汽车滚动轴承的选材和热处理工艺

无锡职业技术学院毕业论文1目录1、滚动轴承的简介211滚动轴承的组成及各组成部分的作用212滚动轴承的优缺点32、滚动轴承的分类33、汽车滚动轴承的失效和正确使用431汽车滚动轴承的失效432汽车滚动轴承的正确使用方法44、我国滚动轴承的发展及在机械领域中滚动轴承的影响,541滚动轴承的发展542滚动轴承在机械领域中的重大影响55、汽车滚动轴承材料的选择651滚动体材料的选择652保持架材料853轴承钢合金元素作用分析96、轴承钢的生产过程107、轴承钢的热处理108、进行轴承钢热处理时的几个注意事项139、结论13参考文献15无锡职业技术学院毕业论文2汽车滚动轴承的选材和热处理工艺XXX摘要本文从汽车滚动轴承通常遇到的故障及失效入手，通过故障原因的分析，从而引涉出，汽车滚动轴承的特性，如何这却选用合适的轴承使零件的寿命最大化。并通过对不同轴承钢热处理及其材料热处理后性能的变化，研究了热处理对轴承材料性能的影响，通过热处理可以显著提高滚动轴承各部分的力学性能，大大延长它的使用寿命，和扩大了适用范围。关键词滚动轴承、热处理、力学性能、寿命、失效。1滚动轴承的简介11滚动轴承的组成及各组成部分的作用滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成（如图2所示），是一种将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。网络定义是在承受载荷和彼此相对运动的零件间有滚动体作滚动运动的轴承。（如图1）图1图2内圈、外圈、滚动体和保持架的作用内圈的作用是连接轴与轴实现同步运转；外圈作用是与轴承座相配合，起到支撑作用；滚无锡职业技术学院毕业论文3动体是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，根据其滚动体的不同形状、大小和数量，影响着滚动轴承的使用场合、性能和寿命；保持架的作用就是引导滚动体旋转并将滚动体均匀分隔开来，防止滚动体脱落及防止在运动中滚动体之间形成干扰。12滚动轴承的有缺点优点1）滚动轴承与滑动轴承相比摩擦系数小，起动力矩小，传动效率高。2）滚动轴承已实现标准化、系列化、通用化，能实现大批生产，所以使用和维修十分方便；3）滚动轴承具有较高的机械性能和较长的使用寿命；滚动轴承内部间隙很小，运转精度较高。4）滚动轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷，可以简化轴承支座的结构，使机器结构紧凑；5）滚动轴承传动效率高，发热量少，可以减少润滑油的消耗，润滑维护较为省事；6）滚动轴承润滑方便、简单、易于密封和维护。缺点1）滚动轴承振动和噪声较大，特别是在使用后期尤为显著，因此，不宜用于有精度要求和不能震动的场合；2）滚动轴承对异物较敏感，一但有异物进入，就会产生较大的振动和噪声，影响寿命过早磨损。2、滚动轴承的分类1轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同，分为1向心轴承主要用于承受径向载荷的滚动轴承，其公称接触角从0到45。按公称接触角不同，又分为径向接触轴承公称接触角为0的向心轴承向心角接触轴承公称接触角大于0到45的向心轴承。2推力轴承主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角大于45到90。按公称接触角不同又分为轴向接触轴承公称接触角为90的推力轴承推力角接触轴承公称接触角大无锡职业技术学院毕业论文4于45但小于90的TODAYHOT推力轴承。2轴承按其滚动体的种类，分为1球轴承滚动体为球2滚子轴承滚动体为滚子。