（材料加工工程专业论文）环件在冷轧淬火中的组织性能演化与几何精度研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 冷环轧是一种先进的塑性成形工艺方法，可以用于制造各种截面形状环形零 件。冷轧环件具有材料组织与性能好、形状精度高、节约能源和原材料等优点， 因此，目前已经广泛用于机械、交通、航海、航天等高端产品制造领域。 本文基于有限元数值模拟软件d e f o r m - 3 d 的基础上，对冷环轧的过程进行了 模拟计算，研究了环轧过程中的应力应交的分布和材料的流动规律。结果显示， 在轧制过程中，环件的外表层的应力与应变都是整个环件的最大值；增加冷轧芯 辊的进给速度可以增加环件内部的应力和应变，使环件的变形更加均匀；材料的 硬化指数的增加也可以起到同样的效果。 本文对环件在冷轧过程中的组织演化进行了研究。结果显示，冷环轧的组织 演化与材料的不均匀变形有关，主要集中在外表层区域。在冷轧环件的外表层的 大应变区域，粒状碳化物进行了重新分布，变得更加均匀，局部区域出现了铁素 体亚晶粒，表层的大应力使部分细小的碳化物回溶到基体，增大了基体的含碳量； 环件表层片状珠光体的间距和厚度都减小，同时发生了塑性变形，其中的渗碳体 在大应变的条件下表现出了一定的塑性。 本文对冷轧环件的表面质量的演化进行了研究。结果显示，环件表面的缺陷 主要是粘着磨损与表面微裂纹；环件表面与轧辊之间的相互作用符合粘着磨损的 模型，环件表面存在粘着磨损；由于环件表面的大应变导致的严重加工硬化加重 了环件的表面磨损；在表面应变大的区域，由于碳化物周围的应力集中，会形成 表面微裂纹，并且进一步对碳化物周围微裂纹的萌生机理进行了说明。 本文对冷轧环件在淬火中的组织演化进行了研究。结果显示，冷轧环件的表 面区域出现了细化的晶粒，晶粒大小与冷轧变形量有关：环件表层区域的马氏体 变的更加细小，为高碳马氏体；马氏体的形态随环件的深度而变化，淬火碳化物 细小并分布均匀，环件表层同时存在多种强化方式，从而进一步对表层优化组织 的形成机理进行了深入探讨。 本文对冷轧环件残余应力的分布规律进行了深入的研究，对冷轧环件在淬火 残余应力、淬火变形规律和机理进行了深入检测和深入分析讨论。结果表明，冷 轧变形量和芯辊进给速度影响了环件残余应力的状态与分布；冷轧环件淬火变形 是热应力、组织应力等多种内应力综合作用的结果。 关键词：环件冷环轧组织演化淬火组织几何精度 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t 硒n gr o l l i n gi s a l la d v a n c e dp l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yt om a n u f a c t u r er i n g s c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lf r e ef o r g i n gl a r g er i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , r i n gr o l l i n g h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp o w e r , h i g hp r o d u c t i v i t y , h i g hp r e c i s i o na n dg o o d q u a l i t yp r o d u c t t h e r ee x i t sw i d ea p p l y i n gp r o s p e c t i v ef o rt h i st e c h n o l o g yi nm a n y i n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c ha sm a c h i n e , a u t o m o b i l e s ，t r a i n sa n da e r o s p a c ev e h i c l e s b a s e do nf e ms o f t w a r ed e f o r m - 3 dt h ec a 3 u r s co fc o l dr i n gr o l l i n gi ss i m u l a t e d a n dc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s sa n ds t r a i n0 1 1s u r f a c eo fr i n g si st h e m a x i m u mv a l u ei nt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ed u r i n gr o l l i n g t h ei n c r e a s i n go f m a n d r e lf e e ds p e e dc a ni n c