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不锈钢钢球的开发

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-07-08

钢球是重要的基础零部件，尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用。在一些特殊条件下，常常需要特殊材质的钢球，来完成不同环境下所要求达到的功能。其实一些特殊材质钢球已广泛应用于国民经济各个领域中，包括9Cr18、3Cr13不锈钢，铜、铝、钛合金钢以及玛瑙、玻璃、陶瓷球等。它们的推广应用，不仅推动了钢球生产业的发展，而且也促进了相关行业的技术发展和科技进步。下面笔者着重谈一下特殊材质--0Cr18Ni9钢球的开发过程及成果。　　一、事由　　国内一家大型外商独资企业，其主要电器产品中的转动零件采用的材料就是0Cr18Ni9，此种材料钢球原为国外进口，且价格较高。该公司经过对我公司多次考察认为，我公司是国内生产钢球较早的厂家之一，具有多年的生产管理经验，生产加工工艺、质量管理能达到他们的要求，因此双方签订了供货协议。 　　二、对材料特殊性的分析　　0Cr18Ni9材质化学成份如下：　　1、镍及镍合金的物理性能呈银白色，抛光后能长期保持美丽的光泽，比重8.9，晶格呈面心立方。　　2、化学性能　　铬、镍两元素相配合组成铬镍不锈钢，是一种较好的不锈钢。在此种不锈钢中加入大量镍是为了得到单一的奥氏体组织，从而提高其耐蚀性和工艺性。在常温和低温下有很强的塑性和韧性，不具磁性，有较好的抗晶间腐蚀性能。 　　（1）铬对不锈钢的耐蚀性能起主要作用　　铬是决定不锈钢抗腐蚀性能的主要元素，因为钢中含铬就能使不锈钢在氧化介质中产生钝化现象，即在表面形成一层很薄的膜，在这层膜内富集了铬。钢中含铬量愈高，抗腐蚀性能就愈强。此外，铬对钢的机械性能和工艺性能都能起到很好的强化作用。 　　（2）镍对不锈钢的影响　　只有在它与铬配合时才能充分表现出来。镍是形成奥氏体的合金元素，当镍与铬配合使用时，即可使金相组织由单相的铁素体变为奥氏体和铁素体双相组织，经过热处理，可以提高强度，从而使其具有更强的不锈耐蚀性和良好的形变性能。 　　2、杂质对性能的影响　　当含碳量介于0.1%~0.3%之间时，在退火后，碳将以石墨状态在晶格间界上析出，破坏了晶粒间的结合力，强烈地降低镍的强度和塑性，使加工变形产生困难。　　另外碳与铬有很强的亲合力，能形成一系列碳化物。钢中的含碳量愈高，形成的碳化铬愈多，固溶体中含铬量就相对减少，钢的耐腐蚀性能就会降低。　　硫是有害的杂质，硫与镍形成Ni3S2化合物，Ni3S2与镍在625℃形成低熔点共晶，分布在晶粒间界上，当热变形温度超过共晶熔点时，即沿晶粒间界开裂，产生所谓"热脆"现象。镍在常温时与硫生成的Ni3S2能引起冷脆。 　　三、钢球规格及精度要求为：　　用户对此球提出如下要求：球表面无划伤、麻坑、裂纹，不能出现任何锈蚀，表现粗糙度要求较高。 　　四、0Cr18Ni9钢球与轴承钢钢球加工工艺对比 　　前面分析了0Cr18Ni9材质的有关性能，由于Cr、Ni元素具有抗耐磨性、抗氧化性能和较高的强度等特性，相对于轴承钢而言，在加工中显得既"硬"又"粘"，故增大了此种钢球加工的难度。经过我们反复试验加工，制订出了比较可行的工艺流程，对比如下： 　　轴承钢钢球： 　　原材料检查-高速冷镦-锉削-光球-硬磨-热处理-初研-清洗-目检-精研-检查-上油包装　　0Cr18Ni9钢球： 　　原材料检查-高速冷镦-光球-研磨-清洗-提光-酸洗-清洗-分选-目检-检查-包装 　　该工艺最可取也是最成功之处在于研磨工序，它包括了硬精、初研以及精研提光三道工序为一体，从而节省了机床多台配置、工装重复加工，缩短了物流时间，减轻了员工装卸车的劳动强度，大大提高了研磨效率，为使钢球达到成品技术要求提供了保障。 　　五、主要加工工序技术参数的确定 　　1、钢球总留量 　　3m和1/8〃钢球冷镦加工为同一球坯，因考虑其原材料的特殊性，从而压缩钢球的总留量。 　　