新材料与表面技术在滚动体中的应用

新材料与表面技术在滚动体中的应用 表 新材料与表面技术在滚动体中的应用 表 查看原文 点击次数 32 据中国钢铁新闻网 2007 年 6 月 8 日报道 随着机械工业技术的发展 对轴承提出了更高的要求 提高轴承性能的途径有 采用先进的设计技术 采用先进的制造技术 采用新材料 采用先进的管理理念和方法 本文探讨新材料及表面工程技术在滚动体制造中的应用 常用 传统 滚动体材料 1 高碳铬轴承钢 高碳铬轴承钢包括 GCr15 GCr9 GCr6 GCr15SiMn 等 用于制造通常工作条件下的轴 承滚动体 目前用量占滚动体生产量的 85 以上 2 渗碳轴承钢 渗碳轴承钢包括 08 10 25 15Mn G20CrMo G20CrNiMo G20CrNi2Mo G20Cr2Ni4 G10CrNi3Mo G20Cr2 Mn2Mo 等 用于制造耐冲击轴承滚动体 一般碳钢球用于制造价格较低的轴承 合金渗碳 轴承钢用于制造汽车 轧机轴承等 3 不锈轴承钢 不锈轴承钢包括 9Cr18 9Cr18Mo 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 1Cr17Ni2 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 等 用于制造腐蚀介质中的轴承滚动体 特殊滚动体材料有 1 高温轴承钢 高温轴承钢包括 Cr4Mo4V M50 W9Cr4V2Mo Cr15Mo4V W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 等 用 于制造耐高温轴承滚动体 用于燃气轮机 航空发动机等高温高速轴承 2 中碳轴承钢 中碳轴承钢包括 GCr10 40CrA 65Mn 50CrNiA 55SiMoV 等 用于制造受冲击载荷的 滚动体 如 55SiMoV 用于制造涡轮钻具轴承的滚动体 3 无磁轴承材料 无磁轴承材料包括 G52 G60 25Cr18Ni10W Ocr40Ni55A13 QBe2 0 NiCu28 2 5 1 5 G52 用于制造无磁高温高压水轴承滚动体 G60 用于制造无磁高温高真空及氧化性介质中的轴承滚动体 25Cr18Ni10W 用于制造无磁轴承滚动体 Ocr40Ni55A13 用于制造无磁轴承滚动体 QBe2 0 用于无磁低温耐腐蚀轴承滚动体 NiCu28 2 5 1 5 用于制造无磁耐腐蚀钢球 新型滚动体材料 1 工程陶瓷材料 工程陶瓷材料包括氮化硅陶瓷 氧化锆陶瓷 氮化硼陶瓷 氮化硅陶瓷 Si3N4 制造高速或高温 耐腐蚀精密陶瓷轴承球或滚子 氧化锆陶瓷 ZrO2 制造高温 耐腐蚀中低速陶瓷轴承球或滚动子 氮化硼陶瓷 BN 制造高温 耐腐蚀 自润滑全陶瓷轴承 表一 工程陶瓷材料性能及轴承钢 GCr15 性能的比较 项目 氮化硅 氧化锆 氮化硼 轴承钢 材料 Si3N4 ZrO2 BN GCr15 密度 g cm3 3 2 5 8 6 05 1 8 2 19 7 85 硬度 HV 1700 9 1300 7 莫氏 2 700 抗弯强度 MPa 700 1200 600 800 2400 断裂韧性 MPa m1 2 6 8 7 14 25 弹性模量 GPa 320 150 220 80 208 热膨胀系数 10 6 K 3 2 8 7 11 4 2 7 5 11 8 电阻率 mm2 m 1017 1018 1010 1016 10 1 1 使用温度 800 800 900 300 尺寸稳定性 好 好 好 差 耐腐蚀性能 好 好 好 差 2 氮化硅陶瓷材料 其特点是 多晶材料 晶体结构属六方晶系 氮化硅陶瓷外观呈灰白 蓝灰 灰黑色 理论密度 3 19 0 1g cm3 密度低 高硬度 良好的耐磨性 低磨擦系数 自配磨 0 02 0 07 自润滑性好 耐高温 抗热震性较好 具有较高的断裂韧性 抗冲击性能较好 耐腐蚀性好 能耐所有酸 除氢氟酸以外 腐蚀 能抗弱碱腐蚀 对大多数强碱和熔 盐不稳定 与轴承钢相近的接触疲劳寿命 相似的疲劳剥落形式 氮化硅粉末性能 粒度 0 5 0 8 m 低的杂质含量和氧含量 2wt 相含量 90wt 氮化硅粉末制造方法 A 硅粉直接氮化法 3Si 2N2 Si3N4 国内普遍采用的方法 需经球磨得到细粉 易引入杂质 B 硅亚胺分解法 SiCl4 6NH3 Si NH 2 4NH4Cl 3Si NH 2 Si3N4 N2 3H2 粉末纯度高 细度细且均匀 