r e a s et h ei n t e r n a ls t r e s sa n ds t r a i no fr i n g sa n dm a k et h e d e f o r m a t i o nm o r ee v e n t h ei n c r e a s i n go fh a r d e n a b i l i t yv a l u eo fr i n gm a t e r i a l sc a n a l s om a k et h es a m ee f f e c t t h em i c r o s t r u c t a r ee v o l u t i o no fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gt h ec o u r s eo fc o l d r i n g - r o l l i n ga r ei n v e s t i g a t e da n ds t u d i e d 弧er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no ft i n g sw h i c ho c 圮u ro ns u f f a c eo ft i n g sh a sar e l a t i o n s h i pt ot h et i n e v e n d e f o r m a t i o nd u r i n gr o l l i n g t h ec a r b i d eb e c a m em o r eo v e r ta n df i n ef e r r i t eg r a i n s a p p e a ri ns u r f a c el a y e ro ff i n g sa f t e rc o l dr i n g - r o l l i n g t h eh i g hs t r e s sm a k es o m ef i n e c a r b i d eg r a i n sd i s s o l v e di n t om a t e r i a l so fr i n g sa g a i na n di m p r o v et h ec a r b o nc o n t e n t o fs u l f a c el a y e r d u r i n gr o l l i n gi n t e r l a m e l l a rs p a c i n ga n dt h i c k n e s so fp e a r l i t e d e c r e a s e dp r o g r e s s i v e l ya n dp r o c e s sae x t e n to f p l a s t i cd e f o r m a t i o n s u r f a c ed e f e c t so fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gt h ec o u r s eo fr o l l i n ga r e i n v e s t i g a t e da n ds t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a i ns u r f a c ed e f e c t so fr i n g si s s p a l l i n ga n dm i c r o - c r a c k s t h ee f f e c tb e t w e e nr i n g sa n dr o l l sf i tt oa d h e s i v ew e a l m o d ea n da d h e s i v ew e a rc a na p p e a ro ns u r f a c eo fr i n g sd u r i n gc o l dr i n gr o l l i n g a n d t h es u r f a c e h a r d e n i n gd u et os e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o nc a n m a k es u r f a c ew e a rw o r s e t h em i c r o - c r a c k so f t e ni n i t i a t ea r o u n dc a r b i d e s 谢lb i gs i z eb e c a u s eo fs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni nt h ez o n e 、砘t hb i gs t r a i n a n dt h em e c h a n i s mo fm i c r o - c r a c k s i n i t i a t i o ni sd i s c u s s e d