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影响NTN轴承寿命的材料因素及其控制

影响NTN轴承寿命的材料因素及其控制

影响轴承寿命的材料因素
  滚动轴承的早期失效形式,主要有破裂、塑性变形、磨损、腐蚀和疲劳,在正常条件下主要是接触疲劳。轴承零件的失效除了服役条件之外,主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀性和内应力状态制约。影响这些性能和状态的主要内在因素有如下几项。

  1、淬火钢中的马氏体
  高碳铬钢原始组织为粒状珠光体时,在淬火低温回火状态下,淬火马氏体含碳量,明显影响钢的力学性能。强度、韧性在0.5%左右,接触疲劳寿命在0.55%左右,抗压溃能力在0.42%左右,当GCr15钢淬火马氏体含碳量为0.5%~0.56%时,可以获得抗失效能力最强的综合力学性能。

  应该指出,在这种情况下获得的马氏体是隐晶马氏体,测得的含碳量是平均含碳量。实际上,马氏体中的含碳量在微区内是不均匀的,靠近碳化物周围的碳浓度高于远离碳化物原铁素体部分,因而它们开始发生马氏体转变的温度不同,从而抑制了马氏体晶粒的长大和显微形态的显示而成为隐晶马氏体。它可避免高碳钢淬火时易出现的显微裂纹,而且其亚结构为强度与韧性均高的位错型板条状马氏体。因此,只有当高碳钢淬火时获得中碳隐晶马氏体时轴承零件才可能获得抗失效能力最佳的基体。

  2、淬火钢中的残留奥氏体
  高碳铬钢经正常淬火后,可含有8%~20%Ar(残留奥氏体)。轴承零件中的Ar有利也有弊,为了兴利除弊,Ar含量应适当。由于Ar量主要与淬火加热奥氏体化条件有关,它的多少又会影响淬火马氏体的含碳量和未溶碳化物的数量,较难正确反映Ar量对力学性能的影响。为此,固定奥氏条件,利用奥氏体体化热稳定化处理工艺,以获得不同Ar量,在此研究了淬火低温回火后Ar含量对GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响。随着奥氏体含量的增多,硬度和接触疲劳寿命均随之而增加,达到峰值后又随之而降低,但其峰值的Ar含量不同,硬度峰值出现在17%Ar左右,而接触疲劳寿命峰值出现在9%左右。当试验载荷减小时,因Ar量增多对接触疲劳寿命的影响减小。这是由于当Ar量不多时对强度降低的影响不大,而增韧的作用则比较明显。原因是载荷较小时,Ar发生少量变形,既消减了应力峰,又使已变形的Ar加工强化和发生应力应变诱发马氏体相变而强化。但如载荷大时,Ar较大的塑性变形与基体会局部产生应力集中而破裂,从而使寿命降低。应该指出,Ar的有利作用必须是在Ar稳定状态之下,如果自发转变为马氏体,将使钢的韧性急剧降低而脆化。

  3、淬火钢中的未溶碳化物
  淬火钢中未溶碳化物的数量、形貌、大小、分布,既受到钢的化学成分和淬火前原始组织的影响,又受奥氏体化条件的影响,有关未溶碳化物对轴承寿命的影响研究较少。碳化物是硬脆相,除了对耐磨性有利之外,承载时因会(特别是碳化物呈非球形)与基体引起应力集中而产生裂纹,从而会降低韧性和疲劳抗力。淬火未溶碳化物除了自身对钢的性能产生影响之外,还影响淬火马氏体的含碳量和Ar含量及分布,从而对钢的性能产生附加影响。为了揭示未溶碳化物对性能的影响,采用不同含碳量的钢,淬火后使其马氏体含碳量和Ar含量相同而未溶碳化物含量不同的状态,经150℃回火后,由于马氏体含碳量相同,而且硬度较高,因而未溶碳化物少量增高对硬度增高值不大,反映强度和韧性的压溃载荷则有所降低,对应力集中敏感的接触疲劳寿命则明显降低。因此淬火未溶碳化物过多对钢的综合力学性能和失效抗力是有害的。适当降低轴承钢的含碳量是提高制件使用寿命的途径之一。

  淬火未溶碳化物除了数量对材料性能有影响之外,尺寸、形貌、分布也对材料性能产生影响。为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害,要求未溶碳化物少(数量少)、小(尺寸小)、匀(大小彼此相差很小,而且分布均匀)、圆(每粒碳化物皆呈球形)。应该指出,轴承钢淬火后有少量未溶碳化物是必要的,不仅可以保持足够的耐磨性,而且也是获得细晶粒隐晶马氏体的必备条件。

  4、淬火回火后的残留应力
  轴承零件经淬火低温回火后,仍具有较大的内应力。零件中的残留内应力有利和弊两种状态。钢件热处理后,随着表面残留压应力的增大,钢的疲劳强度随之增高,反之表面残留内应力为拉应力时,则使钢的疲劳强度降低。这是由于零件的疲劳失效出现在承受过大拉应力的时候,当表面有较大压应力残存时,会抵消同等数值的拉应力,而使钢的实际承受拉应力数值减小,使疲劳强度极限值增高,当表面有较大拉应力残存时,会与承受的拉应力载荷叠加而使钢的实际承受的拉应力明显增大,即使疲劳强度极限值降低。因此,使轴承零件淬火回火后表面残留较大的压应力,也是提高使用寿命的措施之一(当然过大的残留应力可能引起零件的变形甚至开裂,应给予足够重视)。

