滚动轴承快速拆卸的关键问题―― 滚动轴承钢与碳钢的焊接性能探讨

白海峰

（万国纸业太阳白卡纸有限公司，山东济宁　272000）

在造纸设备计划维修或事故抢修中，都要求快速高效。而造纸机的结构特点，其轴承都是易装难拆。维修经验提示，拆卸时只有在轴承端面焊上螺纹拉杆，才Z为方便拆卸。所以本文就探讨轴承钢与碳钢的焊接问题。

白海峰 先生 高级技师、高级安全评师，公司维修部经理；长期从事造纸机械设备的维修维护管理工作。

在车间维修时，经常会遇到由于在机轴承已损坏，需要把轴承从座孔中拉出，然后才能装入新轴承的问题。这时就需要在轴承端面焊接外端带螺纹的拉杆，以便用液压顶拉出。螺纹拉杆的材料通常是45＃钢，其焊接性尚可以，但滚动轴承的材料通常是淬硬的高碳铬钢GCr15或GCr15SiMn，其焊接性是极差的。车间曾试用J422焊条手弧焊，结果往往是从轴承侧的热影响区开裂失败。所以应车间要求，下面对这两种材料的焊接问题予以探讨。

1　焊接方法与焊接材料的选择

由于车间现场抢修条件，焊接方法要简单易行，快速省时。选用焊条手弧焊Z贴合实际，平时工人用得Z多、Z为熟练，其他焊接方法都显得麻烦些。所以焊接材料应首选焊条。

对于高碳铬轴承钢，若填充材料代号是“J”的结构钢类焊条，其焊缝组织主要是脆硬的马氏体+碳铬化合物。在轴承钢侧的热影响区，因碳、铬含量比焊缝区高,这些脆硬的马氏体+碳铬化合物的含量也更高些。另外，轴承钢GCr15还具有低温回火脆性。所以，在轴承侧的热影响区受力开裂也就不足为奇了。

对于高碳铬轴承钢，认为应当选用奥氏体型填充材料，以降低焊缝的冷裂倾向。奥氏体组织的生成元素镍向轴承钢侧扩散，可降低热影响区脆硬倾向。但又不能用高含镍的镍基合金，因为其热裂倾向较大。例如，在GB/T13814-1992《镍及镍基合金焊条》中，ENiCrFe-3型焊条（牌号Ni307B）是含锰量Z高的，其抗热裂能力也可说是在镍合金焊条家族中Z好的一种，经计算焊缝熔敷金属被母材稀释后的热裂指数HCI＝20，这已远大于了临界值15，焊接工艺无论再怎样调整都是无济于事。而且还得寻找直流焊机，必须直流反接。再说镍基合金的合金化程度在90％以上，价格太高，所以镍基合金焊条必须放弃。另外，若把拉杆的材料改成像Q235这种常用的焊接材料，因普通低碳钢中含杂质较多，尤其是促进奥氏体组织热裂的硫、磷、硅等元素熔入焊缝，将更是加剧了热裂倾向，所以拉杆改成普通低碳钢的方案是必须排除在外的。

那么低镍含量的奥氏体不锈钢焊条怎么样呢？奥氏体不锈钢焊条熔敷金属的铬含量都在18％以上，轴承钢的铬含量在1.5％，那么焊缝中的铬必然要向轴承钢侧扩散，这会不会使轴承钢侧热影响区更容易脆裂呢？据研究，当含铬量在6％以下时，生成的碳铬化合物主要是Cr3C和Cr7C3这类低铬含量的化合物，这些脆性化合物都是沿晶界连续成带、成膜状析出，导致材料变脆和再热开裂。当含铬量在12％以上时，生成的碳铬化合物主要是Cr23C6这类高铬含量的化合物，它们在晶界呈球形颗粒状，并不连续，所以才有韧性良好的Cr13型不锈钢和18-8型不锈钢。另外，奥氏体不锈钢焊条熔敷金属的含碳量比母材低得多，轴承钢侧较多的碳会向焊缝扩散，从而会降低母材含碳量，这样轴承钢侧的热影响区碳/铬比例更加扩大，也就更加促进生成Cr23C6这类高铬化合物。这很有利于降脆增韧。

不锈钢焊条的型号有很多，是不是任选一个就行呢？当然不行。这一点可以从改进的舍夫勒组织图（图1）上找到答案。因为用奥氏体不锈钢焊条获得焊缝都是纯奥氏体组织，仍然具有很大的热裂倾向，即使用抗热裂性Z好的A172焊条也不例外，经计算其焊缝的热裂指数HCl＝30～21。在不锈钢焊接中，通常是使焊缝在凝固过程中先析出δ铁素体，然后再析出奥氏体，这种混合组织才不会热裂。若要如此，那么就得提高焊缝的铬当量，也就是得选用双相不锈钢焊条。现行标准中的双相不锈钢焊条有E2209、E2553、E312这3个型号，其铬当量依次递增。