t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gt h ec o u r s eo f q u e n c h i n gi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , f i n eg r a i n sc a n b ef o u n di ns u r f a c el a y e r o fr i n g sa f t e rq u e n c h i n g n es i z eo ff i n eg r a i n si sr e l a t e dt ot h ed e f o r m a t i o no f i i i 武汉理工大学博士学位论文 c o l d - r o l l i n g t h es i z eo fm a r t e n s i t eo ns u r f a c 蟹o fr i n g sw h i c hc o n t a i nh i g hc a r b o n c o n t e n ta l s ob e c o m e ss m a l l e rt h a nt h a ti n s i d er i n g s t h em o r p h o l o g yo fm a r t e n s i t e d e p e n dt h ed e p t hb e l o wt h e 翻圆旺h c eo fr i n g s t h ec a r b i d ed i s t r i b u t em o r ee v e ni n s u r f a c el a y e ro f r i n g sa f t e rq u e n c h i n g s ot h e r ea r ev a r i o u ss t r e n g t h e n i n gm o d e si n s u r f a c el a y e ro fc o l dr i n g - r o l l e dt i n g sa r e rq u e n c h i n g t h er u l eo fr e s i d u a ls t r e s sl e f ti nc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sd u r i n gc o l dr i n g - r o l l i n g a n dq u e n c h i n g , t h er u l eo fd i s t o r t i o ni nq u e n c h i n go fc o l dr i n g - r o l l e dr i n g sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s si nc o l dr i n g - r o u e dr i n g si s i n f l u e n c e db yd e f o r m a t i o na n dm a n & e lf e e ds p e e dm a i n l y t h ed i s t o r t i o ni sa c o m p l e xe f f e c to f t h e r m a lr e s i d u a ls t r e s sa n dm i c r o s ( x u c t u r es t r e s s k e y w o r d s ：r i n g s , c o l dr i n gr o l l i n g m i c r o s t r u c t u r e , g e o m e t r i cp r e c i s i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阕和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 高精度轧制与环件轧制 1 1 1 高精度轧制概况 采用高精度的轧制技术、生产高精度的轧制产品是目前轧制行业发展的重 要方向之一。现代连续自动化作业的迅速发展，对轧制产品的各个方面，如： 组织性能的均匀一致性、外形的尺寸精度等多方面都有着很高的要求。对高精 度轧制技术的要求主要表现在产品的外形尺寸精度上，如果提高轧制产品的外 形尺寸精度将会在实际生产中产生不可估量的经济效益。例如，由于板、带材 主要用于冲制各种零部件，因此要求厚度精度高、板形平直，以利于提高冲模 寿命和冲压件的精度；板、带材除对厚度和板形精度要求高外，由于板带要进 行涂、镀深加工，因而对钢板表面粗糙度也有特殊的要求；棒、线、型材和管 材的高精度轧制可以减少加工件的切削量。提高轧制产品的尺寸精度，涉及到 了原材料、轧制工艺与设备、过程控制、仪表检测、轧制理论以及生产管理上 的多方面因素。因此，轧制高精度的产品是现代轧制技术发展的重要目标之一。 进入2 l 世纪以来，高精度发展的主要目标为提高轧制精度和性能、扩大品种、 降耗增效，并进一步扩大连续化的范围。 近年来，我国在提高轧制精度方面已经做了大量的研究工作。