軸承零件的熱處理質量控制在整個機械行業是最為嚴格的。軸承熱處理在過去的20來年裡取得了很大的進步，主要表現在以下幾個方面：熱處理基礎理論的研究；熱處理工藝及應用技術的研究；新型熱處理裝備及相關技術的開發。
1高碳鉻軸承鋼的退火
高碳鉻軸承鋼的球化退火是為了獲得鐵素體基體上均勻分佈著細、孝勻、圓的碳化物顆粒的組織，為以後的冷加工及最終的淬回火作組織準備。傳統的球化退火工藝是在略高於Ac1的溫度(如GCr15為780~810℃)保溫后隨爐緩慢冷卻(25℃/h)至650℃以下出爐空冷。該工藝熱處理時間長(20h以上)[1]，且退火后碳化物的顆粒不均勻，影響以後的冷加工及最終的淬回火組織和性能。之後，根據過冷奧氏體的轉變特點，開發等溫球化退火工藝：在加熱后快冷至Ar1以下某一溫度範圍內(690~720℃)進行等溫，在等溫過程中完成奧氏體向鐵素體和碳化物的轉變，轉變完成後可直接出爐空冷。該工藝的優點是節省熱處理時間(整個工藝約12~18h),處理后的組織中碳化物細小均勻。另一種節省時間的工藝是重複球化退火：第一次加熱到810℃后冷卻至650℃，再加熱到790℃后冷卻到650℃出爐空冷。該工藝雖可節省一定的時間，但工藝操作較繁。
2高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火
2.1常規馬氏體淬回火的組織與性能
近20年來，常規的高碳鉻軸承鋼的馬氏體淬回火工藝的發展主要分兩個方面：一方面是開展淬回火工藝參數對組織和性能的影響，如淬回火過程中的組織轉變、殘餘奧氏體的分解、淬回火后的韌性與疲勞性能等[2~10]；另一方面是淬回火的工藝性能，如淬火條件對尺寸和變形的影響、尺寸穩定性等[11~13]。
常規馬氏體淬火后的組織為馬氏體、殘餘奧氏體和未溶(殘留)碳化物組成。其中，馬氏體的組織形態又可分為兩類：在金相顯微鏡下(放大倍數一般低於1000倍)，馬氏體可分為板條狀馬氏體和片狀馬氏體兩類典型組織，一般淬火後為板條和片狀馬氏體的混合組織，或稱介於二者之間的中間形態—棗核狀馬氏體(軸承行業上所謂的隱晶馬氏體、結晶馬氏體)；在高倍電鏡下，其亞結構可分為位錯纏結和孿晶。其具體的組織形態主要取決於基體的碳含量，奧氏體溫度越高，原始組織越不穩定，則奧氏體基體的碳含量越高，淬后組織中殘餘奧氏體越多，片狀馬氏體越多，尺寸越大，亞結構中孿晶的比例越大，且易形成淬火顯微裂紋。一般，基體碳含量低於0.3%時，馬氏體主要是位錯亞結構為主的板條馬氏體；基體碳含量高於0.6%時，馬氏體是位錯和孿晶混合亞結構的片狀馬氏體；基體碳含量為0.75%時，出現帶有明顯中脊面的大片狀馬氏體，且片狀馬氏體生長時相互撞擊處帶有顯微裂紋[8]。與此同時，隨奧氏體化溫度的提高，淬后硬度提高，韌性下降，但奧氏體化溫度過高則因淬后殘餘奧氏體過多而導致硬度下降。
