高温轴承9Cr18Mo

1、专业课程设计任务书学生姓名：邵育才班级：材科081设计题目：高温轴承材料的选择及工艺设计设计内容：1、根据零件工作原理，服役条件，提出机械性能要求和技术要求。2、选材，并分析选材依据。3、制订零件加工工艺路线，分析各热加工工序的作用。4、制订热处理工艺卡，画出热处理工艺曲线，对各种热处理工艺进行分 析，并分析所得到的组织，说明组织及性能的检测方法与使用的仪器 设备。5、分析热处理过程中可能产生的缺陷及补救措施。6、分析零件在使用过程中可能出现的失效方式及修复措施。目录0. 前言11. 高温轴承工作条件及性能要求 12. 高温轴承技术要求 12.1硬度12.2同一零件的硬度差 22.3脱碳层22

2、.4回火稳定性22.5裂纹和软点22.6脱碳层和其他表面缺陷 23. 9Cr18Mo高温轴承钢 23.1化学成分23.2物理性能33.3热加工33.4热处理44. 高温轴承加工工艺 64.1成型64.2夕卜、内圈退火 64.3夕卜、内圈车加工 74.4热处理74.5磨加工104.6装配105. 热处理过程中可能出现的缺陷及补救 105.1缺陷105.2补救措施116. 失效方式及修复 126.1接触疲劳失效126.2磨损失效126.3断裂失效127. 心得体会138. 参考文献14高温轴承材料的选择及工艺设计0.前言高温轴承主要用于航空、航天。目前我国使用的高温轴承钢主要 有9Cr18Mo （

3、最高使用到 260 C）、Cr4Mo4V（3l5：）、 Cr14Mo4（480C ）、W6Mo5Cr4V2（480）、W9Cr4V2Mo（520）、 W18Cr4V（560：）和W12Cr4V5Co5（590）。其中使用最普遍的是 Cr4Mo4V这些材料的使用温度均指在重载荷状态下，如轴承载荷 较小、环境活洁，允许降低硬度的话，使用温度还可以更高。如 9Cr18M。作仪表轴承，硬度为55 HRC时，使用温度可达420 C 0 轴承的结构特点和工作条件要求轴承材料必须具备高的硬度、耐 磨性、接触疲劳强度、弹性极限、良好的冲击韧性、断裂韧性、 尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工性能。为保证这些性能要求

4、，对 轴承用钢提出了严格要求的冶金质量。1. 高温轴承工作条件及性能要求通常认为超过120C的温度条件，便算是高温工作条件，此时 普通轴承钢会发生组织变化和屈服强度降低，精度逐步丧失；而 当轴承工作温度超过轴承材料回火温度时，其硬度就明显下降， 工作温度超过180 C时硬度就急剧下降，很快出现早期疲劳和磨 损。保证轴承在高温下运转精度和使用寿命的中心环节是保证轴 承在高温下具有足够的硬度和尺寸与形状的稳定程度，因此对于 高温轴承钢提出如下要求，1）高温下硬度不低于HRC5W56;金相组织稳定；2）高温尺寸稳定性良好，温度膨胀系数小，没有显著的组织变 化，抗蠕变性好，残余应力小；3）抗氧化性好，

5、生成的氧化膜与基体结合牢固，而且耐磨性和 疲劳强度好，耐热震性好，能经受较快的温度变化，导热性要好；4）作为轴承钢所应有的其他材料特性。如高温耐冲击性能、 低的热膨胀性和高的抗蠕变强度和高温尺寸稳定性等。2. 高温轴承技术要求2.1硬度套圈和滚动体淬火后硬度一般不应低于63HRC回火后硬度： 套圈为60HR务65HRC滚动体为61HR务66HRC2.2同一零件的硬度差淬、回火后同一零件的硬度差为；a）套圈外径不大丁 100mm滚动体直径不大丁 22mrftf,同一零 件硬度差不应大丁 1HRCb）套圈外径大丁 100mm滚动体直径大丁 22miW,同一零件硬 度差不应大丁 2HRCc）钢球直径