一方面对从 国外直接引进的高精度轧制技术进行学习、消化与吸收。再一方面，在引进的 基础上并且有效的结合我国的实际情况，自行开发出一些有关提高产品精度的 基础理论和实用的先进工艺及装备，其中一些技术已达到或超过国外的先进水 平。但总体来说，由于我国企业的工艺设备水平比较落后，高精度轧制技术与 国外发达国家相比，还存在一定的差距。我国现有轧制设备有8 0 以上达不到 国外先进水平，因此，提高我国轧制产品的高精度比是我国轧制行业发展的当 务之急。 武汉理工大学博士学位论文 1 1 2 环件轧制及其发展趋势 环件轧制是一种连续的局部塑性成形工艺，是精密轧制技术和精密塑性 成形技术的创新型集成，又称环件辗扩或扩孔。环件轧制利用环件轧制设各 轧环机( 又称辗扩机或扩孔机) 使环件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形。 与其它加工方法相比，环件轧制具有大幅降低设备吨位、振动冲击小、节能节 材、生产成本低等优点是用来生产轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮 箍、燃汽轮机环等各类无缝环件的先进制造技术，在机械、汽车、火车、船舶 等工业领域中得到日益广泛的应用。可用于环件轧制的材料范围广阔，主要有： 碳素钢、合金工具钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛台金、钴合金等“。 环件轧制的基本原理如图卜i 所示。图中的1 为主动辊，由液压或气动装 置提供动力。在轧制过程中，主动辊l 同时作旋转轧制和直线进给运动，芯辊2 由与环件3 之问的摩擦力带动，做从动旋转运动。环件3 通过主动辊1 与芯辊2 构成的轧制孔型产生连续的局部塑性变形。当环件3 经过多转轧制变形直径扩 大到预定尺寸时，环轧设备发信号给主动辊l 停止进给运动，环件轧制过程结 束。 图l 。1 环件轧制的原理图 主动辊 2 芯辊 环件轧制与机械加工、锻造等传统的加工方法相比，具有明显的优点，主 塑堡兰三查兰堕主兰些堡兰 要包括有； ( 1 ) 适用范围广 环件轧制可以广泛用于各种大、中、小型环件的制造。目前，世界上晟大 的环件直径可以达到l o m 。我国在大型环件轧制造方面也加快了步伐，如2 0 0 5 年马钢分别从日本、德国引进了一套m r x 一4 0 0 0 型卧式环件轧机成功轧制出直 径超过4 米、单重选2 5 吨的超大型环件，如图卜2 所示。 图1 - 2环轧工艺生产的大型环件 ( 2 ) 节约原材料 由于环件轧制是一种近净成形工艺，在轧制过程中几乎没有材料的切削， 因此很大程度的提高了材料的利用率。以6 3 0 8 轴承外圈为例，传统的生产方法 的材料利用率为5 0 - 6 0 ，而采用环件轧制可以达到8 0 8 5 。随着环轧技术的 提高和完善材料的利用率将会进一步提高。 ( 3 ) 环件组织性能好 由于环件轧制不切断金属的纤维，保持了金属材料的流线。因此，经过环 轧后，材料的致密性好，金属的晶粒可以得到细化，从而提高了环件的机械性 能和使用性能。 ( 4 ) 环件的尺寸精度高 由于环件轧制是利用模具成形，加工精度由模具来保证，因此工件位置精 度高，有利于后续加工，磨目加工余留量较小，环轧产品的互换性也高。对于 武汉理工大学博士学位论文 6 3 0 8 轴承外圈来说，环轧外圈的公差为0 0 8 0 1 5 m m ，宽度的公差为0 0 7 - - - 0 1 3 r a m ，内圈的公差在0 0 4 - - 0 0 6 r i m l 之间。特别是在轧制带沟槽等的异型截面 环件时，加工精度高的这一特点就更加明显。 与此同时，环件轧制造还有其它的优点，如节约能源、工作环境好、适合 批量生产等。 冷环轧是轧制工艺的一个重要组成部分。冷环轧指在材料的再结晶温度下 的轧制，是高性能轴承、齿轮等环形零件的先进制造技术。和热环轧相比，冷 环轧产品具有以下优点： ( 1 ) 产品表面质量好，光洁度高，并可根据需要赋予产品各种特殊的表面； ( 2 ) 可获得热轧法不能生产的薄壁环件； ( 3 ) 产品尺寸精度精度高、厚度均匀； ( 4 ) 产品性能好，有较高的机械强度和使用性能； ( 5 ) 可实现高速全连续轧制，有很高的生产率。 虽然冷环轧已经取得了很大的研究成果，但是还不能达到直接生产高质量 环件产品的程度，仍然还需要依赖后续的机械加工，才能达到所需要的高精度 尺寸要求。在材料的组织上也不能生产出高度连续一致的产品，材料的表面和 内部缺陷仍然是制约高质量环件产品的主要矛盾之一。 当今世界各国对环件轧制进行了深入的研究嘲1 川。环件轧制作为一种高效、 先进和主要的塑性成形工艺之一，主要发展趋势有： ( 1 ) 大型环件轧制技术 对于直径在2 m 以上的大型环件，越来越多的采用环轧技术来生产。能够 生产直径为0 2 - 1 0 m 的环轧设备的数量在美国、德国、日本等国家迅速增加； ( 2 ) 高速环件轧制技术 随着环轧设备的自动化程度的提高，环轧的速度和生产率随之提高。