  5、钢的杂质含量
  钢中的杂质包括非金属夹杂物和有害元素(酸溶)含量,它们对钢性能的危害往往是相互助长的,如氧含量越高,氧化物夹杂物就越多。钢中杂质对力学性能和制件抗失效能力的影响与杂质的类型、性质、数量、大小及形状有关,但通常都有降低韧性、塑性和疲劳寿命的作用。

  随着夹杂物尺寸的增大,疲劳强度随之而降低,而且钢的抗拉强度越高,降低趋势加大。钢中含氧量增高(氧化物夹杂增多),弯曲疲劳和接触疲劳寿命在高应力作用下也随之降低。因此,对于在高应力下工作的轴承零件,降低制造用钢的含氧量是必要的。一些研究表明,钢中的MnS夹杂物,因形状呈椭球状,而且能够包裹危害较大的氧化物夹杂,故其对疲劳寿命降低影响较小甚至还可能有益,故可从宽控制。
  影响轴承寿命的材料因素的控制
  为了使上述影响轴承寿命的材料因素处于最佳状态,首先需要控制淬火前钢的原始组织,可以采取的技术措施有:高温(1050℃)奥氏体化速冷至630℃等温正火获得伪共析细珠光体组织,或者冷至420℃等温处理,获得贝氏体组织。也可采用锻轧余热快速退火,获得细粒状珠光体组织,以保证钢中的碳化物细小和均匀分布。这种状态的原始组织在淬火加热奥氏体化时,除了溶入奥氏体中的碳化物外,未溶碳化物将聚集成细粒状。

  当钢中的原始组织一定时,淬火马氏体的含碳量(即淬火加热后的奥氏体含碳量)、残留奥氏体量和未溶碳化物量主要取决于淬火加热温度和保持时间,随着淬火加热温度增高(时间一定),钢中未溶碳化物数量减少(淬火马氏体含碳量增高)、残留奥氏体数量增多,硬度则先随着淬火温度的增高而增加,达到峰值后又随着温度的升高而降低。当淬火加热温度一定时,随着奥氏体化时间的延长,未溶碳化物的数量减少,残留奥氏体数量增多,硬度增高,时间较长时,这种趋势减缓。当原始组织中碳化物细小时,因碳化物易于溶入奥氏体,故使淬火后的硬度峰移向较低温度和出现在较短的奥氏体化时间。

  综上所述,GCrl5钢淬火后未溶碳化物在6.8~7.4%左右,残留奥氏体在8.7~9.4%左右(隐晶马氏体的平均含碳量在0.55%左右)为最佳组织组成。而且,当原始组织中碳化物细小,分布均匀时,在可靠地控制上述水平的显微组织组成时,有利于获得高的综合力学性能,从而具有高的使用寿命。应该指出,具有细小弥散分布碳化物的原始组织,淬火加热保温时,未溶的细小碳化物会聚集长大,使其粗化。因此,对于具有这种的原始组织轴承零件淬火加热时间不宜过长,采用快速加热奥氏体化淬火工艺,将可获得更高的综合力学性能。

  为了使轴承零件淬回火后表面残留较大的压应力,可在淬火加热时通入渗碳或渗氮的气氛,进行短时间的表面渗碳或渗氮。由于这种钢淬火加热时奥氏体实际含碳量不高,远低于相图上示出的平衡浓度,因此可以吸碳(或氮)。当奥氏体含有较高的碳或氮后,其Ms降低,淬火时表层较内层和心部后发生马氏体转变,产生了较大的残留压应力。GCrl5钢以渗碳气氛和非渗碳气氛加热淬火(均经低温回火)处理后,经接触疲劳试验可以看出,表面渗碳的寿命比未渗碳的提高了1.5倍。其原因就是渗碳的零件表面具有较大的残留压应力。

  结论
  影响高碳铬钢滚动轴承零件使用寿命的主要材料因素及控制程度为:
  (1)钢在淬火前的原始组织中的碳化物要求细小、弥散。可采用高温奥氏体化630℃、或420℃高温,也可利用锻轧余热快速退火工艺来实现。
  (2)对于GCr15钢淬火后,要求获得平均含碳量为0.55%左右的隐晶马氏体、9%左右Ar和7%左右呈匀、圆状态的未溶碳化物的显微组织。可利用淬火加热温度和时间来控制得到这种显微组织。
  (3)零件淬火低温回火后要求表面残留有较大的压应力,这有助于疲劳抗力的提高。可采用在淬火加热时进行表面短时间渗碳或渗氮的处理工艺,使得表面残留有较大的压应力。
  (4)制造轴承零件用钢,要求具有较高的纯净度,主要是减少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量。可采用电渣重熔,真空冶炼等技术措施使材料含氧量≤15PPM为宜。

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