影响轴承寿命的材料因素及其控制

工艺与装备 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 刘云旭 李吉学 ABSTRACT The material factors influenced service life of the bearings its control method and microstrcture are studied comprehensively The results show that after hardening and tempering the ideal micrestructure should consist of the hiding crystal matensite whose mean carbon content is 0 5 0 56 and about 9 residual austenite and unsolvable carbonide which is little small unifomity and spherical The countermeasure controlled these factors is introduced 滚动轴承的使用寿命与其制造材料 包括成 分 显微组织及内应力等 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 料是高碳铬钢 典型用钢含1 0 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 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素体部 分 因而它们开始发生马氏体转变的温度不同 从 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 奖8项 1986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 20 Ar 残余奥氏体 3 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 GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响如图2所 示 可以看出 随着奥氏体含量的增多 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Ar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 左右 而且 当试验载荷减小时 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 8 但如载荷大时 Ar较大的 02 轴承 2001 2 塑性变形与基体局部产生应力集中的破裂 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 图1 GCr15钢淬火马氏体含碳量对弯曲强度 冲击韧性 压碎载荷和接触疲劳寿命的 影响 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 5 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 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 图2 GCr15钢淬火Ar量对硬度和接触疲劳 寿命的影响 150 回火 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 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 12 轴承 2001 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 图3 高碳铬钢淬火后未溶碳化物量对硬度 压碎 载荷和接触疲劳寿命的影响 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 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 图4 表面残余应力对淬火回火钢疲劳强度的 影响 图5 夹杂物的直径对淬火回火钢弯曲疲劳强 度的影响 图6 含氧量对淬火回火钢疲劳寿命的影响 22 轴承 2001 2 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 1 050 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 9 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 图7 GCr15钢淬火加热温度 时间均为30 min 对淬火后未溶碳化物量 残余奥 氏体量和硬度的影响 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 GCr15钢淬火后未溶碳化物量在 7 左右 残余奥氏体量在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 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 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 图8 GCr15钢奥氏体化时间 温度均为840 对淬火后未溶碳化物量 残余奥氏体量 和硬度的影响 32 轴承 2001 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 产生了较大的残余压应力 GCr15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10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 图9 原始组织中碳化物颗粒大小对接触疲劳 寿命的影响 图10 GCr15钢经普通淬火和渗碳气氛加热淬 火的接触疲劳损坏曲线 150 回火 3 结论 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 等温 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 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O2 N2 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 1997 6 2 拉乌金 铬钢的热处理 科学出版社 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 45 4 大和久重雄 残留奥氏体的应用 日本金属材料 1975 3 19 28 5 Stickeld C A Carbide Refining Heat Treatments for 52100 Bearing Steel Met Trans 1974 5 865 882 6 Vodopivce F VizintinJ Sustorsic B Effect of Fretting Am2 plitude on Microstructure of Ic 1 5Cr Steel Mater Sic Tech 1996 12 4 355 365 7 Osterlund R Vigsbo O Phase Changes in Fatigued Ball Bearings Met Trans 11A 1980 5 701 707 8 刘云旭 于 志 改善退火组织提高轴承使用寿命 轴 承 1984 1 22 28 9 Stickels C A Janotik A M Controlling Residual Stresses in 52100 Bearing Steel by Heat Treatment Met Trans 11A 1980 3 467 493 收稿日期 2000 10 16 编辑 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 已由湖南科技出版社出版 该 书以全新的视觉 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 经济师 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 大32开 简精装本 定价15 元 需购者请与李荐名联系 地址 岳阳市南湖大道岳阳 师范学院 电话 0730 8842473 42 轴承 2001 2 氏体组织在高温下会发生转变 降低尺寸稳定性 从而在高温使用时很难控制残余奥氏体量 因此人们主要集中于对内应力和表面硬度的 控制上 为了获得SHK钢 对一种适用的钢进行 碳氮共渗以得到要求的表面内应力 通过添加能 提高耐回火性的元素 如硅和铜 来改善硬度 在 碳氮共渗过程中加进去的氮同样可以提高表面硬 度 在高温中表面层下的疲劳归因于非金属夹杂 物和具有异常微观组织的区域 为了降低由非金 属夹杂物所引起的失效频率 改进了钢的洁净度 并开发了一种新的评价方法 其中应用了极限值 统计法 而添加于SHX材料中的硅 钼和氮除能 改善抗表面疲劳性能外 也能推迟微观组织的变 化 除良好的疲劳强度外 轴承还必须具有高的 耐磨强度和抗咬死性 通过有控制地添加氮可以 满足这些要求 在140 和200 下试验 其尺寸变化表明 SHX材料的尺寸稳定性比M50轴承钢的稍微低 一点 但比高温回火的普通轴承钢要好得多 疲 劳强度试验结果表明 SHX材料的表面和表面层 下的疲劳强度比M50钢和高温回火普通钢高 摘译自 VDI Z 摘译者 刘家文 副译审 收稿日期 2000 09 07 编辑 杜迎辉 本 期 内 容 摘 要 周受钦 谢友柏 基于STEP标准的滚动轴承信息建 模 轴承 2001 2 1 5 知识资源的信息集成是加速产品开发速度 提高产 品设计的自动化水平的关键 信息集成中一个主要方面 是产品信息建模 即如何以一种通用 标准的格式来描 述产品模型的信息 以便产品的信息模型可以快速 直接 应用于任何系统 本文针对上述问题 以滚动轴承为对 象 以STEP标准为基础 建立了滚动轴承的EXPRESS信 息模型 提出了产品建模的三个层次和产品模型的特征 描述方法 为现代设计中产品模型的信息集成 知识资源 的快速利用提供了基础 附图2幅 参考文献4篇 叙词 信息 模型 石宝枢 球笼式万向节的共轭曲面原理与解析 轴 承 2001 2 5 10 分析了球笼式万向节的结构特点 运用空间解析几 何和向量代数详细计算了钟形壳与钢球的共轭运动关 系 星形套与钢球的共轭运动关系