影响轴承寿命的材料因素及其过程控制.pdf

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万方数据‘轴承'2001．№．2●工艺与装备卜影响轴承寿命的材料因素及其控制吉林工学院(吉林长春130012)捌云旭李吉学TH胁，T矸』牛乃【AB田限^cr】Theimteml￡掀∞influencedservicelifeofthebearings．itscontrolmethodandmicrostrcture日mstudiedec口npmhemively．There：suhsshowthatafterhardeningandtempering．theidealmicrestmetureB}lmddeImsistofthehidingcrystalmaUmsltewho∞m∞ncarboncmatentis0．5％一0．56％andabout9％residualaustcniteandunsolvableembonidewhichislittle．stroll。unifcmityandspherical．Thecountem娜ureeontmlledthesefactorsisin删uced．滚动轴承的使用寿命与其制造材料(包括成分、显徽组织及内应力等)有密切的关系。目前，世界各国生产滚动轴承用的材料、热处理工艺及技术要求基本相同，轴承内外圈及滚动体用的材料是高碳铬锕，典型用钢含I．O％C、1．5％Cr，经淬火低温回火处理。但是不同国家，不同企业生产的轴承．其使用寿命颇有差异。本文在综合分析前人研究工作的基础上，提出了提高轴承寿命有关材料的主要因素及其控制方法。1影响轴承寿命的材料因素滚动轴承的失效形式，主要有破裂、磨损、腐蚀和疲劳。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。1．1淬回火马氏体在淬火低温回火状态下，马氏体的含碳量明显影响钢的力学性能。它对强度、韧性、压碎载荷和接触疲劳寿命的影响如图1所示。可以看出各力学性能具有最高值时马氏体的含碳量不尽相同。强度、韧性在0．5％左右．接触疲劳寿命在0．55％左右，抗碎载荷在0．42％左右，即马氏体含碳量为0．5稻一0．56％时．可以获得较好的综合力学性能。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索体部分，因而它们开始发生马氏体转变的温度不同，从·2D·刘云旭男，68岁．教授。长期从事金属材料的教学研究工作，完成20项科研项目，发表论文100余篇，专著12部．曾获得国家、省、部级科技成果莫8项。19嘶年被授于国家级突出贡献中青年专家称号。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。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。1．2残余奥氏体高碳铬钢经正常淬火后，可含有8％一2D％A“残余奥氏体)o】。Ar量主要与淬火加热奥氏体化条件有关。淬火低温回火后Ar含量对GCrl5钢硬度和接触疲劳寿命的影响如图2所示。可以看出．随着臭氏体含量的增多，硬度和接触疲劳寿命均随之增加．达到峰值后又随之降低，但其峰值的^r含量不同，硬度峰值出现在17％左右，接触疲劳寿命峰值出现在9形左右。而且当试验载荷减小时，^r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．既削减了应力峰，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o】。但如载荷大时，^r较大的 万方数据<轴承19．001．№．2《≥bX鲁艟椒塌善蜒马氏体中的黛含量，％0．450．500．55O．600．650．700．75马氏体中的硪含量情圈lC,erl5饲淬托马氏体舍瑗量砷弯曲强度、冲击韧性、压碎裁荷和接融瘟劳寿帝的形响(150℃回火)1．3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“。1．有关未溶碳化物对轴承寿命的影响研究较少。碳化物是硬臆相，除了对耐磨性有利之外，承载时因(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，还影响淬火马氏能产的影响，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，其力学性能如图3所示。可以看出，由于马氏体含碳量相同，而且硬度较高，因而末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碎载荷则有所降低，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影响之外，尺寸、形貌及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。1．