常規馬氏體淬火后的組織中殘餘奧氏體的含量一般為6~15%，殘餘奧氏體為軟的亞穩定相，在一定的條件下(如回火、自然時效或零件的使用過程中)，其失穩發生分解為馬氏體或貝氏體。分解帶來的後果是零件的硬度提高，韌性下降，尺寸發生變化而影響零件的尺寸精度甚至正常工作。對尺寸精度要求較高的軸承零件，一般希望殘餘奧氏體越少越好，如淬火後進行補充水冷或深冷處理，採用較高溫度的回火等[12~14]。但殘餘奧氏體可提高韌性和裂紋擴展抗力，一定的條件下，工件表層的殘餘奧氏體還可降低接觸應力集中，提高軸承的接觸疲勞壽命，這種情況下在工藝和材料的成分上採取一定的措施來保留一定量的殘餘奧氏體並提高其穩定性，如加入奧氏體穩定化元素Si、Mn,進行穩定化處理等[15,16]。
2.2常規馬氏體淬回火工藝
常規高碳鉻軸承鋼馬氏體淬回火為：把軸承零件加熱到830~860℃保溫后，在油中進行淬火，之後進行低溫回火。淬回火后的力學性能除淬前的原始組織、淬火工藝有關外，還很大程度上取決於回火溫度及時間。隨回火溫度升高和保溫時間的延長，硬度下降，強度和韌性提高。可根據零件的工作要求選擇合適的回火工藝：GCr15鋼製軸承零件：150~180℃；GCr15SiMn鋼製軸承零件：170~190℃。對有特殊要求的零件或採用較高溫度回火以提高軸承的使用溫度，或在淬火與回火之間進行-50~-78℃的冷處理以提高軸承的尺寸穩定性，或進行馬氏體分級淬火以穩定殘餘奧氏體獲得高的尺寸穩定性和較高的韌性。
不少學者對加熱過程中的轉變進行了研究[2，7~9,17]，如奧氏體的形成、奧氏體的再結晶、殘留碳化物的分佈及使用非球化組織作為原始組織等。
G. Lowisch等[3，8]兩次奧氏體化后淬火的軸承鋼100Cr6的機械性能進行了研究：首先，進行1050℃奧氏體化並快冷至550℃保溫后空冷，得到均勻的細片狀珠光體，隨後進行850℃二次奧氏體化、淬油，其淬后組織中馬氏體及碳化物的尺寸細孝馬氏體基體的碳含量及殘餘奧氏體含量較高，通過較高溫度的回火使奧氏體分解，馬氏體中析出大量的微細碳化物，降低淬火應力，提高硬度、強韌性和軸承的承載能力。在接觸應力的作用下，其性能如何，需進行進一步的研究，但可推測：其接觸疲勞性能應優於常規淬火。
酒井久裕等[7]對循環熱處理后的SUJ2軸承鋼的顯微組織及機械性能進行了研究：先加熱到1000℃保溫0.5h使球狀碳化物固溶，然後，預冷至850℃淬油。接著重複1~10次由快速加熱到750℃、保溫1min后油冷至室溫的熱循環，最後快速加熱到680℃保溫5min油冷。此時組織為超細鐵素體加細密的碳化物(鐵素體晶粒度小於2μm、碳化物小於0.2μm)，在710℃下出現超塑性(斷裂延伸率可到500%)，可利用材料的這一特性進行軸承零件的溫加工成型。最後，加熱到800℃保溫淬油並進行160℃回火。經這種處理后，接觸疲勞壽命L10比常規處理大幅度提高，其失效形式由常規處理的早期失效型變為磨損失效型。
軸承鋼經820℃奧氏體化后在250℃進行短時分級等溫空冷，接著進行180℃回火，可使淬后的馬氏體中碳濃度分佈更為均勻，衝擊韌性比常規淬回火提高一倍。因此，В.В.БЁЛОЗЕРОВ等提出把馬氏體的碳濃度均勻程度可作為熱處理零件的補充質量標準[6]。
2.3馬氏體淬回火的變形及尺寸穩定性