滚子轴承按滚子种类，又分为圆柱滚子轴承滚动体是圆柱滚子的轴承，圆柱滚子的长度与直径之比小于或等于3；滚针轴承滚动体是滚针的轴承，滚针的长度与直径之比大于3，但直径小于或等于5MM圆锥滚子轴承滚动体是圆锥滚子的轴承调心滚子轴承一一滚动体是球面滚子的轴承。3轴承按其工作时能否调心,分为1调心轴承滚道是球面形的,能适应两滚道轴心线间的角偏差及角运动的轴承2非调心轴承刚性轴承能阻抗滚道间轴心线角偏移的轴承。4轴承按滚动体的列数,分为1单列轴承具有一列滚动体的轴承2双列轴承具有两列滚动体的轴承3多列轴承具有多于两列滚动体的轴承,如三列、HOTTAG四列轴承。5轴承按其部件能否分离,分为1可分离轴承具有可分离部件的轴承；2不可分离轴承轴承在最终配套后,套圈均不能任意自由分离的轴承。6轴承按其结构形状如有无装填槽,有无内、外圈以及套圈的形状,挡边的结构,甚至有无保持架等还可以分为多种结构类型（7）轴承按其外径尺寸大小，分为1微型轴承公称外径尺寸范围为26MM以下的轴承2小型轴承公称外径尺寸范围为2855MM的轴承3中小型轴承公称外径尺寸范围为60115MM的轴承无锡职业技术学院毕业论文54中大型轴承公称外径尺寸范围为120190MM的轴承5大型轴承公称外径尺寸范围为200430MM的轴承6特大型轴承公称外径尺寸范围为440MM以上的轴承。3汽车滚动轴承的失效和正确使用31汽车滚动轴承的失效滚动轴承拆卸检查时，可根据轴承的损伤情况判断轴承的故障及损坏原因。（1）滚道表面金属剥落轴承滚动体和内、外圈滚道面上均承受周期性脉动载荷的作用，从而产生周期变化的接触应力。当应力循环次数达到一定数值后，在滚动体或内、外圈滚道工作面上就产生疲劳剥落。如果轴承的负荷过大，会使这种疲劳加剧。另外，轴承安装不正、轴弯曲，也会产生滚道剥落现象。轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度，使机构发生振动和噪声。（2）轴承烧伤烧伤的轴承其滚道、滚动体上有回火色。烧伤的原因一般是润滑不足、润滑油质量不符合要求或变质，以及轴承装配过紧等。（3）塑性变形轴承的滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑，说明轴承产生塑性变形。其原因是轴承在很大的静载荷或冲击载荷作用下，工作表面的局部应力超过材料的屈服极限，这种情况一般发生在低速旋转的轴承上。（4）轴承座圈裂纹轴承座圈产生裂纹的原因可能是轴承配合过紧，轴承外国或内圈松动，轴承的包容件变形，安装轴承的表面加工不良等。（5）保持架碎裂其原因是润滑不足，滚动体破碎，座圈歪斜等。（6）保持架的金属粘附在滚动体上可能的原因是滚动体被卡在保持架内或润滑不足。（7）座圈滚道严重磨损可能是座圈内落入异物，润滑油不足或润滑油牌号不合适。附滚动轴承的正确使用包括正确的安装和合理的润滑，合理的无锡职业技术学院毕业论文6安装可以减少轴承故障、延长轴承寿命。可见正确使用滚动轴承的重要性。32汽车滚动轴承的正确使用方法（1）轴承的拆装轴承安装前应清洗干净。安装时，应使用专用工具将辅承平直均匀地压入，不要用手锤敲击，特别禁止直接在轴承上敲击。当轴承座圈与座孔配合松动时，应当修复座孔或更换轴承，不要采用在轴承配合表面上打麻点或垫铜皮的方法勉强使用。轴承拆卸时应使用合适的拉器将轴承拉出，不要用凿子、手锤等敲击轴承。（2）轴承的润滑滚动轴承常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两种。使用润滑脂要注意两个问题，一是要按汽车说明书的要求，选用合适牌号的润滑脂。例如，汽车水泵轴承就不宜选用纳基润滑脂，因其耐水性较差。二是加入轴承中的润滑脂要适量，一般只充填轴承空腔的1/2L/3为宜，过多不但无用，还会增加轴承的运转阻力，使之升温发热。