制造成本高 C 碳热还原氮化法 3SiO2 2N2 6C Si3N4 6CO D 化学气相沉积法 3SiCl4 4NH3 Si3N4 12HCl 需激化诱导 粉末纯度高 细度细且均匀 制造成本极高 11 致密氮化硅陶瓷制造方法 A 热压氮化硅 HP SN 方法 氮化硅混合粉末在石墨模具中 同时加热和但轴向加压 烧结温度 1650 1850 压力 15 30MPa 保温时间 1 4h 特点 致密 基本达到理论密度 99 100 制品形状简单 难于批量化生产 可制造滚子毛坯 成品价格昂贵 B 常压烧结氮化硅 S SN 方法 氮化硅混合粉末经模压或冷等静压成形 用烧结炉在 N2 气氛中烧结 温度 1700 1800 时间几小时 压力 0 1MPa 1atm 特点 成本低 易于批量生产 相对密度 95 99 孔隙较多 不适宜制造轴承球 C 气氛压力烧结氮化硅 GSP SN 方法 氮化硅混合粉末经冷等静压成形 用气氛压力烧结炉在高压 N2 气氛中烧结 烧 结温度 1800 时间数小时 压力 5 10MPa 特点 性能好 致密 相对密度 97 99 易于批量生产 国内普遍采用 可制造轴承球 成本较高 D 热等静压烧结氮化硅 HIP SN 方法 氮化硅混合粉经模压或冷等静压成形 S 或 GPS 烧结后 用热等静压炉 Ar2 或 N2 气做压力传递介质 在高温 1700 1999 高压 150 200MPa 下使氮化硅致密 使原 已烧结过的 RBSN SSN SRBSN 进一步排除气孔 添加剂含量低 特点 性能优异 基本完全致密 99 100 可批量生产 可制造高性能陶瓷轴承球 国外普遍采用 成本高 12 小结 陶瓷轴承滚动子 HP SN HIP SN 陶瓷轴承球 GPS SN HIP SN 一般用途的陶瓷球 S SN SRB SN 3 氧化锆陶瓷材料 其特点是 晶体结构 部分稳定氧化锆 PSZ 立方相 cub 结构 单斜相 mono 结构 较高的韧性 所有陶瓷材料中最高的 抗弯强度可达 1300MPa 但断裂韧性对温度 敏感 高温应用时应注意 常用的氧化锆陶瓷为 Mg PSZ 高硬度 耐磨损 不易划伤对偶件 耐腐蚀 对多数酸碱稳定 接触疲劳寿命与轴承相差较大 不适宜制造高速重载陶瓷轴承 可制造轻载中低速腐蚀场合的陶瓷轴承 氧化锆粉末制造方法 锆英石 ZrSiO4 砂与焦碳和氯气在 800 1200 发生氯化反应生成气相 ZrCl4 和 SiCl4 4 聚甲醛工程塑料 聚甲醛是一种高熔点 高结晶性的热塑性工程塑料 分均聚和共聚甲醛 是机械性能 中最接近金属的工程塑料之一 性能如下表 项目 均聚甲醛 共聚甲醛 密度 g cm3 1 42 1 41 抗变强度 MPa 90 98 抗压强度 MPa 127 110 冲击强度 J m 缺口 76 65 无缺口 1310 1140 洛氏硬度 M94 M80 摩擦系数 0 35 0 35 使用温度 40 100 性能特点 与金属接近的比强度和比刚性 高的弹性模量 高的刚性和硬度 较好的冲击强度和耐蠕变性及耐疲劳性 应用 制造轻载低速耐腐蚀轴承滚动体 制造轻载低速自润滑轴承滚动体 5 其他材料 金属陶瓷材料 硬质合金等 今日焦点 铝合金材料 铜合金材料 钛合金材料 选择滚动体材料 应根据不同的使用条件 进行合理选择 表面工程技术 1 概述 机械产品的故障往往是个别零件失效造成的 而零件失效往往是由于局部表面失效造 成的 腐蚀从零件表面开始 摩擦磨损在零件表面发生 疲劳裂纹有表面向里延伸 应用 表面工程技术可将那些易损零件的易损表面的失效期处长 使产品的整体性能得到提高 轴承是典型的表面工作零件 轴承表面有细微的磨损 疲劳 腐蚀等失效出现 就可 使整套的轴承失效 可通过表面工程技术改善轴承工作表面的状态 提高轴承的寿命 表面工程技术是经表面预处理后 通过表面涂覆 表面改性或多种表面技术复合处 理 改变固体金属表面或非金属表面的形态 化学成份 组织结构和应力状况 以获得所 需要的表面性能的系统工程 表面工程技术是为机电产品适应高温 高压 高速 重载及腐蚀介质 恶劣工况条 件的需要而于近十多年形成并迅速发展起来的一门新兴学科 具有多学科交叉 综合 复 合的显著特色 可有效推进产品质量提高和环境保护改善 表面工程技术在解决耐磨和防 腐以及提供功能性涂层方面 具有突出的成效 表面工程技术的主要功能 A 提高表面耐磨性或耐腐蚀 抗疲劳 抗氧化 防辐射性能 B 改善表面的传热性或隔热性 C 改善表面的导电性或绝缘性 D 改善表面的导磁性或电磁屏蔽性 E 改善表面的增光性 