4残余应力轴承零件经淬火低温回火后．仍具有较大的内应力。钢件热处理后的表面残余应力对疲劳强度的影响如图4所示。可以看出，随着表面残余-21· 万方数据‘轴承)200s．№．2压应力的增大，钢的疲劳强度随之增高，反之表面残余内应力为拉应力时，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余较大的压应力，也是提高使用寿命的措施之一。密Ou64-8董耐6嚣64．464．2墨3．2莹×Z潼2·8■蕾圳2．4束溶碳化钫量埔24681012来酪破化物量膳未溶艘化物量，*圉3高碳搏俩淬戈后未溶碳化轴量时硬度、压斗栽特和接触童劳寿◆的影响1．5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，如氧台量越高，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·22-降低韧性、塑性和疲劳寿命的作用。钢中夹杂物的尺寸和含氧量对疲劳抗力的影响分别如图5、图6所示。从图中可以看出，随着夹杂物尺寸的增大。疲劳强度随之降低，而且钢的抗拉强度越高，降低趋势越大。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。||～鲞6I＼=I＼誊：{＼jF]F]■?■=■了_言氧量(×104)田6寺氧量对淬火田托拥囊劳寿々的影响三研I引l”f矾J州。蛙工b；一船_睾黼翟氍端 万方数据t轴承)2∞1．№．22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(1050oC)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”J，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，马氏体的含碳量(即淬火加热后的奥氏体含碳量)、残余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，其影响情况如图7、图8所示。可以看出，随着淬火加热温度增高(时间一定)．钢中未溶碳化物量减少(淬火马氏体含碳量增高)、残余奥氏体量增多，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，随着奥氏化时间的延长，未溶碳化物量减少，残余奥氏体量增多，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．因碳化物易溶人奥氏体，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量在7％左右，残余奥氏体量在蚴左右(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，如图9所示。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，对于具有这种原始组织的轴承零件淬火加热时间不宜过长，采用臭氏体化时间Imin田8C,Erl5钢臭氏体化时间(温度均为840℃)对淬火后来溶瑗化糟量、残余奥氏体量和硬度的影响·23二鬻黛黼0疆玑H料轧吼翼剿鼍。∑蘩一 万方数据‘轴承V2001．№，2为了使轴承零件淬回火后表面残余较大的压应力，可在淬火加热时进行短时间的表面渗碳或渗氯。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)。当奥氏体古有较高的碳或氮后。其地降低，淬火时表层较内层和心部后发生马氏体转变，产生了较大的残余压应力。C．Crl5钢以渗碳气氛和非渗碳气氛加热淬火(均经低温回火)处理后的接触疲劳试验曲线如图lO所示。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余压应力。循环趺歙／趺田9原始扭娘中蕞化物颗粒太小对接触疲劳寿命的影响堡鼍鞋蜂鬟椒懈重蜡话环趺数，攻田10CCrl5钢烃斗通淬戈和渗碳气氛加热淬史的接詹疲劳搬_lI：由残(150℃四失)3结论(1)铜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℃等温，也可利用锻轧余热快速退火工艺来实现。(2)对于C,Crl5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，可利用控制淬火加热温度和时间来得到。(3)零件淬火低温回火后要求表面残余较大的压应力。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-24·艺，使得表面残余有较大的压应力。(4)制造轴承零件用钢，要求具有较高的纯净度，主要是减少q、M、P、氧化物和磷化物的含量。可采用电渣重溶、真空冶炼等技术措施使材料含氧量≤15×10。6为宜。参考文献1山本俊郎．轴承钢的进展与现状．日本金属学会会报，11，,997(6)．