特别要注意的是汽车轮毂轴承，要提倡“空毂润滑”，即只在轴承上涂一层适量的润滑脂即可，否则，不但浪费和散热不良，还会使润滑脂受热外溢，可能影响制动性能。润滑油润滑的优点是摩擦阻力小，并能散热，主要用于高速和工作环境温度较高的轴承。润滑油的牌号要按汽车说明书的要求选用，并接汽车保养周期及时更换，放出旧油后要对机构进行清洗后再加新油，加油应加到规定的标线，或与加油口平齐视汽车具体结构、要求而定，不可多加。4、我国滚动轴承的发展及在机械领域中滚动轴承的影响41滚动轴承的发展中国是世界上最早发明滚动轴承的国家之一。从考古文物与资料看,中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承,出现于公无锡职业技术学院毕业论文7元前221207年秦朝的今山西省永济县薛家崖村。然而因为种种原因我国轴承工业是在新中国建立后才逐渐发展起来的。经过半个世纪的发展取得举世瞩目的辉煌成就，现金我国已经形成比较完整的生产系统，并拥有了一定科研能力和制订国内及国际标准能力和轴承出口的能力，成为排名于日本、美国和德国之后的世界轴承生产第四大国。我国迄今累计生产轴承可达20000余个，不过大多为通用产品。在生产能力上，我国目前约有轴承生产企业2000余家，是全世界其他国家轴承企业总和的56倍。在尺寸公差与旋转精度上，我国轴承尽管已接近国外名牌产品水平，但在尺寸偏差的离散度方面还存在着较大差距。在振动、噪声与异音方面，日本已推出静音及超静音轴承，而我国轴承的振动（加速度）极值水平与日本产品相比，一般要相差10DB以上。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30倍以上），可靠性为98以上（或追求与主机等寿命），而我国轴承的寿命一般仅为计算寿命的35倍，可靠性为96左右。综上所述我国的轴承行业还有一段很长的路要走，因为与国外先进技术水平相比，目前还存在着很大差距。42滚动轴承在机械领域中的重大影响滚动轴承并非是一种通常意义上的简单机械零部件，而是种包含厂丰富技术内涵的机械商品载体，它在国民经济中用途十分广泛、销售量很大的机械商品，不仅装在主机上广泛用于各种机械设备中，例如，航天航空、汽车、金属切削机床、仪表中部采用了各种不同类型的滚动轴承，而且还单独作为一种基础件商品用于国民经济中的各个部门。滚动轴承作为机械基础，其质量好坏和技术水平高低，不仅影响机械设备的精度和寿命，而已还影响第二代商品、第二代商品的无锡职业技术学院毕业论文8质量，因此，轴承工业技术发展水平是衡量一个国家的整个L业技术发展水平的重要标志之一，是反映一个国家现代化水平的重要依据。如果一个国家不具有先进轴承技术水平则很难说这个国家拥有先进的制造技术。5、汽车滚动轴承材料的选择因为滚动轴承的套圈和滚动体，一面反复承受高接触压力，一面进行伴随有滑动的滚动接触。保持架，一面与套圈和滚动体的两旁，或其某一方滑动接触，一面承受拉力和压缩力。因此材料选择的合适与否，对其使用性能和寿命都有很大的影响，应其工作的环境实在交变应力下,所以滚动轴承应具有高的抗塑性变形能力，少的摩擦磨损，同时因为它是滚动摩擦，所以它必须要有高的旋转精度和尺寸精度。51滚动体材料的选择轴承钢分类，如表1所示表1轴承钢的类型类型钢号备注高碳铬不锈轴承钢9CR18,9CR18MOGB308682渗碳轴承钢G20CRMO,G20CRNIMO,CG20RNI2MO,G20CR2NI4,G10CRNI3MO,G20CR2MN2MOGB320382高碳铬轴承钢GCR6,GCR9,GCR9SIMN,GCR15,GCR15SIMNYJZ84（1）以铬轴承钢GCR15为例GCR15钢主要化学成分095105C、025045MN、140165CR、015035SI、0025P、0025S。