反光性或吸波性 F 改善表面的粘着性或不粘性 G 改善表面的吸油性或干摩性 H 改善表面的摩擦系数 提高或降低 I 改善表面的装饰性或仿古做旧性 表面工程技术是系统工程技术 包括 A 表面工程基础理论 表面失效分析理论 表面摩擦磨损理论 表面腐蚀与防护理论 表面界面结合与复合 理论 B 表面工程技术及复合表面工程技术 复合表面技术 化学转化膜技术 表面涂层 厚膜 技术 表面薄膜技术 表面化学粘 涂技术 磨擦化学膜技术 表面机械强化技术 C 表面加工技术 表面预处理技术 表面层的机械加工技术 表面层的特种加工技术 D 表面质量检测与控制 表面几何特性与检测 表面力学特性与检测 物理及化学特性与检测 表面分析技术 E 表面工程技术设计 表面层结构设计 表面层材料设计 表面层工艺设计 表面工程车间设计及表面工程 车 表面工程技术经济分析 F 常用的表面技术 堆焊技术 熔接技术 低真空熔接 激光熔敷等 电镀 电刷镀及化学镀 热喷涂技 术 火焰喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂 爆炸喷涂 高能超声速喷涂 粘结技术 涂装技 术 物理与化学气相沉积技术 真空蒸镀 离子溅射 离子镀等 化学热处理 激光相变 硬化 激光非晶化 激光合金化 电子束相变硬化 离子注入等 G 表面工程技术在轴承的滚动体中应用的意义 A 在表面滚动体制备性能优异的表面功能薄层 使其具有比基体材料更高的耐磨性 抗腐蚀性和耐高温等性能 如碳钢球通过表面处理代替不锈钢用于腐蚀性场合 带动滚动 制造的技术创新 B 对特种中大型轴承 改变 用后丢弃 的维修观念 向 再制造 的观念转变 变 原样修复为实现超过原始性能的改进性修复 推动维修观念的创新 C 节能接材 有利于环境保护 符合国家可持续性发展战略 D 推动高新技术产业的发展 2 离子注入表面的处理技术 基本原理的定义 离子注入表面处理是把某种元素的原子电离成离子 并使其在机十至几百千伏的电压 下进行加速 在获得较高速度后射入方在真空靶室中的工件表面的一种离子束加工技术 离子注入技术特点 A 明显改善材料的耐磨性 抗蚀性 耐高温性及光 电 超导等性能 B 表面合金层不受相平衡 固溶体等传统合金化规则的限制 原则上任何元素都可以 注入到任何基体金属中 C 离子注入层与基体材料之间无界面 不存在结合不良产生剥落的问题 D 无环境污染 离子注入设备 离子注入机主要包括一个产生离子的离子源和一个带有抽真空系统的靶室 离子源有 固体离子源 气体离子源及固体 气体离子源 离子注入技术的应用 A 用于工具 刀具 模具等离子注入 大幅提高滚动体工模具的寿命 B 用于大型轴承的滚子和钢球的表面处理 获得所需的高温 耐蚀 电磁 自润滑等 特性 尤其对于大尺寸零件基体可采用价格相对较低的材料 进行离子注入 获得所需的 表面合金化层 结合高能离子束或激光表面处理技术 即可达到所需性能 解决整体材料 普遍热处理或加工方法无法实现的零件制造 3 激光束表面改性技术 激光束表面改性技术是在材料表面施加极高的能量 使之发生物理化学变化 可显著 提高材料的硬度 强度 耐磨性 耐蚀性和高温性能等 从而大大提高产品质量 成倍地 延长产品使用寿命和降低成本 取得巨大的经济效益 激光束表面改性技术的优点 A 加热处理深度小 易于控制 B 激光光斑的能量密度大 可准确地引导至表面地不同部位 C 处理后变形小 D 易于传输 切换和自动控制 E 无化学污染 利于保护环境 激光表面改性包括相变硬化 熔凝 涂敷 合金化 非晶化和微晶化 冲击强化等 激光表面合金化 激光表面合金化是在高能束激光作用下 将一种或多种合金元素与基体表面快速熔凝 从而使价廉材料表层获得具有预定高合金特地技术 特点 A 普通金属能获得高级合金的性能 B 层深和层宽可精密控制 C 材料利用率高 D 结合强度高 E 对基体金属性能影响少 应用 用于滚动体的表面改性 如碳钢球经渡铬后 用激光束表面改性 可获得不锈钢球的 性能 4 物理气相沉积 PVD 技术 物理气相沉积技术 PVD 是利用热蒸发 离子溅射或辉光放电等物理过程 在基体表面 沉积所需涂层的技术 物理气相沉积可镀制金属 合金 氧化物 氮化物 碳化物等膜层 膜层附着能力强 工艺温度低 一般无或很少变形 包括真空蒸镀 离子溅射 离子镀等 离子溅射镀膜技术 离子溅射镀膜技术是在真空室中 利用荷能粒子轰击靶材表面 通过粒子的动量传递 打出靶材中的原子及其他粒子 并使其沉积在基体上形成薄膜的技术 粒子溅射镀膜可实现大面