2拉乌盎只P．铬钢的热处理．科学出版杜，1955．3矢岛悦次郎．残留奥氏体的作用．东京都：金属材料技术研究所．1972(8)：20—454大和久重雄．残留奥氏体的应用．日本金属材料．1975(3)：19—285StiekeldCA．CsrhideRefiningHeatTreatmems缸52100Bc赫雌Steel．Met．Tram．，1974(5；)：865～8826VodopiveeF，VifiminJ。S∞々∞icB．Effect0fFretting^m．ⅡlitLIdeonMiermauctme0flc—I．5CrSteel．Mater．Sic．Teeh．．1996，12(4)：355～36570Bledl|IldR，VigshoO．PhaseCI岬inFatiguedBaUBeafinSs．Met．Tram．，llA，19S0(5)；701—7078刘云旭，于志．改善遇火组织提高轴承使用寿命．轴承，1984(1)：22—289蜘eke&C^，J日n0吐AM．ContrdliagResidudSuessesin52100&耐ngSteelbyHeatTreatment．Met．Tram．，1IA，19S0(3)：467—493(收翦日期12000—10一16)(缩辑：杜迎辉)本刊编委李荐名副教授专著《现代工业设计与工业成本设计》简介李荐名副教授经过五年多的研究，写成<现代工业设计与工业成本设计》一书。已由胡南科技出版社出版。该书阻全新的视觉，审视了工业设计和工业成本管理的全过程，以价值工程、系统工程和工业工程等理论为基础，率先在国内提出了“工业成本设计”的新概念，阐述了工业成本设计的理论、方法和设计程序。指出工业成本设计是现代工业设计的重要组成部分。该书适合于从事工业设计的工程师、会计师、经挤师、经济管理人员和企业管理干部阅读．也可作为工业工程、管理工程和工业设计专业的教材。全书25万字，太32开，简精装车，定价15元。需购者请与李荐名联系(地址：岳阳市南潮大道岳阳师范学院，电话：0730—8842473)堡丹球埒锚 影响轴承寿命的材料因素及其控制作者：刘云旭，李吉学作者单位：吉林工学院刊名：轴承英文刊名：BERING年，卷(期)：2001(2)被引用次数：3次参考文献(9条)1.山本俊郎轴承钢的进展与现状1997(06)2.拉乌金ЯP铬钢的热处理19553.矢岛悦次郎残留奥氏体的作用1972(08)4.大和久重雄残留奥氏体的应用1975(03)5.StickeldCACarbideRefiningHeatTreatmentsfor52100BearingSteal1974(05)6.VodopivceF;VizintinJ;SustorsicBEffectofFrettingAmplitudeonMicrostructureofIc-11996(04)7.OsterlundR;VigsboOPhaseChangesinFatiguedBallBearings[外文期刊]1980(05)8.刘云旭;于志改善退火组织提高轴承使用寿命1984(01)9.StickelsCA;JanotikAMControllingResidualStressesin52100BearingSteelbyHeatTreatment[外文期刊]1980(03)本文读者也读过(10条)1.汪署俊铁路货车轴承寿命影响因素分析及延寿措施[会议论文]-20042.孙晓斌延长滚动轴承寿命的途径[期刊论文]-煤炭技术2005,24(7)3.从善海.黄拿灿.胡社军稀土渗碳提高矿用牙轮钻头轴承寿命的应用研究[期刊论文]-金属热处理2001,26(7)4.李景伟.莫军晓新轴承寿命理论在应用中的探讨[期刊论文]-重型机械2002(2)5.王秋俐.马晶春.赵勇.WangQiuli.MaJingchun.ZhaoYong改善热处理质量提高轴承寿命[期刊论文]-哈尔滨轴承2007,28(3)6.孙贵清.杨桂华.SUNGui-qing.YANGGui-hua从滚动轴承受力角度探讨轴承寿命[期刊论文]-机械制造与自动化2007,36(4)7.朱亮亮滚动轴承寿命计算浅析[期刊论文]-科技信息2010(3)8.岳亮.YueLiang延长轴承使用寿命的探索[期刊论文]-煤炭技术2005,24(6)9.郑默思润滑及清洁度对滚动轴承寿命的影响程度[期刊论文]-温州职业技术学院学报2002,2(1)10.崔峰用VisualBasic编写滚动轴承寿命校核计算程序的探析[期刊论文]-知识经济2011(8)引证文献(3条)1.王秋成.张召明.庞启兴.王露.章卫东汽车轮毂轴承延寿技术途径浅析[期刊论文]-轴承2007(11)2.刘沅东.王成彪.车延岗.袁静静.刘家浚离子轰击热处理技术对轴承钢摩擦学性能的影响[期刊论文]-机械工程学报2011(5)3.张大伟.张新平.潘晓铭.谢晓文.陈旭光.赵文胜预处理对GCr15轴承钢淬火组织与性能的影响[期刊论文]-温州大学学报(自然科学版)2011(2) 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