目前， 小型轴承环轧自动生产率可以达到3 0 0 1 0 0 0 件d , 时； ( 3 ) 精密环件轧制技术 随着制坯的精化和环轧测控系统的进展，环轧的精度逐渐提高，精密环轧 的环件直径的尺寸精度可以达到1 - 5l lm ： ( 4 ) 复杂环件轧制技术 目前，截面为矩形或近似矩形的环件轧制已经比较成熟，并且得到了广泛 应用。为了进一步减少机械加工量，提高环件材料的利用率，复杂截面的环件 4 武汉理工大学博士学位论文 成形轧制生产得到了高度重视和进一步的发展。通过毛坯和轧制孔型的优化设 计，实现了大量的复杂截面环件的直接轧制成形。 ( 5 ) 柔性环件轧制技术 为了适应多品种、多规格的环件轧制，柔性环轧设备得到了重视，目前现 有的柔性轧制设备轧制孔型更换的时问可以小于1 小时，轧制环件的直径为 2 5 0 - - 一9 0 0 m m ，重量为2 0 - 一l o o k g ，非常适合小批量的多规格环轧生产。 1 1 3 轴承行业与环件轧制 在当今的各国制造业中，环轧技术得到了广泛应用。轴承套圈是作为大批 量生产的零件，其质量和性能的好坏很大程度上取决于制造技术。传统的轴承 内外套圈是通过车削等机加工生产的，典型的加工工艺为：下料一镦粗一冲孔一退 火一粗车一精车一淬火一磨削。这样的加工工艺不但费料、费时，导致生产效率低， 成本高，而且轴承套圈的金属流线纤维也不连续，产品的组织性篚也不好，远 远不能满足高性能轴承的使用要求。因此，轴承行业是应用环轧技术最早也是 最广泛的行业之一。 轴承套圈的精密冷环轧工艺是上世纪8 0 年代发展起来的新技术，是环轧的 重要组成部分，能最大限度地使工件形状和精度接近于成品零件的形状和精度， 并可显著改善工件的内在质量，所以该加工方法引起国内外轴承企业界的普遍 重视。环件冷轧技术作为先进的塑性成形新技术之一，在高性能轴承套圈制造 中具有无可比拟的优越性。 国外一些著名轴承生产厂，如德国的f a g 公司、瑞典的s k f 公司和原苏 联的第二十三轴承厂都采用这一先进工艺。世界各国都在致力于冷环轧技术的 开发研究，并已在批量生产中实际应用。如英国f o p 弛i f i o 公司的冷环轧生产线， 德国s k f 公司的e m b 型封闭成形扩孔机冷环轧生产线，德国宝飞螺( 巴德杜本) 的u r w 型全自动轴承套圈冷环轧机，日本共荣的c r f 型冷环轧机等，其中德国 和日本的设备在国内轴承行业已有少量引进。2 0 世纪8 0 年代末该工艺受到我 国轴承行业的重视，引进冷环轧设备。 随着冷环轧工艺的逐渐推广，其应用范围越来越大，但是由于冷环轧工 艺的不成熟性，尚不能直接终轧成形，只能主要用来制取供后续加工使用的 毛坯。虽然国内很多企业对冷环轧技术的关注不断增加，但受制于原材料质量、 毛坯重量与精度、冷环轧工艺以及缺乏高性价比的设备等原因，轴承套圈冷环 5 武汉理工大学博士学位论文 轧技术一直未能得到广泛应用。 在实际生产中，现在的冷环轧工艺尚存在的主要问题包括：冷环轧后 的表面和内部缺陷较多；环件在冷轧后由于受到残余应力等因素的影响， 外形几何尺寸达不到要求，并且直接影响了热处理后的组织和外形尺寸； 不能通过控制冷轧工艺参数来优化轧后的显微组织；与轧后的热处理没有 合理的配合，依然是各自独立的工艺路线等。 中国轴承工业与世界轴承工业强国相比，存在较大差距，主要表现为高精 度、高技术含量和高附加值的产品比例偏低、产品稳定性差、可靠度低、寿命 短。与发达国家相比，存在的差距主要包括： ( 1 ) 我国能生产的轴承品种少，目前世界轴承产品的规格有大约1 5 万种， 而我国迄今累计生产仅有2 万余种，而且多为通用产品； ( 2 ) 生产能力不足，目前我国的生产企业约为2 0 0 0 多家，是世界其它国 家轴承企业总和的5 - 6 倍。2 0 0 8 年我国的轴承产量为1 0 5 亿套，但是只相当于 世界排名第一的瑞典s k f 公司的一半，与第六的美国t i m k e n 公司相当； ( 3 ) 在尺寸和旋转精度上，我国的轴承尽管已经接近国外名牌产品，但是 在尺寸偏差的离散度上还存在较大的差距。另外，国外早已经开始研究和应用 “不可重复跳动 精细旋转精度指标，在我国此方面的研究尚属空白； ( 4 ) 在振动、噪声和异音方面。日本已经推出静音和超静音轴承，而我国 轴承的振动( 加速度) 极值水平与日本产品相比，一般要差l o d b 以上； ( 5 ) 在高速性能方面，国外名牌产品的d m n 值( 轴承节圆直径( 唧) x 旋 转速度( r p i n ) ) 达4 x1 0 6 r a m r m i n ，而我国轴承仅为2 1 0 6 n u n r m i n ； ( 6 ) 在寿命与可靠性方面，以深沟球轴承为例，国外名牌产品的寿命一般 为计算寿命的8 倍以上( 最高可达3 0 倍以上) ，可靠性为9 8 以上( 或追求与主 机等寿命x 而我国轴承的寿命一般仅为计算寿命的3 - - 一5f i 弓可靠性为9 6 左右； ( 7 ) 轴承套圈冷环轧技术，我国从原理研究开始起步，相继获得国家发明 专利，已进入实用化阶段。国产冷环轧机的技术水平与日本c r f 型和德国u p w a 型冷环轧机相当，但在机床的稳定性、系列化、应用范围和自动化程度方面存 在较大差距。 