米乐M6官方网站影响FAG轴承寿命 的材料因素
1 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。
1.1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。
1.2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。
1.3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。
1.4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)。
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。
2 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7%左右,残留奥氏体在9%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。
3 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。