无锡职业技术学院毕业论文9GCR15钢常见的热处理工艺不完全退火加热770790，保温后随炉冷却至550以下出炉空冷187229HBSAC1745，ACCM900，加热温度应AC1ACCM在之间等温球化退火加热770790，680700等温后随炉冷却至550以下出炉空冷187229HBS加热温度应在AC1ACCM之间，等温温度应低于AR1700线20，以获得粒状珠光体组织去应力退火加热600700，保温，空冷187229HBS消除残余应力，消除加工硬化正火加热930950，保温，空冷302388HBS加热温度高于ACCM，消除偏析、带状组织、网状组织，细化晶粒淬火加热830850，保温，油冷6265HRC淬火加热温度在AC1ACCM之间，CR元素的溶解，提高淬透性，改善回火稳定性，同时也降低MS点，有不少残留奥氏体存在下贝氏体等温淬火加830850，240300硝盐浴等温，后出浴空冷5862HRCMS202，等温淬火组织为下贝氏体碳化物少量马氏体极少量残余奥氏体，淬火变形很小，强度高，韧性好回火加热150190，保温2H，炉冷5862HRC强调硬度取下限，强调韧性取上限调质淬火加热840860，油冷；回火加热660680，保温后炉冷或空冷197217HBS高温淬火可以消除碳化物组织缺陷，高温回火得到细小的回火索氏体组织，为再淬火做组织准备，在改善韧性同时，提高强度。再淬火加热温度820840，油冷双细化处理淬火加热1050，保温，320等温2H后空冷。回火加热710，保温2H。再淬火加热820，保温，油冷。再回火加热230，保温2H62HRC获得极为细小的淬火组织，改善钢的强韧性无锡职业技术学院毕业论文10固体渗硼渗硼加热920，保温5H，油冷。渗剂3B4C5KBF45NH22CO87SIC15001700HV表面获得高硬度的硼化物层，心部为淬火组织。渗层厚度0145MM液体渗铬加热950，保温4H，油冷，渗剂15CR2O3125稀土硅镁725硼砂1665HV渗层厚度001056MM。提高表面碍度、耐磨性与耐蚀性液体渗钒加热950，保温4H；降温860，保温2H；升温950，保温4H，油冷。渗剂90BACL27V2O53NA2B4O7AL粉2500HV01渗层厚度0020MM。提高表面硬度、耐磨性GCR15钢热处理后的性能拥有良好的综合机械性能，球化退火后有良好的切削加工性能，淬火和回火后具有高而均匀的硬度,良好的耐磨性和接触疲劳强度高，热加工性能好并且有良好的尺寸稳定性和抗蚀性，冷变形塑性中等，与GCR9相比，性能要优越后者尤其是耐磨性方面。而与GCR15SIMO、GCR18MO相比虽然在性能方面要超过GCR15，然而考虑其所加合金元素甚多，成本较高，考虑其经济性和性能，所以对于汽车滚动轴承一般使用GCR15轴承钢，对于重型机械则使用GCR15SIMO、GCR18MO。（2）渗碳轴承钢以20CRNIMOA钢为例20CRNIMOA钢主要化学成分碳C017023硅SI017037锰MN060095硫S允许残余含量0035磷P允许残余含量0035铬CR040070镍NI035075铜CU允许残余含量0030钼MO020030热处理规范淬火850,油冷回火200,空冷。经渗碳、热处理和淬火和回火后使其表面硬度达到5862HRC，心部为2545HRC，较好的加工工艺性能，适用于承受较冲击负荷和制造尺寸较精密的零件，如汽车轴承等。无锡职业技术学院毕业论文11（3）其他刚以20号钢为例20钢的20是指含碳量，含碳量为02，属于低碳钢。钢中除含有碳C元素和为脱氧而含有一定量硅SI一般不超过040,锰MN一般不超过080,较高可到120合金元素外,不含其他合金元素残余元素除外。