馬氏體淬回火過程中，由於零件各個部位的冷卻不均勻，不可避免地出現熱應力和組織應力而導致零件的變形。淬回火后零件的變形(包括尺寸變化和形狀變化)受很多因素影響，是一個相當複雜的問題。如零件的形狀與尺寸、原始組織的均勻性、淬火前的粗加工狀態(車削時進刀量的大孝機加工的殘餘應力等)、淬火時的加熱速度與溫度、工件的擺放方式、入油方式、淬火介質的特性與循環方式、介質的溫度等均影響零件的變形。國內外對此進行了大量的研究，提出不少控制變形的措施，如採用旋轉淬火、壓模淬火、控制零件的入油方式等[11,13，18]。Beck等人的研究表明：由蒸氣膜階段向沸騰期的轉變溫度過高時，大的冷速而產生大的熱應力使低屈服點的奧氏體發生變形而導致零件的畸變。Lübben等人認為變形是單個零件或零件之間浸油不均勻造成，尤其是採用新油是更易出現這種情形。Tensi等人認為：在Ms點的冷卻速度對變形起決定性作用，在Ms點及以下溫度採用低的冷速可減少變形。Volkmuth等人[13]系統研究了淬火介質(包括油及鹽浴)對圓錐滾子軸承內外圈的淬火變形。結果表明：由於冷卻方式不同，套圈的直徑將有不同程度的「增大」，且隨介質溫度的提高，套圈大小端的直徑增大程度趨於一致，即「喇叭」狀變形減小，同時，套圈的橢圓變形(單一徑向平面內的直徑變動量Vdp、VDp)減小；內圈因剛度較大，其變形小於外圈。
馬氏體淬回火后零件的尺寸穩定性主要受三種不同轉變的影響[12,14]：碳從馬氏體晶格中遷移形成ε-碳化物、殘餘奧氏體分解和形成Fe3C，三種轉變相互疊加。50~120℃之間，由於ε-碳化物的沉澱析出，引起零件的體積縮小，一般零件在150℃回火后已完成這一轉變，其對零件以後使用過程中的尺寸穩定性的影響可以忽略；100~250℃之間，殘餘奧氏體分解，轉變為馬氏體或貝氏體，將伴隨著體積漲大；帶爐和無馬弗網帶爐、鑄鏈爐、輥底爐、滾筒爐系列生產線，從上料、前清洗、保護氣氛(或可控氣氛)下加熱、淬火、后清洗(有時還進行二次深冷)及回火均自動完成。自動化程度及控制精度高，處理后工件的質量均勻，有些生產線還配有在線檢測設備對處理后的工件進行變形或質量檢測與控制，整條熱處理生產線可作為軸承自動生產線的一部分使用。不同的熱處理生產線根據其結構特點適用於不同類型和尺寸軸承零件的熱處理，如網帶爐適用於中小型軸承套圈；輥底爐配有自動升降淬火裝置，適用於尺寸較大的軸承零件；滾筒爐適用於滾動體及小型套圈。
(2)多用爐
多用爐把可控氣氛加熱和保護氣氛下淬火結合為一體，完成工件的無氧化淬火工藝過程，主要適用於小批量多品種的軸承零件熱處理。
(3)感應加熱淬回火設備
感應加熱具有加熱速度快、節能等優點，處理后的工件具有一些常規加熱所沒有的性能。設備體積小，易於集成到軸承生產線中，實現自動化生產。
(4)真空爐
真空狀態下加熱可減少或避免工件的氧化，配合高壓氣淬可控制工件的冷卻及變形，避免了油淬帶來的環境污染問題，實現清潔熱處理，另外，真空熱處理后，工件的顯微組織更加細小均勻，表面與心部組織一致，硬度均勻，有利於軸承疲勞壽命的提高。
(5)淬火冷卻介質及裝備
淬火介質可分為三大類：油基、水基和氣體淬火介質。