现代高速精密静音机械的发展对轴承的加工与测量精度提出了更高的要 求，轴承零件的公差等级已由微米级进入到纳米级，从而对轴承零件的加工与 测量提出了相应的要求。纳米级轴承加工和测量技术国内刚起步，国外如英国 6 武汉理工大学博士学位论文 一些公司近年来在纳米技术超精切削和超精磨削领域都取得很大进展。其它一 些先进的加工、检测技术如自适应磨削技术、在线测量技术、故障诊断技术、 仿真试验等技术，国外已得到广泛的应用，国内在这方面差距很大。 正是由于我国轴承存在着从品种规格到性能质量等方面的不足，因此，不 仅在出口上，绝大部分为低档产品，每套轴承平均价格仅为o 4 美元左右，不 具任何技术竞争力，而且在国内的一些重要主机或领域，铡如民航飞机、高速 铁路客车、中高档轿车、计算机、空调器、引进型重大装备等方面，基本上是 由进口轴承“一统天下一。而这些产业或领域，又多是国民经济的支柱产业或 领域n 5 】一【1 7 】。 1 2 轴承的失效 1 2 1 轴承的工况及失效形式 轴承是现代各种机械设备上基础零件。同时也是最易损坏的零件，其中滚 动轴承是轴承中的最主要产品。在正常工作时，由于轴承的滚动体和套圈滚道 之间以很小的面积接触。因此在工作时，承受着很高的接触压应力，最大可以 达到3 0 0 0 - - 5 0 0 0 m p a ，循环的应力次数可以数万次分钟除此之外，滚珠还受 到由离心力引起的附加载荷，并且随转速的提高而增加。滚动体和套圈滚道之 间还可能发生滑动而产生摩擦。因此，在工作到一定的时间后，将发生接触疲 劳破坏或受损而失效。滚动轴承的主要失效形式有n 町。嘲： ( 1 ) 接触疲劳失效 接触疲劳失效指轴承表面受到交变应力的作用而产生的失效。接触疲劳剥 落发生在表面，往往也伴随着疲劳裂纹，首先从接触表面以下最大交变切应力 处产生，然后扩展到表面形成不同的剥落形状，如点状为点蚀或麻点剥落，剥 落成小片状的称浅层剥落。剥落面的逐渐扩大，而往往向深层扩展。形成深层 剥落。深层剥落是接触疲劳失效的疲劳源。 ( 2 ) 磨损失效 磨损失效系指表面之间的相对滑动摩擦导致表面金属不断磨损而产生的失 效。持续的磨损将引起轴承零件逐渐损坏，并最终导致轴承尺寸精度丧失。磨 损可能影响到形状变化，配合间隙增大及工作表面形貌变化，可能影响到润滑 7 武汉理工大学博士学位论文 剂或使其污染达到一定程度而造成润滑功能完全丧失，因而使轴承丧失旋转精 度乃至不能正常运转。磨损失效是各类轴承常见的失效模式之一，按磨损形式 通常可分为最常见的磨粒磨损和粘着磨损。 磨粒磨损指轴承工作表面之间挤入外来坚硬粒子或硬质异物或金属表面的 磨屑且接触表面相对移动而引起的磨损，常在轴承工作表面造成犁沟状的擦伤。 粘着磨损指由于摩擦表面的显微凸起或异物使摩擦面受力不均，在润滑条 件严重恶化时，因局部摩擦生热，易造成摩擦面局部变形和摩擦显微焊合现象， 严重时表面金属可能局部熔化，接触面上作用力将局部摩擦焊接点从基体上撕 裂而增大塑性变形。这种粘着撕裂粘着的循环过程构成了粘着磨损，轻微 的粘着磨损称为擦伤，严重的粘着磨损称为咬合。 ( 3 ) 断裂失效 轴承断裂失效主要原因是缺陷与过载两大因素。外加载荷超过材料强度极 限而造成零件断裂称为过载断裂。轴承零件的微裂纹、缩孔、气泡、大块外来 杂物、过热组织及局部烧伤等缺陷在冲击过载或剧烈振动时也会在缺陷处引起 断裂，称为缺陷断裂。 按照最大切应力理论，切应力在接触表面下0 7 8 6 b 处达到最大，b 为接触带 宽度。在高应力下长时间运转，会产生强烈的塑性变形，显微组织由回火马氏 体转变为回火索氏体，强度降低，比容减小，。周围引起附加张应力，如果此区 域存在非金属夹杂物或粗大的碳化物，就成为疲劳裂纹的发源地。疲劳裂纹一 般沿着切应力方向发展，扩展方向一般与表面呈4 5 夹角，当扩展到表面的时候， 就会引起表面剥落。表面下一定深度( 1 m m ) 的非金属夹杂物和组织缺陷的危 害最大。 1 2 2 轴承对材料的要求 轴承的工作环境要求材料应具有高硬度和耐磨性、高抗压强度和接触疲劳 强度。此外，还具有一定的韧性、良好的尺寸稳定性和工艺特性等，有些特定 场合则要求材料具有耐蚀性或耐高温性能。轴承用钢通常是高碳铬钢及渗碳钢。 随着近代科学技术的发展和滚动轴承使用量日益增加，对轴承的要求越来越高， 如高精度、长寿命及高可靠性等。对于些特殊用途轴承，还要求轴承材料具 有耐高温、抗腐蚀、无磁性、超低温、抗辐射等性能。对轴承钢的基本质量要 8 武汉理工大学博士学位论文 求是纯净和组织均匀，纯净就是杂质元素及非金属夹杂物的数量要少，组织均 匀是碳化物要细小，并且分布要均匀。轴承钢经过热处理后要求有高而均匀的 硬度和耐磨性，好的弹性极限和高的接触疲劳强度嗍嘲1 。 1 2 2 1 材料的纯净度 材料中的夹杂物破坏了材料的连续性并且产生应力集中，经常成为剥落的 裂纹源，因此应该尽可能降低轴承钢中的夹杂物的含量。夹杂物对轴承钢的疲 劳寿命的影响主要有： ( 1 ) 轴承钢的连续性受到了破坏。在塑性变形的过程中，在大应力和交变 载荷的作用下，在非金属夹杂物处容易产生应力集中，因此夹杂物的存在对材 料的性能是一种潜在的危害。 ( 2 ) 由于基体与夹杂物的热膨胀系数的不同，在夹杂物与基体的界面容易 产生相反的微观应力，即镶嵌应力，形成初始裂纹。