一种精密机床主轴轴承基体低温强烈淬火方法技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种精密机床主轴轴承基体低温强烈淬
火方法。
背景技术
精密机床是高端制造的基础支撑，而主轴轴承是保障其加工精度及可靠性的核心
零部件。精密机床主轴轴承不仅要具备P4、P2级高精度，更为重要的是要具有良好的精度保
持性以保障机床加工精度稳定，这一直是精密机床制造领域面临的关键技术问题。轴承内、
外套圈作为轴承的基体，其尺寸稳定性直接决定着轴承精度保持性，而轴承基体工作中由
于受温度和载荷作用而产生因内部不稳定组织转变引起的尺寸变化，是目前发现的破坏精
密机床主轴轴承精度保持性的重要原因。目前，以GCr15高碳铬轴承钢为主要材质的精密机
床轴承基体，通常仍采用高碳铬轴承钢的传统油淬工艺进行淬火，这种淬火工艺受冷却速
度和终冷温度限制，淬火过程中奥氏体不能充分向马氏体转变从而遗留下来数量较多的残
余奥氏体，它被认为是影响轴承钢尺寸稳定性的关键因素。对于淬火后残余奥氏体，通常采
用冷处理，促使残余奥氏体向马氏体转变以减少残余奥氏体数量。
尽管在冷处理过程中有一部分残余奥氏体会发生转变，然而残余奥氏体受到周围
马氏体的压应力作用也逐渐增强，因此冷处理并不能完全消除残余奥氏体，总体效果有限，
而且增加了工艺流程和能源、时间消耗。为此，需要开发新的精密机床主轴轴承基体淬火工
艺，从根本上控制淬火过程形成的残余奥氏体，从而提高轴承基体尺寸稳定性和轴承精度
保持性。
发明内容
基于上述背景，本发明的目的在于提供一种精密机床主轴轴承基体低温强烈淬火
方法，针对传统油淬工艺冷却速度慢、冷却温度高的问题，采用超声波作用下液氮冷却，提
高冷却速度、降低冷却温度，促进马氏体相变而减少残余奥氏体数量，提高基体尺寸稳定
性。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种精密机床主轴轴承基体低
温强烈淬火方法，其特征在于包括如下步骤：首先将轴承基体(内圈、外圈)在保护气氛下
(如：氮气保护气氛下)加热至835℃～850℃，升温速率控制为1～4℃/min，然后保温15～20
分钟；保温结束后，将轴承基体迅速转移至温度-130℃～-190℃的液氮冷冻箱中，转移时间
控制在5min以内，并预先由安置在液氮冷冻箱的超声波装置发射超声波激励轴承基体，超
声波旋涡流压力2.5～3.5MPa，轴承基体在超声波辅助作用下低温冷却30～90秒后取出，自
然恢复至室温。
所述轴承基体为轴承内圈或轴承外圈。
所述超声波功率为300～500W。
本发明的有益效果：本发明采用液氮冷却介质进行冷却，冷却速度快、终冷温度
低，为马氏体相变创造了更有利的条件；通过超声波激励，能够破坏冷却时在轴承基体表面
形成的气化薄膜，消除了气化薄膜降低冷却速度的不利影响；通过上述方法可实现轴承基
体奥氏体化加热后低温高速冷却，从而促进奥氏体向马氏体充分转变，减少残余奥氏体数
量。此外，本发明由于冷速极快，可在轴承基体表层获得高水平压应力，能够适当提高硬度
和抗拉强度，而且避开了淬火裂纹和畸变易产生的快速冷却速度区间从而抑制裂纹和畸变
产生。因此，与传统工艺相比，本发明方法能够有效提高轴承基体尺寸稳定性、改善轴承基
体力学性能，而且工艺时间短并可以取消后续冷处理，提高生产效率，还可避免油淬污染。
具体实施方式
以下仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明的范围。即凡依本发明申
请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本专利涵盖的范围内。
实施例1
以某型号精密机床主轴轴承外圈为对象，材质为GCr15轴承钢，按本发明方法对轴
承基体进行低温强烈淬火：将轴承基体在氮气气氛环境下加热至835℃，升温速率4℃/min，
保温时间15分钟；然后将轴承基体快速转移至温度为-130℃的液氮冷冻箱中(快速转移为：
转移速度控制在5min以内)，预先由安置在液氮冷冻箱的超声波装置发射超声波激励轴承
基体，超声波旋涡流压力为2.5MPa，超声波功率为300W；将轴承基体在超声波辅助作用下低
温冷却30秒后取出，自然恢复至室温。
实施例2
以某型号精密机床主轴轴承内圈为对象，材质为GCr15轴承钢，按本本发明方法对
轴承基体进行低温强烈淬火：将轴承基体在氮气气氛环境下加热至850℃，升温速率1℃/
min，保温时间20分钟；然后将轴承基体快速转移至温度为-190℃液氮冷冻箱中(快速转移
为：转移速度控制在5min以内)，预先由安置在液氮冷冻箱的超声波装置发射超声波激励轴
承基体，超声波旋涡流压力为3.5MPa的，超声波功率为500W；将轴承基体在超声波辅助作用
下低温冷却90秒后取出，自然恢复至室温。
对按上述方法处理的轴承基体和按传统油淬方法处理的轴承基体，采用XRD、显微
硬度仪和力学性能试验机进行残余奥氏体、硬度和抗力强度测试比较，结果如下表所示：
结果表明，本发明方法使轴承基体淬火后残余奥氏体含量减少约50％，硬度和抗
拉强度稍微提升，而且通过光学显微镜观察基体表面和剖面没有发现裂纹。