6、不大丁 1.588mm（1/16in）不检查同一零件硬度差。2.3脱碳层轴承零件的脱碳层应在最深处测量，其深度不应超过淬火前 每边最小加工余量的三分之二。2.4回火稳定性按零件的正常回火温度重新回火2h,在原来位置相应点测量 硬度，相应点的最大硬度差不得超过1HRC2.5裂纹和软点轴承零件淬、回火后及磨加工过程中不应有裂纹和软点。2.6脱碳层和其他表面缺陷轴承零件经淬、回火后产生的表面脱碳层、腐蚀坑和氧化皮 等缺陷应在磨加工过程中除净，成品轴承零件不应有脱碳层和其 他表面缺陷。3. 9Cr18Mo高温轴承钢9Cr18Mo钢是一种高碳高铭马氏体不锈钢，它是在 9Cr18钢的基 础上加Mo而发展起

7、来的，因此它具有更高的硬度、高耐磨性、抗 回火稳定和腐蚀性能，该钢还具有较好的高温尺寸稳定性，适宜 制造在腐蚀环境条件下乂要求高负荷、高耐磨的塑料模具。该钢 届丁莱钢体，容易形成不均匀碳化物偏析而影响模具使用寿命， 所以在热加工时必须严格控制热加工工艺。3.1化学成分9Cr18Mo车冈的化学成分(GB/T122A1992) w/%CSiMnCrMoSP0.951.100.800.8016.018.00.400.700.0300.03517主要元素的作用：碳(C):钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和 冲击性降低，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。铭(Cr):能显著提高强度、硬度和耐磨性

8、，但同时降低塑性 和韧性。钳(Mo):钳能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在 高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。3.2物理性能9Cr18Mo钢的物理性能示于表 4-19-2和表4-19-3 ,其热导率(20 C)入为 29.3W/(m - K)9Cr18Mo钢的临界温度临界点Ac1Ar1M温度(近似值)/ C8158657656651459Cr18Mo钢的线(膨)胀系数温度/ C20100202002030020500线(膨)胀系 数 / C-1_-610.5 X 10_-611.0 X 10_-611.0 X 10_ _一-612.0 X 103.3热加工9Cr18Mo钢热加工工艺示于

9、表 4-19-4表4-19-4 9Cr18Mo 钢的热加工工艺项目加热温度/c开始温度/c终止温度/ C冷却钢锭1130115010801095850900砂冷钢坯1100112010501080850900砂冷3.4热处理9Cr18Mo钢的热处理示于表4-19-5 ,与热处理有关的曲 线示于图4-19-1图4-19-5 ,与热处理有关的性能示于表 4-19-6 和表 4-19-7。weo 1040 iodo noeo iioo neo裨火础火ffi4-19-2裨火温度和冷姓理肘通度的影响=001020 1040 1060 10B0 1100律火SK/C图4TA3淳贝温和冷处理对抗弯强度的影响

10、表4-19-5 9Cr18Mo钢的热处理工序名称退火再结晶退 火淬火回火加热温度和保温时问850870C 46h730750C10501100C150160C 25h冷却30 C /h 冷 至 600 C ,空冷空冷油冷空冷硬度（HB< 255HR。5870为减少残余奥氏体数量，可以于-7580 C冷处理。5040郭未回火100 2UO ?OO 4OCI 5如 GOD 700回火温度图4T日硬度与回火温度的美系（曲陵上温度为回火前淬火温度】表4-19-6 9Cr18Mo钢的室温力学性能热处理(Ta 54ak/J - cm-HRCb/MPa/%850 C退火1060 C淬火, 150C回火

11、76014.027.51640HBK 22561表4-19-7 9Cr18Mo 钢的耐腐蚀性能热处理制 度硬度(HRC介质条件腐蚀速度/g (m2 h)-1介质浓度/%温度/ C硫酸2沸腾575.61050 C 油淬61.0硫酸5沸腾1003.9硝酸40沸腾1.151050 C 油 淬60.0硫酸硫酸25沸腾沸腾502.0968.3150 C 回火1h硝酸40沸腾1.044. 高温轴承加工工艺轴承由四部分构成：夕卜圈、内圈、滚子和保持架。其总的加 工工艺是：下料-成型-退火-车加工-热处理-磨加工-装配等。4.1成型4.1.1外圈、内圈锻造成型工艺9Cr18Mc!冈在锻造时的要求：(1) 锻造

