熔鹽凝固;長時間停爐或設備維修時,需將淬火槽中的熔鹽全部返回到熔鹽槽。
  依據《JB/T10175—2008,熱處理質量控制要求》,結合生產實際,淬火冷卻介質混合硝鹽浴在生產使用過程中每半年檢驗其總堿度≤0.05%;硫酸根離子含量≤0.2%,氯離子含量≤0.50%。取樣時應開起淬火槽攪拌裝置,檢驗結果符合要求時可使用,否則應進行調整或更換鹽浴。從鹽水分離器中分離的鹽應每天按要求定時添加到淬火槽中,進入鹽浴中的零件清洗工序必須保證清洗干凈,若工件達不到清洗要求,應停止加工。
  4.硝鹽浴定期過濾
  當氮基保護氣氛的輥底式鹽淬自動化生產線連續工作一定時間后,應對封閉的鹽槽中的硝鹽進行定期過濾,由于工件清洗不干凈或爐內氮基氣氛過高所導致的炭黑難免使得硝鹽浴中帶入一些雜質。我公司曾對使用約一年的生產線采用過濾機進行了現場過濾,將低溫硝鹽浴通過抽鹽泵從槽液中抽取送入可移動的過濾機中進行過濾,最終可發現在過濾袋中的凝固鹽塊中含有不少的黑色雜物,連續過濾16h后,約有將近20kg的雜物出現。附圖為現場過濾機的安裝使用場景,附圖a為過濾機以及連接的管道,附圖b為連于過濾機的管道以及抽鹽泵。從熔鹽槽將其鹽浴抽出后經過濾機過濾后,進入熔鹽槽的另一槽口。抽鹽泵固定于熔鹽槽一入口的上方。
(a)過濾機
(b)抽鹽泵
輥底爐生產線現場過濾
  5.環保方面
  首先采用了獨特的廢氣處理技術使硝鹽蒸氣的排放量為零。其次硝鹽槽的加水系統中,所加水從清洗機初洗槽引入,降低了清洗機清洗水中鹽的濃度,而且清洗機配有鹽濃度自動監測裝置和鹽水自動分離裝置,鹽濃度超過設定上限時鹽水自動分離裝置自動開起,分離后的鹽可以回收并放入硝鹽淬火槽重新利用,可使含鹽廢液排放為零,符合環保要求。作為一種簡單的離子結晶體比淬火油化學結構穩定,永遠不會變質,可無限期使用,帶到清洗機中的鹽經鹽水分離后可以放回淬火槽重新利用。
來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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