对于E2209焊条，当采用大参数焊接时，仍然具有热裂倾向，尤其是在轴承钢一侧的焊缝处，是该焊缝的Z危险点，此型号也得排除。对于E2553焊条，其熔敷金属的抗拉强度和塑性指标与45＃钢不匹配，也得排除。对于E312（牌号A1002）焊条，认为较为适合。在舍夫勒组织图上可看出，焊缝具有4％～20％左右的δ铁素体，此值基本符合Z佳范围，具有良好的抗热裂能力。因为此焊条熔敷金属的合金化程度为43％，价格比奥氏体不锈钢焊条稍微贵点。

E312焊条平均含铬量30％、含镍量10％，焊缝处的含铬量约24％，轴承钢平均含铬量才1.5％，巨大的浓度差足以使焊缝中的铬向热影响区扩散，且轴承钢侧焊接淬火区的宽度不过是1～2mm左右（镍可强烈地降低淬火区宽度和硬度），所以，轴承钢侧母材增铬到12％以上应当没问题，哪怕是仅在6％～12％之间也达到了增韧降脆的目的。焊缝中的镍也向母材扩散，又进一步加大了增韧降脆的作用，镍还可降低轴承钢侧焊接淬火区之外的低温回火脆性。

2　焊接工艺的优化问题

车间维修时需要焊接的轴承，通常都是已经淬硬了的马氏体组织，由此也就衍生出了冷焊法和热焊法，到底哪种焊法好呢？

冷焊法固然有简便快捷的优点，但轴承钢侧热影响区的性能还是不如热焊法的好。因为淬硬马氏体组织在焊接时具有二次淬火效应，如同轴承厂在淬火后的强力磨削热和皂化液形成的二次淬火效应一样。在轴承行业常有一种被称作磨削裂纹的浅表性缺陷，这种微裂纹常出现在磨削过程中以及磨削后停留一段时间延迟出现。二次淬火组织是一种不稳定的非回火马氏体，脆性比母材高，晶体结构与母材也不一样。轴承行业常用的解决措施是降低进给量，并在磨削后立即进行一次低温回火。即使进给量降得再小，仅这一项措施并不能完全消除这种缺陷。所以焊接二次淬火效应的微裂纹肯定会降低轴承钢热影响区的拉伸强度。所以前述的用“J”类结构钢类焊条焊接容易断裂的问题，肯定也有二次淬火微裂纹的作用因素。

所谓的热焊法就是把轴承钢的待焊区用氧-乙炔火焰先行高温退火。具体方法就是烧至650～750℃，此时轴承钢呈暗红色，保持半小时以上，然后自然空冷。要注意升温速度要慢点，以防急热炸裂。获得的组织是回火索氏体，综合性能良好。在降温阶段就可以焊接，没必要等到完全凉透。

冷焊法并不是完全的冷，而是要求把轴承钢预热到140～180℃。由于前述的铬镍扩散渗透作用，我认为冷焊法的二次淬火效应不会很明显，轴承钢热影响区的拉伸强度比热焊法的差距不会很大。像车间抢修这种情况，我认为冷焊法是可行的。

有人认为，为了使焊缝降脆增韧，焊后再用火烤一下。我认为这是画蛇添足，其效果不仅不能增韧，还会增脆！因为焊缝的铬含量较高，在800℃左右长时间受热会析出σ相，产生一种σ相脆性。另外在500℃以下长时间受热还会有475℃脆性出现。所以应当是焊后自然空冷。

在通常的手工电弧焊中，空气中的氮会侵入过渡电弧中，从而使焊缝熔敷金属含氮。氮在焊缝中作用就是减少δ相的生成，或者说氮是一种强烈的促进奥氏体化的元素，它的作用是镍的14.2倍，虽然可以降低σ相脆性和475℃脆性，但可提高奥氏体的强度，降低奥氏体的韧性。在长弧焊接时焊缝吸氮较多，而且焊缝中的铬、锰元素对氮的吸收还有一定的促进作用。从舍夫勒组织图中可以看出，当采用较大的焊接电流，熔合比较大，且电弧较长时，焊缝含氮量可达0.11％，焊缝区在舍夫勒图中位置上移，使焊缝仅有0～15％左右的δ相，在近轴承钢半侧的焊缝区因δ相含量小于8％，焊缝的凝固模式转变成AF，从而也会热裂。但是焊接电流太小，熔合比也太小，且电弧很短时，有析出σ相脆化的危险。所以应用中等焊接电流、中等熔合比，用较短的电弧焊接。当焊条直径是3.2mm时，建议电流为95A。另外，用直流焊机焊接的焊缝，熔敷金属的含氮量也比交流焊接的低。

3　总结

对于车间在抢修更换轴承时，轴承钢与45＃钢的拉杆焊接工艺为：（1）轴承钢焊前预热至140～180℃；(2）焊条选用E312（牌号A1002）型；(3）中等焊接电流，短电弧。

对于重要的结构联结，且时间又足够允许时，还是选用热焊法为好。

（来源：中华纸业传媒）