油基淬火介質是最常用的淬火介質。普通的淬火油是N32或N15機械油，為提高其冷卻性能、抗老化性能、光亮性能、高溫性能等分別加入催冷劑、清洗劑、光亮劑、抗氧化劑，形成了快速油、快速光亮油、高溫分級等溫油等系列淬火油以應用於不同尺寸和要求的軸承零件的淬火，另外還有低揮發性的真空淬火油。油基淬火介質的缺點是淬火過程中產生油煙造成空氣污染、在隨後的清洗過程中造成水污染。
水基淬火介質是由有機聚合物、抗腐蝕劑和其他添加劑組成的水溶液。通過改變有機聚合物的類型和濃度可得到不同的冷卻特性以適合於不同軸承零件的淬火冷卻要求，在淬火冷卻過程中，有機物附著在零件表面可減少零件淬火開裂的危險性，且不產生油煙，清洗方便，無污染，是淬火介質的發展方向。其不足是抗老化性能不如油基淬火介質，需對溶液經常進行測試，定期添加有機物溶液以保證其冷卻性能。
氣體淬火是採用惰性氣體為介質(常用的氮氣)，把壓縮氣體通過特殊設計的噴嘴噴射到工件表面實現工件的淬火冷卻。通過調節氣體的壓力和噴嘴的結構可以控制冷卻特性和變形，如Tinscher等人的研究[11]表明：當氮氣的流速達到100m/s時，其冷卻特性與油相近，當對工件的表面的光亮度沒有特殊的要求時，可採用壓縮空氣作為淬火介質，淬火時表面形成的3~5μm的氧化層可通過以後的磨加工去除掉。氣體淬火比水基淬火更潔凈，且成本更低，其關鍵技術是噴嘴的結構設計。
淬火冷卻裝備是除淬火介質外影響工件淬火效果的另一大因素。國外對常用的淬火油槽實行多參數控制，如油溫、油的冷卻特性、油的循環與攪拌的方向及速度、工件入油的方式等，以求得到最佳的淬火組織與性能，同時把變形減小到最小程度。日本NSK等著名軸承公司對淬火油進行定期或在線檢測，根據檢測結果添加所需的添加劑或更新淬火油；另一方面，對淬火后工件的變形進行在線檢測，把變形超差的工件自動分檢出去，進行矯正後再進入下道工序，可大大減小工件的磨加工留量。另外，油槽中淬火介質的冷卻逐步由水循環冷卻改為全風冷，利用空氣作為冷卻介質節省大量的水資源。
多工位自動淬火壓床也是國外普遍採用的淬火工裝，可自動完成升降、上下料、噴油冷卻、油溫調節及張緊(或壓力)的調節等動作，微機控制，生產節拍可調，可作為軸承自動生產線的一部分適用。
(6)清洗設備
清洗通常是油淬后的必備工序。連續生產線所用的清洗設備一般完成熱皂水浸泡、清水噴淋、熱風烘乾等過程，並帶有油水分離裝置。先進的清洗設備中，在烘乾前還加有二次冷卻裝置(配有製冷設備，溫度在5~10℃之間可調)，以減少殘餘奧氏體的含量，提高尺寸穩定性。
真空清洗是近年來發展起來的清洗設備。其利用淬火油等揮發性液體減壓后沸點下降和油、水、水蒸氣等有機液一起加熱其沸點亦下降的原理進行清洗；另外，使用特殊的氣、液混合泵產生微小的空氣泡混入清洗液中，利用微氣泡在工件表面破裂時產生的爆破力破壞污漬和工件的結合力，從而進一步提高真空清洗的效果。在前室清洗后，進入后真空室，通過抽真空將殘存的油和水蒸發出來並進行真空快速乾燥。該類清洗設備的優點是：清洗效果好，尤其是對結構複雜的零件，清洗效果更為顯著，清洗后工件表面光亮；安全、清潔，清洗液為清水，不加對環境有害的氯化物和石油類溶劑；自動化程度高，且可利用清洗加熱替代低溫回火，節省回火費用。
7.3貝氏體等溫淬火裝備
根據軸承加工的特點，所使用的設備主要有兩大類：自動生產線和周期爐。