危害最大的为热膨胀系数 小的氧化铝和尖晶石之类的夹杂物。 ( 3 ) 独立的硫化物夹杂同样也破坏了钢的连续性。当硫化物把钢中独立存 在的氧化物包围起来，形成硫氧共生夹杂物，则会减轻氧化物对轴承钢疲劳性 能的有害影响。 1 2 2 2 材料的均匀性 轴承钢的均匀性是指化学成份的均匀性及碳化物的均匀性。化学成份的均 匀性主要是指钢中的各种合金元素的宏观及微观偏析程度；碳化物的均匀性包 括：碳化物颗粒尺寸的大小、分布状态以及形态等。 多种研究结果表明：液析碳化物的危害与钢中非金属夹杂物的危害程度相 当；带状碳化物的分布不均匀可以使轴承材料的疲劳寿命大幅度降低；碳化物 颗粒的大小严重影响了轴承的工作寿命。高碳铬轴承钢经过正常的热处理后， 一般会有7 - 9 的残余粒状碳化物存在基体中。当基体马氏体的含碳量为确定时， 碳化物的平均颗粒度越小，则轴承的疲劳寿命越长，如表1 - 1 所示。有资料表 明，当碳化物的平均直径从li im 降低到0 5 6i lm 时，材料的疲劳寿命可以提高 2 - 2 5 倍。 9 武汉理工大学博士学位论文 表l l 热处理后碳化物对疲劳寿命的影响 碳化物平均直径 疲劳寿命 ( 1 im ) l l o 次w 次 0 7 8 5 0 6 5 5 0 0 9 0 0 4 9 1 0 6 0 8 6 1 0 6 4 0 0 1 0 6 6 0 1 0 6 8 0 x 1 0 6 1 3 o 1 0 6 1 2 3 滚动轴承的疲劳破坏 滚动轴承采用高强度合金钢或优质碳素钢渗碳淬火处理，获得高硬度、高 机械强度的特性，因此承载能力很强而变形很小，接触斑区相应也很小。计算 表明，正常设计条件下，轴承接触斑区的应力虽然较高，但明显低于热处理后 轴承钢的强度。但是疲劳破坏现象却时常出现，主要是由于： ( 1 ) 材料表面缺陷种类繁多，是导致疲劳破坏的主要原因之一。材料表面 既有材料本身造成的位错、缺陷和夹杂物等，又有由外界因素造成的机械加工 微裂纹、过热软点、水分等的腐蚀缺陷，缺油时的擦伤，机械杂质阻滞滑擦， 外力碰撞摩擦划痕，运行微滑行等都是轴承表面损伤原因，它们都可能成为轴 承表面疲劳破坏发生的根源。在润滑脂润滑的条件下，表面微缺陷内有可能渗 入油脂时，滚子和滚道间强烈的碾压作用，将在裂损“口部 被“封死 的条 件下，在裂纹内形成超高压力，成为疲劳裂纹发展的强大推动力，这种碾压油 楔破坏是表面点蚀，疲劳剥离的加速发展的重要原因之一。 ( 2 ) 金属内部的微缺陷，是轴承深层疲劳破坏容易产生的根源。金属材质 内部总存在一些微缺陷，它使局部结构强度降低，一旦外加应力高于局部强度， 塑性变形就会产生发育为微裂纹，进而发展成为宏观的疲劳破坏现象。金属内 部缺陷有：位错与夹杂物等缺陷( 氢、氧、磷、硫化合物) 等。对于不同的金 属类别，金属内部的晶界、皿晶界、原子空缺等都程度不同的阻塞或加速金属 受力变形过程和金属材质内位错现象的抑制或发展。合金或杂质元素又往往在 位错线处富集，它们错综复杂地相互作用着，削弱了金属整体强度。实际部件 发生失效故障时，所表现的强度往往还比上述测定极限明显降低，原因通常是 1 0 武汉理工大学博士学位论文 复杂的，如结构、冷热加工等，但就金属材质强度分忻，内部缺陷在受外力作 用时产生应力集中，而此处又是机械强度较弱的处所，常常成为轴承破坏性故 障的祸首瓣脚。 1 ：3 滚动轴承钢g c r l5 概况汹h 嘲 1 。3 16 0 r i5 钢概述 高碳铬轴承钢具有良好的接触疲劳性能和耐磨性能，并且加工性能良好， 能够满足一般和某些特殊用途轴承的要求，用来制造轴承已经有近百年的历史， 目前是国内外广泛采用的钢种，在我国约占轴承用钢总量的9 0 以上。 g c r l 5 是高碳铬轴承钢的一种基本型号，含碳量为0 9 5 1 0 5 ，属于过共 析钢，它能保证通过适当热处理获得冷作模所需要的高硬度、高强度、高耐磨 性等性能。g c r l 5 钢中加入铬的主要目的是提高钢的淬透性，如含c r 为1 5 0 时，厚度为1 5 毫米左右的工件，在油中冷却即可淬透。此外，c r 与c 所形成的 ( f e ，c r ) 合金渗碳体，它比一般渗碳体稳定，能降低钢的过热倾向，淬火后 获得细片状或隐晶马氏体和细小碳化物的混合组织，从而增加钢的韧性：铬还 有利于提高钢在低温回火时的回火稳定性。一般认为钢中c r 含量超过1 6 5 时， 会增加淬火钢中残余奥氏体量并使碳化物分布不均匀，其结果将导致冷作模具 的机械性能降低都使用寿命缩短。因此，在g c 订5 钢中，含c r 量以控制在1 3 0 - 1 6 5 范围之内。 当c r 1 5 钢的化学成份符合标准时，轴承的内在质量很大程度上取决于冶 金质量：化学成份的均匀性、非金属夹杂物的含量、类型大小及分布、碳化物 的不均匀性，此外，热处理质量对使用性能和寿命也起到决定作用。 1 3 2c r 在钢中的作用 铬是碳化物的强形成元素，除了可以提高钢的强度、硬度、耐磨性外，还 可以提高钢的淬透性和耐腐蚀性能。 般在c 为1 、c r 2 6 5 钢中，只生成m 3 c 碳化物。合金元素c r 的主要作 用是提高钢的淬透性，能显著改变钢中碳化物颗粒的分布和大小，使渗碳体型 武汉理工大学博士学位论文 碳化物m e g 变得细小和分布均匀。