力学性能（5）相变点温度（近似值）AC1735，AC3855，AR3835，AR1680（6）正火规范温度920950，出炉空冷。硬度131156HBS。（7）冷压毛坯软化处理规范温度700720，保温时间815H，再以50100/H的冷速，随炉降至温度550600，出炉空冷。处理前硬度143HBS，软化后硬度131HBS。（8）淬火规范温度91010，10NACL盐水冷却。（9）实测屈服强度FY275MPA，弹性模量E206GPA，泊松比03。（10）抗剪强度275392MPA,抗拉强度为353500MPA，屈服强度为275MPA，延伸率为25。结论通过以上几种材料热处理前后性能的对比，并通过联系汽车滚动轴承的工作环境，得出以下结论对于普通的私家车辆的滚动轴承可使用GCR15的铬轴承钢；对于重型类车型则可使用渗碳轴承钢满足使用要求；对于普通钢材因为其热处理前后的性能都无法达到汽车轴承的使用要求，考虑到汽车的使用安全及各部件的使用寿命，不应使用。52保持架材料保持架材料所要求的性能尺寸稳定性好、机械强度大；此外，还需要加工性好。根据用途不同，还有要求其耐冲击性、耐热性、耐腐蚀性好。（见表2）无锡职业技术学院毕业论文12表2保持架常用材料材料名称材料牌号用途黑色金属碳素结构钢08,10,08F,10F冷轧带钢,薄板,厚板制造各类型轴承冲压保持架及防尘盖,挡圈,密封圈等20,30,40,45造大型、特大型轴承保持架、支柱、垫圈及大型、特大型圆锥滚子轴承的内、外隔圈等ML15,ML20制造长圆柱和和螺旋滚子轴承的支柱及铆钉等碳素工具钢T8A,T10A制造冠形保持架,防尘盖等石墨钢S16SICUCR制造润滑不良且有氟介质腐蚀的保持架不锈钢0CR18NI9制造耐腐蚀,耐高温,抗氧化等轴承用的保持架,垫圈,铆钉等1CR18NI92CR18NI91CR18NI9TICR17NI2纯钢T2；T3；T4制造铆钉止推环等有色金属普通黄铜H62；H96制造冲压保持架管状铆钉HPB591制造高温,高速,高强度实体保持架铅黄铜QA110315QA11044硅青铜QSI3制造实体保持架,挡圈QSI35315制造高温高速实体保持架锻铝LD8旧号AK4用于较大尺寸,高速轴承保持架可热处理强化铸铝ZL102旧号ZL7铸造工艺性好,轻,耐腐蚀性好,不能热处理强化,变质处理状态下使用已用作内燃机车,车辆轴箱,汽车车轮,机床主轴等轴承保持无锡职业技术学院毕业论文13架因其强度不高,铸造易出气孔,有被可热处理强化的ALSICU铸铝取代的趋势硬铝LY11LY12可热处理强化,退火态切削性不好,热处理及冷作硬化后切削性尚可,LY11强度中等,LY12强度更强,耐高温性能尚可,用于制造高温高速轴承实体保持架非金属塑料及其复合材料尼龙1010聚酰胺坚韧,耐磨,耐疲劳,耐油，耐水，耐寒,不耐高温,易变形,尺寸不稳定价格低易加工，广泛用作多种轴承保持架，但不耐热，易变性，目前仅使用于几种温升不大的轴承保持架聚甲醛强度,刚性,冲击,疲劳,蠕变性能耐磨性良好,尺寸稳定性好，用聚四氟乙烯填充的耐磨性更好,还可以用玻璃纤维增强,但高温性能差。上表是常用轴承保持架及铆钉等，黑色金属、有色金属和非金属三种材料的选用及用途。53轴承钢合金元素作用分析CR04165CR是强化物形成元素，降低在奥氏体中的扩散系数，推迟珠光体向奥氏体的装变过程，减缓了奥氏体的形成。增大了钢的淬透性，使在高温回火后能获得高的综合机械性能。MN095125MN大量加入可以增大奥氏体的形成速度，细化珠光体，有助于奥氏体的形成，并能推迟珠光体的相变，提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。SI045075SI不形成碳化物，度奥氏体形成速度几乎没有影响，不过能提高过冷奥氏体的稳定性，从而降低临界冷却速度，提高淬透性。