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滚动轴承材料热处理及其新技术应用研究祝溪明

时间:2017-10-18 13:21:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  滚动轴承作为重要的机械基础连接件在机械工业得到了广泛的应用。在实际使用过程中往往要在拉伸、压缩、弯曲、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值条件下,高速长时间工作。其材料选择及热处理方法是影响轴承寿命的两大重要因素。其损伤机理可分为接触疲劳失效、摩擦磨损失效、断裂失效、变形失效、腐蚀失效和游隙变化失效等几种基本方式,其中接触疲劳失效为最典型的失效方式。因此根据滚动轴承典型失效原因及我国滚动轴承发展现状,对高碳铬滚动轴承材料热处理的基本方法进行阐述,并对热处理技术、热处理缺陷及其工艺改进的措施进行说明,旨在延长滚动轴承使用寿命,对指导生产实践起到借鉴作用。

  2滚动轴承接触疲劳失效分析2.1接触疲劳是滚动轴承失效最主要方式接触疲劳失效是指轴承工作表面受循环应力作用产生的失效。接触疲劳剥落发生在轴承工作表面,往往伴随着疲劳裂纹,首先从接触表面以下最大循环应力处产生,然后扩展到表面,形成不同的剥落形状,点状的称为点蚀,小片状的称浅层剥落。由于剥落面的逐渐扩大,往往向深处扩展,形成深层剥落。出现剥落后会引起轴承的振动、噪音增大,工作温度不断上升,致使轴承最终疲劳破坏而不能使用。接触疲劳破坏是滚动轴承破坏的主要形式。

  2.2原材料缺陷与热处理组织对疲劳失效影响我国轴承材料大量使用的是G15钢和GCr15SiMn钢。修订的GB/T18254标准,增加了“优质高碳铬轴承钢”标准,理论上对其中碳化物、偏析、含量和夹杂物等要求有所提升。随着真空脱气的广泛应用,我国轴承钢在含量控制方面有很大提高,但在碳化物均匀性、网状碳化物控制、夹杂物控制等方面仍与国外有较大差距。材料机体的缺陷、疏松、偏析及非金属夹杂物是造成疲劳失效的根源M.热处理后的组织状态和疲劳失效也有着紧密关系,如球化退火后碳化物颗粒粗大或成网状组织;淬火回火后马氏体组织成粗针叶状,碳化物颗粒粗大、不均匀且存在网状碳化物;渗碳钢硬度不均匀,存在软点,表面脱碳,使接触疲劳强度下降。上述情况均容易发生疲劳失效。

  3滚动轴承材料及热处理技术要求3.1滚动轴承材料与冶金质量滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与其材料冶金质量有着密切的关系。滚动轴承用钢的冶金质量对材料的化学成分、钢材尺寸精度、纯洁度、低倍与显微组织、表面与内部缺陷、碳化物的均匀性及表面脱碳层具有严格的质量要求。一般滚动轴承用钢主要是高碳铬轴承钢,即含碳量1%左右,加入1.5%左右的铬,并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。绝大部分轴承零件都要经过压力加工成型,通过精确的计算下料尺寸和重量,保证轴承零来稿日期:2012-02-23件的产品质量。轴承钢中的化物、硅酸盐等有害夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落的主要原因。脆性夹杂物由于在磨加工过程中容易从金属基体上剥落下来,严重影响轴承零件精加工后的表面质量。

  轴承钢的低倍组织是指般疏松、中心疏松和偏析,显微组织包括轴承钢的退火组织、碳化物网状、带状和液析等。组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响。表面缺陷包括表面裂纹、表面夹渣、毛刺、折叠、结疤、化皮等,内部缺陷包括缩孔、气泡、白点、过烧、严重的疏松和偏析、显微孔隙等在轴承钢材料标准中明文规定不允许出现这些缺陷。如果出现碳化物分布不均匀,在热处理加工过程中容易造成组织和硬度的不均匀,容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹,导致轴承寿命的降低。在碳化物分布较少的区域,形成马氏体针状组织,硬度偏低。表面脱碳层超出标准的规定范围,在热处理前的加工过程中没有将其全部清除掉,那么在热处理淬火过程中容易产生淬火裂纹,造成零件的报废。

  3.2滚动轴承热处理的基本要求滚动轴承所使用的材料多种多样,根据其理化和机械性能不同,而具有不同的特性,以适应各种不同工况和环境下工作的要求。

  根据轴承的材料、结构要求,提出相应的热处理的基本要求。

  3.2.1滚动轴承材料工作条件需要考虑滚动轴承的工作温度、承受冲击载荷的大小、接触介质及工况条件。一般常温条件下采用铬轴承钢,工作温度在(150~25T时,需要经过高于工作温度50T回火处理。在重要场合或高温下应选用高温轴承。用于铁路货车等轴承,冲击载荷较大时多选用优质渗碳结构钢。石油钻具轴承选择耐冲击工具钢或调质结构钢,腐蚀介质中选用耐蚀钢。当工况要求轴承不能导磁时选无磁钢或陶瓷材料。

  3.2.2滚动轴承结构特点滚动轴承零件结构复杂如外圈带安装挡边、承受较高轴向冲击载荷的圆锥轴承等,宜选用耐冲击性能良好的优质渗碳钢。

  对高铬轴承钢的使用,应考虑轴承零件的有效壁厚。常用高铬轴承钢的淬透性和使用范围,如表1所示。

  钢号淬透性60/mm有效壁厚/mm矣35矣40矣90 3.2.3滚动轴承热处理的基本要求提高滚动轴承材料热处理质量必须结合轴承的特点而进行。滚动轴承表面在经过基本热处理工艺后,还需进行碳化、碳氮共渗、氮化、氮碳共渗、化、磷化、镀锌等表面热处理,目的是为了改变其表面特性。目前比较先进的轴承表面热处理方法有:表面离子注入、表面气相沉积、表面涂层等方法;比较成熟的有发蓝、发黑、磷化、表面涂层等表面处理方法。滚动轴承热处理后的基本性能要求有:较高接触疲劳强度;高硬度、高耐磨性;低摩擦系数;高弹性极限;良好的冲击韧性和断裂韧性;良好的尺寸稳定性;良好的防锈性能;良好的冷、热加工性能。

  4滚动轴承热处理新技术4.1贝氏体热处理贝氏体等温淬火是近年来国内轴承行业研究的热点。贝氏体组织的突出特点是冲击韧性、断裂韧性、耐磨性、尺寸稳定性好,表面残余应力为压应力。轴承,2002张伟。国内外轴承热处理装备现状及展望。金属热处理,2004张增歧,刘耀中,樊志强。贝氏体等温淬火及其在轴承上的应用。材料热处理学报,2002.张增歧,刘耀中,樊志强,等。高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火。轴承,姜跃华。贝氏体等温淬火工艺在GCr15钢制柱塞套上的应用。无锡职业技术学院学报,2012(1.