(1)自動生產線：品種少、批量大的軸承適合自動化生產，如鐵路軸承的生產多使用自動生產線。自動生產線主要由保護氣氛加熱爐和等溫淬火槽組成，其中等溫淬火部分所用設備按運送工件的動作又可分為三類：轉底、推盤及輸送帶式。由愛協林公司開發的轉底、推盤式等溫淬火設備是把轉底或推盤機構置於等溫鹽浴中，工件按一定的節拍進出，記憶控制順序出料，動作由PLC程序控制，該類設備自動化程度高，投資大；由沙菲公司開發的輸送帶式等溫淬火自動線與目前普遍使用的網帶式保護氣氛淬火自動線結構原理相似，只是所用淬火介質為鹽浴，這類設備一般只適用於小尺寸的零件。
(2)周期式等溫淬火設備：軋機軸承由於品種多、批量小，中小型軋機軸承生產廠家多採用箱式爐+淬火冷卻槽+等溫槽+清洗槽，也有採用箱式爐+多個等溫槽。該配置投資少，適用性強，但勞動強度大，安全性差。易普森公司把多用爐和貝氏體淬火等溫結合為一體,避免了由加熱設備到等溫淬火之間的氧化,且等溫採用空氣爐,配一套殘鹽回收系統,避免了殘鹽的環境污染。除此之外，可利用多用爐的特點進行小批量多品種軸承零件的處理，克服了一般自動等溫設備的尺寸限制。目前，在貝氏體等溫淬火大力推廣之際，該設備具有很大的推廣價值。
3.4保護氣氛及控制
隨著對工件淬火后表面質量要求的提高，保護(可控)氣氛加熱越來越普及，包括退火在內的熱處理均採用保護(或可控)氣氛加熱。20世紀70年代，主要採用吸熱式氣氛。吸熱式氣氛是原料氣和空氣的混合氣體在催化劑的作用下部分反應形成一種含18～23%CO、37～42%H2、余量N2的保護氣氛。80年代，國際能源危機給世界經濟以巨大衝擊，氮基氣氛應運而生，氮-甲醇氣氛的組份與吸熱式氣氛相近，以氮-甲醇為代表的氮基氣氛得到廣泛推廣。90年代，出現了把空氣和碳氫化合物直接通入高於800°C爐膛內的產氣方法，即直生式氣氛。通過研究發現，這種含有高CH4成分的氣氛，雖然其氣體反應達不到類似於吸熱式氣氛的平衡程度，但其碳的傳輸能力還是由氣氛中CO與H2的含量來控制，用氧探頭結合CO2分析儀進行碳勢控制是可以實現的。直生式氣氛的主要優點是大量節省了原料氣消耗量，據統計這種氣氛無論用在周期式氣氛爐還是連續性氣氛爐，其原料氣消耗節省費用70%左右。今天，全球約有300多台套氣氛爐使用這種氣氛進行滲碳、碳氮共滲、保護氣氛淬火等多種熱處理。
近幾年的實際應用表明，氧探頭的使用壽命是不定的，氧探頭信號的逐步漂移是固定電解質的典型缺陷所致。由於這種漂移主要受爐子運行工況的影響，而且漂移的開始及大幅度的漂移是不可預見的，所以由氧探頭測量的碳勢與實際值之間差異也是不可預見的。因此，人們定期校驗其測量精度，例如，一個星期一次，用鋼箔定碳片來檢測氧探頭信號是否失真，這真是一個麻煩的工作，不利於爐子實現全自動化，有時甚至會影響正常生產。鑒於上述原因，Ipsen開發了一個雙重測量系統。其中一個帶標準氧探頭用於正常的控制碳勢，另一個獨立測量系統用於檢測這個氧探頭的工作狀況，即這兩個系統分別測量氣氛的碳勢，當結果出現很大偏差時，就會報警。這第二個測量系統工作元件可以是CO2紅外分析儀，也可以是一個微型氧探頭(λ-探頭)，迄今為止，已有許多氣氛爐安裝了這種雙重測量系統。