12、模具应预热，预热温度在300 C左右(2) 坯料端面及外表面不能有裂纹，若发现有裂纹，应及时活 除。(3) 锻造过程中不能用水冷却模具，以免毛坯接触水引起材 料开裂。(4) 模具可采用石墨为主的润滑剂润滑。4.1.2滚子和保持架成型工艺a) 滚子热冲球，软磨。b) 保持架切环、冲压成型，整形和冲孔。4.2夕"内圈退火退火就是将轴承钢加热到Ac3以上温度，保温一段时间以适当 的速度冷却，以降低硬度、改善组织、提高此后的车加工性能。9Cr18Mctt承零件退火后的组织为粒状珠光体，硬度为197H4241HB住痕直径为 4. 3m叶3. 9m94HRB- 100HRB轴承零件的脱碳层应在最

13、深处测量，其深度不应超过淬火前 每边最小加工余量的三分之二。4.3夕"内圈车加工车加工主要有车内径、倒角、车沟道和车两侧密封槽。由于存在合金元素，使钢的拉伸、屈服强度、塑性和韧性都增 高，切削加工性变差。不锈钢的强度，特别是高温强度和硬度高， 切削时的变形大,切削力及切削热亦大,而导热性差，使刀具易发 热和产生塑性变形，降低了刀具的切削能力，使刀具的磨损加剧。 由于钢的这些特殊性质，在车加工中，刀具材料、切削速度及切削 液的选择都是影响套圈加工效率和质量的关键因素。刀具的选择和使用：根据轴承钢的特性因此，要求刀具材料必 须具有很高的硬度，良好的耐磨性与耐热性以及能承受一定的冲 击载荷

14、。另外，合理选择刀具角度是保证加工质量和刀具寿命的 重要因素，同时还要勤于观察刀具磨损情况，及时更换刀具，提高 工件表面质量和尺寸精度。切削速度：车加工时，提高切削速度，这样能使切屑底层与刀 具前刀面摩擦产生的温度增高，使这一薄层金届变软，甚至已成微 熔状态，形成润滑膜，能起到一种特殊的润滑作用，使切削变形减 小。因此提高切削速度可减小车削加工变形及切削力 ，降低表面粗 糙度。切削液：在加工中应加入切削液，它能带走切削区的大量热， 降低切削温度，减小热变形及刀具磨损，及时冲走碎屑，提高加工 效率。4.4热处理4.4.1 球化退火球化退火作为预备热处理，以改善组织性能。如果存在严重 网状碳化物等

15、缺陷组织时，在球化退火前须进行一次正火，消除 网状、改善碳化物分布。800920C，缓冷。4.4.2淬火工艺淬火后要获得的组织为马氏体、碳化物和残余奥氏体。硬度 要求为64HR盅右。a) 淬火温度9Cr18M(ffl中含有大量难溶解的碳化物，如加热温度稍高于 Ac1 (815-850 C)淬火，碳化物的溶解量较少，随着温度的升高， 碳化物不断向奥氏体中溶解，使奥氏体合金化浓度不断增加，同时 奥氏体晶粒度呈长大的趋势，使淬火后钢中的残余奥氏体量增加。如图，钢中残余奥氏体的数量随淬火加热温度的上升而增加，加热温度达到1150C时，钢中奥氏体含量达到90恕上，当加热温度达1200C时，钢中基本上成为

16、奥氏体组织。钢中碳化物的含量随 淬火加热温度的上升而减少，在1050-1125 C温度下碳化物的含量 显著减少。9501 0001 0501 100 t MO 1 200奥氏怖化00善争郭善K图1 9Cr18Moi冈淬火奥氏体化温度对钢中残余奥氏体和碳化物含量的影响因此，综合以上分析，应当是9Cr18M（ffi淬火温度确定在 1110C左右。其淬火工艺分为三个阶段：650C左右一次预热， 850 C左右二次预热以及1110C烧透和合金化。b）加热时间研究表明，随着淬火加热时间的延长，钢中的残余奥氏体量 逐渐增加。经过试验和综合分析，将淬火加热时间保持 60分钟左 右。c）冷却方式试验结果表明，