无锡职业技术学院毕业论文14P00025S00025减少夹杂物,提高疲劳寿命V细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗话温度，降低钢的过热敏感性；增加钢的淬透性；增加淬火钢的回火稳定性。6、轴承钢的生产过程高碳铬轴承钢制造的零件套圈热轧不退火钢材锻造球化退火车削热处理淬火（贝氏体淬火）磨削附加回火磨削装配滚动体热轧不退火钢材锻造球化退火车削热处理淬火（贝氏体淬火）磨削附加回火磨削装配渗碳钢轴承制造套圈和滚动体棒材锻造正火车削渗碳淬回火磨削装配7、轴承钢的热处理对于精密器械上的零件如汽车等，单靠材料自身性能很难达到使用，所以很多情况下我们必须借助热处理，只有通过材料和热处理工艺两者合一才能具备以下性能高的接触疲劳性，用于抵抗疲劳破坏能延长寿命；高的耐磨性，防止过早磨损，是轴承精度和旋转精度下降，影响机器运转，寿命下降；高的弹性极限，防止在接触应力下发生塑性变形；合适的硬度，能保证轴承的寿命；一定的韧性；良好的尺寸稳定性，防止轴承零件因内在组织或应力变化导致精度丧失；较高的尺寸精度；一定的抗腐蚀性和良好的工艺性（冷、热成形性，热处理性能、机械加工性能等）。（1）正火高碳轴承钢零件，用于消除网状渗碳体和消除退火过热片状组织并细化晶粒。无锡职业技术学院毕业论文15渗碳轴承钢零件，便于切削加工，要求较高的零件可以使用渗碳后正火高温回火淬火低温回火的热处理方法。图3正火工艺（2）退火消除内应力，改善组织，为后续热处理做准备，常用的是球化退火，一般作为预备热处理，在毛坯状态进行退火。图4CR15球化退火工艺（3）淬火淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，对于某些高合金钢淬火时，是为了得到单一的奥氏体组织来提高耐磨性和抗腐蚀性。高碳铬轴承钢淬火分为马氏体淬火和贝氏体淬火工艺马氏体淬火显微组织为细小结晶马氏体，残余碳化物和残余奥氏体。无锡职业技术学院毕业论文16图5马氏体淬火贝氏体淬火显微组织为贝氏体组织，残余碳化物和残余奥氏体。图6贝氏体淬火（4）回火工艺方法低温回火，中温回火，高温回火注意事项轴承零件多采用150200度的低温回火，对于尺寸稳定性要求高的零件可以采用多次回火的方法或高温回火。回火工艺按照轴承服役条件进行划分，有三种即一般轴承的常规回火；精密轴承的稳定化对火；航空特殊用途轴承的高温火火。（5）冷处理无锡职业技术学院毕业论文17对于精密轴承，要求残余奥氏体要少，否则在使用过程中残余奥氏体转换为马氏体会使尺寸发生变化。淬火后应立即进行冷处理，一般不超过半小时，冷却温度在7980度左右并保持12小时，回火后可以使残余奥氏体减少到5左右。冷处理后可使材料硬度提高2HRC，同时多次回火还可以使尺寸稳定。表3部分轴承钢热处理后的性能钢号热处理性能B（MPA）AK（J）HRC9CR18860预热，10601080淬火加热，淬火后冷至室温，78冷处理，温度回升至室温，160回火3H155221639CR18MO860预热，10551065淬火加热，淬火后冷至室温，78冷处理，温度回升至室温，160回火3H15043761GCR15850860淬火加热，油冷，160回火2H1617286164GCR15A850860淬火加热，油冷，160回火2H19022663GCR15SIMN830840淬火加热，油冷，160回火3H18132365GCR15SIMNA830840淬火加热，油冷，160回火3H19062863G20CRNIMO,92010渗碳，直接淬油（810），190回火2H11263164810直接淬油，190回火2H86210832G20CRNI2MO渗碳，（8