总留量：mm　　轴承钢钢球 0.45±0.05　　0Cr18Ni9钢球 0.35+0.05 　　我们精选了产自上海钢厂生产的0Cr18Ni9钢材，其总留量的压缩可使材料利用率提高9.2%。 　　2、高冷工艺参数及工装的确定 　　因为总留量压缩后，我公司自制了高冷冷镦模，每付冷镦模可生产球坯150万粒以上。 　　设备名称：高速冷镦机ZA32G-5　　生产厂家：上海群英机床厂　　主要技术参数：600次/分　　班产量：每班按8小时，开始率80%　　计算：600次/分×60分×8小时×80%=23.04（万粒） 　　3、光球加工及其参数　　0Cr18Ni9钢球在本工序要去掉大部分磨量。如何使特殊性能材质钢球在磨削过程中不致因大的压力出现深划伤，又可保持良好的表面粗糙度，这确实是加工中的一大难点。 　　硬度对比： 　　原材料硬度 HV251-262　　经冷镦成形硬化后 HV350-370 　　经过我们反复试验验证，在光球开始时压力一定要小，先去掉环带后再逐渐加大压力至正常。这里特别指出的是，值车工责任心是非常重要的，他们不仅要观察机床各运转参数是否正常，而且要不断检查钢球磨削质量，来判断工装的使用情况，并时刻不离机床保持到钢球达到工艺尺寸为止。 　　设备名称：钢球光球机3ML4980　　生产厂家：新乡机床厂　　加工工艺参数　　磨削效率：平均磨削效率为0.03mm/h。 　　4、研磨加工工艺参数的确定　　研磨加工特殊材质钢球是全部钢球加工的关键，如试验成功，就为精研打下良好的基础，反之，将困难重重。在这道工序的加工中，我们走过不少弯路，积累了大量数据，最终我们闯过了难关，确定了该工序加工工艺。 　　开始试验时，钢球在光球加工后有硬精工序，由于硬精工序产生的粗大划痕，影响了成品钢球表面粗糙度，在研磨加工中难以消除。超精研油剂加金钢砂研磨的效果并不理想，改用油剂加氧化铬绿研磨效率低，表面粗糙度达不到要求，在这期间外商又提出更为严格的质量要求并要求保证供货期。虽然面临许多困难，公司领导和生产技术人员经过多次反复研究，制订了一种全新的大循环加工生产工艺，生产效率大幅度提高，产品质量也达到外商的要求。 　　研磨加工工艺参数：　　机床名称：钢球研磨机 3M4730 　　生产厂家：上海第三机床厂　　研磨加工分两步，即两个循环水箱，第一个水箱配制德国产磨削液120S，配比为80%，余量水。钢球在装车尺寸+100至+40时，用第一个水箱磨削，在研磨过程中，均匀添加320#金刚砂，其效率为10μm/班，效率较高，质量稳定。 　　当钢球尺为寸+40μm时，更换第二水箱，第二水箱配制为德国产180钢球精研液，配比为50%。此时在钢球表面均匀添加氧化铬绿进行研磨，在余下的时间里，钢球处于修正几何精度、提高表面粗糙度的状态中，并保持到钢球合格卸车。这时钢球几何精度可达到G60。 　　当然在研磨加工过程中，及时检测钢球表面质量是必不可少的，只有精心操作，认真检测，才能判断出磨盘是否需要修整、更换等关键问题了。 　　5、提光工序及其加工参数　　因为材质的特殊性，钢球在正常研磨过程中所出现的光亮度远远比不上轴承钢钢球。而文中前面提到的镍这种元素具有银白色光泽，这就使得我们需要制订一种特殊的工艺，把这种光泽体现出来。我公司自制提光设备，从而达到了这种要求，钢球经清洗处理后然后装入提光设备，并添加特殊辅助材料，提光10小时，钢球表面粗糙度以及外观均达到要求。 　　提光后的表面粗糙度（英国Talysurf6轮廓仪）　　从表中可以看出，提光后的钢球表面粗糙度均值已符合客户需要，实际水平达到G40。 　　6、混料检查与目检选别 　　为防止生产过程中混入同种规格或相近规格的轴承钢钢球，经酸洗后挑检异球的混料检查是必不可少的。 　　为保证钢球的批直径变动量严格控制在精度要求范围内，我们采用了进口的光杠电动分选机。此种分选机效率高，选别误差小，从而确保了钢球的批直径变动量符合要求，排除了整批钢球中大小球混存的可能性。
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