17、随着冷却时间的延长，残余奥氏体量逐渐减 少。因此钢的冷却方式为随炉冷却。d）炉子的选择传统的炉子加热易导致钢的氧化脱碳现象，此高温轴承要求 精度高，使用性能优良，综合考虑应使用真空淬火炉。综合以上分析，轴承淬火工艺曲线如下图所示：真空淬火炉Ed、650t 20 il0j2O|10llll0±5/冷至室温出炉60Xo 8505图2淬火工艺曲线4.4.3冷处理冷处理是精密轴承的尺寸稳定化处理。冷处理温度一般为-30-80C,时间1-1.5小时。淬火后立即进行，减少残余奥氏体。 冷处理后正常回火。4.4.4 回火工艺回火后钢的组织为回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体，硬度要达到63-64H

18、RC对丁9Cr18M。材料回火而言，回火温度、回火次数和冷却方 式对残余奥氏体的转变影响较大，而回火时间影响较小，通常将 回火时间定为120分钟。a）回火温度随着回火温度的升高残余奥氏体量不断减少。为使钢的硬度 既达到标准要求，乂能使残余奥氏体含量减少到规定的范围内，回 火温度选取为545-555 C。b）回火次数由丁残余奥氏体中析出弥散的碳化物，使残余奥氏体的合金 度降低,Ms升高。在回火冷却过程中，残余奥氏体乂转变成为二次 马氏体。所以，进行多次回火对残余奥氏体的转变是有效的。通常将回火次数定为3次。c）冷却方式冷却方式对残余奥氏体没有太大的影响，考虑到节能，可选 择随炉冷却。d）炉子的选

19、择同淬火工艺类似，采用真空回火炉。因此，回火工艺曲线如下° I 真空回火炉真空回火炉网带炉旗200X3出炉风200V出炉风200V出炉风g冷至室沮冷至室温冷至室沮湖土 5525±5135±5120X3£200 - 300 /200 300 / 时间 /minSH第一次程定第二次稼定图4回火工艺曲线4.5磨加工4.5.1磨加工套圈磨削套圈双端面-粗磨套圈外圆-精磨套圈外圆a）外圈：精磨外圈沟道-修磨外圈外径-活洗b）内圈：精磨内径-精磨内圈沟道-活洗4.5.2磨加工钢球、保持架粗磨-校正-精磨-活洗4.6装配套圈、钢球分选合套-装保持架-校正-活洗-装箱5

20、. 热处理过程中可能出现的缺陷及补救5.1缺陷轴承零件经热处理后常见的质量缺陷有：淬火显微组织过热、 欠热、淬火裂纹、硬度不够、热处理变形、表面脱碳、软点等。a ）过热 从轴承零件粗糙口上可观察到淬火后的显微组织过 热。但要确切判断其过热的程度必须观察显微组织。若在钢的淬 火组织中出现粗针状马氏体，则为淬火过热组织。形成原因可能 是淬火加热温度过高或加热保温时间太长造成的全面过热；也可 能是因原始组织带状碳化物严重，在两带之间的低碳区形成局部 马氏体针状粗大，造成的局部过热。过热组织中残留奥氏体增多， 尺寸稳定性下降。由丁淬火组织过热，钢的晶体粗大，会导致零 件的韧性下降，抗冲击性能降低，轴承

21、的寿命也降低。过热严重 甚至会造成淬火裂纹。b）欠热淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中产生超 过标准规定的托氏体组织，称为欠热组织，它使硬度下降，耐磨 性急剧降低，影响轴承寿命。c）淬火裂纹 轴承零件在淬火冷却过程中因内应力所形成的 裂纹称淬火裂纹。造成这种裂纹的原因有：由于淬火加热温度过 高或冷却太急，热应力和金届质量体积变化时的组织应力大于钢 材的抗断裂强度；工作表面的原有缺陷（如表面微细裂纹或划痕） 或是钢材内部缺陷（如夹渣、严重的非金届夹杂物、白点、缩孔 残余等）在淬火时形成应力集中；严重的表面脱碳和碳化物偏析； 零件淬火后回火不足或未及时回火；前面工序造成的冷冲应力过 大、锻造折