同时，铬还能减小钢过热倾向和脱碳速度， 一般含铬量在0 5 - 1 6 5 范围内。含铬过高易形成大块碳化物( 如c r y ) ，并使 残余奥氏体量增加，不利于轴承寿命提高。同时有部分c r 与碳形成合金渗碳体 ( f e ，c r ) ，淬火后此碳化物呈细小颗粒状均匀分布在隐晶马氏体的基体上，使 轴承钢在热处理后获得高而均匀的硬度及耐磨性。 1 3 3g c r l 5 钢的退火与正火组织 c - c r l 5 钢锻造后的组织为细片状珠光体，硬度为h 8 2 5 5 - 3 4 0 。也允许有细小 网状碳化物出现。这样的组织可以不经正火，而直接进行球化退火。如果锻造 工艺不当，如终锻温度过高，锻后冷却又过慢，则将使碳化物明显沿奥氏体晶 界析出，结果形成粗大网状碳化物；终锻温度过低，沿晶界析出的碳化物将和 奥氏体晶粒一起，沿着变形方向被拉长，使碳化物呈线条状出现。粗大网状碳 化物和线条状碳化物均不能通过球化退火消除。 g c r l 5 钢球化退火的主要目的是：( 1 ) 消除锻造应力、降低锻坯硬度( 可降至 h b 2 0 7 2 2 9 ) ，有利于机械加工，( 2 ) 改善原始组织使获得均匀、细小的球状珠 光体，珠光体形态的正常级别为2 - 3 级。 这种理想的退火组织有许多优点：( 1 ) 具有良好的切削加工性，适于用自动 或半自动机床进行切削加工，表面加工质量较好：( 2 ) 过热倾向较小，允许的加 热温度范围较宽，淬火操作容易掌握，因此质量稳定；( 3 ) 在相同温度正常淬火 后，其残余奥氏体量较少，硬度和抗弯强度较高；( 4 ) 使淬火低温回火状态，在 强而韧的马氏体和残余奥氏体基体上均匀分布着一定数量的细粒状碳化物，有 利于获得较为良好的耐磨性。 轴承钢的退火有扩散退火、去应力退火和球化退火等几种类型。轴承套圈 锻件的退火应采用球化退火。球化退火使组织变为均匀分布的细粒状的珠光体， 为淬火提供最佳的原始组织：提高了塑性，降低硬度，便于切削加工。 1 3 4g c r l5 钢的淬火组织 淬火加热温度对g c r l 5 钢的性能有较大影响。因此，淬火加热温度的选择 首先要求在淬火加热时应有足够数量的合金渗碳体溶入奥氏体中，使奥氏体中 有足够的碳和合金元素含量。( ；c r l 5 钢中的残余碳化物数量不多，如果淬火温度 1 2 武汉理工大学博士学位论文 偏高，将会晶粒粗大、韧性降低。因此，g c r l 5 钢的最佳淬火温度范围一般仅在 2 0 - 3 0 范围内波动。g c r l 5 钢的正常淬火加热温度为8 3 5 - 8 4 5 。淬火温度过 低或过高，都会给钢的淬火组织和性能带来不良影响。若淬火温度过低，则由 于碳化物难以溶入奥氏体，使奥氏体中的碳及合金元素浓度过低，同时奥氏体 中成分难以扩散均匀，因而钢的淬透性降低，并在淬火后达不到性能要求；若 淬火温度过高，则由于碳化物大量溶入奥氏体，使奥氏体晶粒摆脱抑制而剧烈 长大，使钢的淬火马氏体片变粗，残余奥氏体的数量增加，钢的强度和韧性下 降，淬火变形和开裂的倾向增大。低于8 2 0 时，随着淬火温度升高，淬火后硬 度逐渐增加；在淬火温度为8 3 0 - 8 6 0 时，淬火硬度达到h r c 6 3 - 6 5 ，在高于8 6 0 淬火时，由于残余奥氏体量增加，淬火硬度趋向于降低。 淬火加热时间不仅必须保证零件热透，而且必须保证可能转变为奥氏体的 那一部分碳化物及合金元素完全溶解，保温时间太短不能达到足够的淬透性和 回火稳定性，保温时间过长又可能引起晶粒的长大和脱碳层增加。 g c r l 5 钢的正常淬火组织为隐晶马氏体或细小结晶的马氏体、少量的残余奥 氏体和细小而分布均匀的碳化物。一般情况下，如果存在明显针状组织则说明 奥氏体加热温度已经达到过热的范围。g c r l 5 钢的淬火组织中，马氏体占8 0 以 上，碳化物占5 - 1 0 ，残余奥氏体占9 - 1 5 ，具有这种组织的轴承钢的硬度、强 度、耐磨性和耐疲劳性都很好，经过回火还可以获得弹性、韧性和尺寸稳定性 等良好的综合机械性能。 1 3 5g c r l5 钢中的碳化物 g c r l 5 钢主要的合金元素是c 和c r ，c 是偏析倾向很高的元素，而c r 是碳 化物的易形成元素。当c 含量达到0 6 时，马氏体的硬度具有最大值，c 达到 饱和程度。因此，由于g c r l 5 钢的高含碳量，基本不存在c 贫乏的情况。马氏 体的硬度波动不大，而碳化物的数量、形态与分布将直接影响轴承钢的性能。 g c r l 5 钢中碳化物的数量、形状、大小和分布的均匀程度，是决定轴承钢质量的 重要标志。按碳化物的组织特征( 或形成历程) 可以分为液析碳化物、带状碳化 物、网状碳化物以及颗粒碳化物。轴承钢中碳化物不均匀性主要表现为：碳化物 液析、碳化物带状和碳化物网状。 ( 1 ) 碳化物液析是液相中碳及合金元素富集而产生的亚稳共晶莱氏体，热 1 3 武汉理工大学博士学位论文 加工时，被破碎成不规则碎块，沿压延方向呈链状或条状分布。它是不合理的 浇铸、冷却条件所引起的严重枝晶偏析，以及铬元素降低碳在奥氏体中最大固 溶度的综合结果。一般认为碳化物液析属于三角晶系碳化物，硬度极高，它的 存在会使轴承零件在热处理过程中