22、叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等。总之，造成淬 火裂纹的原因可能是上述因素的一种或多种，内应力的存在是形 成淬火裂纹的主要原因。淬火裂纹深而细长，断口平直，破断面 无氧化色。它在轴承套圈上往往是纵向的平直裂纹或环形开裂；在 轴承 钢球上的形状有S形、T形或环型。淬火裂纹的组织特 征是裂纹两侧无脱碳现象，明显区别与锻造裂纹和材料裂纹。d）热处理变形 轴承零件在热处理时，存在有热应力和组织 应力，这种内应力能相互叠加或部分抵消，是复杂多变的，因为 它能随着加热温度、加热速度、冷却方式、冷却速度、零件形状 和大小的变化而变化，所以热处理变形是难免的。认识和掌握它 的变化规律可以使轴承零件的变形（如套

23、圈的椭圆、尺寸涨大等） 置于可控的范围，有利于生产的进行。当然在热处理过程中的机 械碰撞也会使零件产生变形，但这种变形是可以用改进操作加以减少和避免的。e）表面脱碳 轴承件在热处理过程中，如果是在氧化性介质 中加热，表面会发生氧化作用使零件表面碳的质量分数减少，造 成表面脱碳。表面脱碳层的深度超过最后加工的留量就会使零件 报废。表面脱碳层深度的测定在金相检验中可用金相法和显微硬 度法。以表面层显微硬度分布曲线测量法为准，可做仲裁判据。f）软点 由于加热不足，冷却不良，淬火操作不当等原因造 成的轴承零件表面局部硬度不够的现象称为淬火软点。它象表面 脱碳一样可以造成表面耐磨性和疲劳强度的严重下降。

24、5.2补救措施a）磨加工磨加工在一定程度上能够减轻缺陷所造成的影响。轴承零件 经淬回火后产生的表面脱碳、腐蚀坑和氧化皮等缺陷必须在磨加 工过程中除净。b）化学沉积法对于尺寸公差超出设计标准的轴承零件，可采用化学沉积法 进行挽救。化学沉积的原理是通过多种化学原料间的化学反应， 均匀地在零件表面产生一定厚度的金届镀层，通过附加回火保证 金届层与零件原有的硬度和力学性能相同。化学沉积只增加零件 的尺寸大小，不改变零件的形状公差，所以对于尺寸公差超差的 零件，采用化学沉积是一种有效的挽救方法，目前，最大单边沉 积厚度可达0.1m"右。c）热处理涨形法轴承钢的淬火组织由淬火马氏体、少量未溶的二

25、次碳化物及 残余奥氏体组成。淬火马氏体和残余奥氏体届于不稳定组织，在 回火过程中马氏体的分解使钢的体积收缩，而残余奥氏体的分解 使钢的体积胀大。随着回火温度的提高，残余奥氏体转变分解量增大，在保证 工艺要求硬度的条件下，适当提高回火温度，使残余奥氏体分解, 转变成比容较大的马氏体组织，可使工件体积相应增大，即相对 使外径磨量增加，利用这种方法可以使轴承套圈缺陷处在正常磨 削条件下成为废品的零件得以挽救。6. 失效方式及修复6.1接触疲劳失效接触疲劳失效系指轴承工作表面受到交变应力的作用而产生 的材料疲劳失效。接触疲劳失效常见的形式是接触疲劳剥落发。 接触疲劳剥落发生在轴承工作表面，往往也伴随着

26、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。由于剥落面的逐渐扩大，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。6.2磨损失效磨损失效系指表面之间的相对滑动摩擦导致其工作表面金届 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及其它相关问题。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。磨粒磨损系指轴承工作表面之间挤入外来坚硬 粒子或硬质异物或金届表面的磨屑且接触表面相对移动而引起的 磨损，常在轴承

27、工作表面造成犁沟状的擦伤。粘着磨损系指由于 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，严重时表面金届可能局部熔化，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。6.3断裂失效轴承断裂失效主要原因是缺陷与过载两大因素。当外加载荷 超过材料强度极限而造成零件断裂称为过载断裂。过载原因主要 是主机突发故障或安装不当。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。应当指出，轴承在 制造过程中，对原材料的入厂复验、锻造和热处理质量控制、加 工过程控制中可通过仪器正确分析上述缺陷是否存在，今后仍必 须加强控制。但一般来说，通常出现的轴承断裂失效大多数为过 载失效。6.4腐蚀失效有些滚动轴承在实际运行当中不可避免的要接触到水、水汽 以及腐蚀性介质等，这些物质会引起滚动轴承的生锈和腐蚀，另 外滚动轴承在运转过程中还会受到微电流和静电的作用，造成滚 动轴承的电流腐