影響軸承壽命的材料因素及其控制
影響軸承壽命的材料因素及其控制
- 2021/9/16 8:23:53
影響軸承壽命的材料因素滾動軸承的早期失效形式，主要有破裂、塑性變形、磨損、腐蝕和疲勞，在正常條件下主要是接觸疲勞。軸承零件的失效除了服役條件之外，主要受鋼的硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、抗蝕性和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)制約。影響這些性能和狀態(tài)的主要內(nèi)在因素有如下幾項。
1、淬火鋼中的馬氏體高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時，在淬火低溫回火狀態(tài)下，淬火馬氏體含碳量，明顯影響鋼的力學(xué)性能。強(qiáng)度、韌性在0.5％左右，接觸疲勞壽命在0.55％左右，抗壓潰能力在0.42％左右，當(dāng)GCr15鋼淬火馬氏體含碳量為0.5％～0.56％時，可以獲得抗失效能力最強(qiáng)的綜合力學(xué)性能。應(yīng)該指出，在這種情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體，測得的含碳量是平均含碳量。實際上，馬氏體中的含碳量在微區(qū)內(nèi)是不均勻的，靠近碳化物周圍的碳濃度高于遠(yuǎn)離碳化物原鐵素體部分，因而它們開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度不同，從而抑制了馬氏體晶粒的長大和顯微形態(tài)的顯示而成為隱晶馬氏體。它可避免高碳鋼淬火時易出現(xiàn)的顯微裂紋，而且其亞結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度與韌性均高的位錯型板條狀馬氏體。因此，只有當(dāng)高碳鋼淬火時獲得中碳隱晶馬氏體時軸承零件才可能獲得抗失效能力最佳的基體。
2、淬火鋼中的殘留奧氏體高碳鉻鋼經(jīng)正常淬火后，可含有8％～20％Ar（殘留奧氏體）。軸承零件中的Ar有利也有弊，為了興利除弊，Ar含量應(yīng)適當(dāng)。由于Ar量主要與淬火加熱奧氏體化條件有關(guān)，它的多少又會影響淬火馬氏體的含碳量和未溶碳化物的數(shù)量，較難正確反映Ar量對力學(xué)性能的影響。為此，固定奧氏條件，利用奧氏體體化熱穩(wěn)定化處理工藝，以獲得不同Ar量，在此研究了淬火低溫回火后Ar含量對GCr15鋼硬度和接觸疲勞壽命的影響。隨著奧氏體含量的增多，硬度和接觸疲勞壽命均隨之而增加，達(dá)到峰值后又隨之而降低，但其峰值的Ar含量不同，硬度峰值出現(xiàn)在17％Ar左右，而接觸疲勞壽命峰值出現(xiàn)在9％左右。當(dāng)試驗載荷減小時，因Ar量增多對接觸疲勞壽命的影響減小。這是由于當(dāng)Ar量不多時對強(qiáng)度降低的影響不大，而增韌的作用則比較明顯。原因是載荷較小時，Ar發(fā)生少量變形，既消減了應(yīng)力峰，又使已變形的Ar加工強(qiáng)化和發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變而強(qiáng)化。但如載荷大時，Ar較大的塑性變形與基體會局部產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，從而使壽命降低。應(yīng)該指出，Ar的有利作用必須是在Ar穩(wěn)定狀態(tài)之下，如果自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，將使鋼的韌性急劇降低而脆化。
3、淬火鋼中的未溶碳化物淬火鋼中未溶碳化物的數(shù)量、形貌、大小、分布，既受到鋼的化學(xué)成分和淬火前原始組織的影響，又受奧氏體化條件的影響，有關(guān)未溶碳化物對軸承壽命的影響研究較少。碳化物是硬脆相，除了對耐磨性有利之外，承載時因會（特別是碳化物呈非球形）與基體引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，從而會降低韌性和疲勞抗力。淬火未溶碳化物除了自身對鋼的性能產(chǎn)生影響之外，還影響淬火馬氏體的含碳量和Ar含量及分布，從而對鋼的性能產(chǎn)生附加影響。為了揭示未溶碳化物對性能的影響，采用不同含碳量的鋼，淬火后使其馬氏體含碳量和Ar含量相同而未溶碳化物含量不同的狀態(tài)，經(jīng)150℃回火后，由于馬氏體含碳量相同，而且硬度較高，因而未溶碳化物少量增高對硬度增高值不大，反映強(qiáng)度和韌性的壓潰載荷則有所降低，對應(yīng)力集中敏感的接觸疲勞壽命則明顯降低。因此淬火未溶碳化物過多對鋼的綜合力學(xué)性能和失效抗力是有害的。適當(dāng)降低軸承鋼的含碳量是提高制件使用壽命的途徑之一。淬火未溶碳化物除了數(shù)量對材料性能有影響之外，尺寸、形貌、分布也對材料性能產(chǎn)生影響。為了避免軸承鋼中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物少（數(shù)量少）、小（尺寸?。?、勻（大小彼此相差很小，而且分布均勻）、圓（每粒碳化物皆呈球形）。應(yīng)該指出，軸承鋼淬火后有少量未溶碳化物是必要的，不僅可以保持足夠的耐磨性，而且也是獲得細(xì)晶粒隱晶馬氏體的必備條件。
4、淬火回火后的殘留應(yīng)力軸承零件經(jīng)淬火低溫回火后，仍具有較大的內(nèi)應(yīng)力。零件中的殘留內(nèi)應(yīng)力有利和弊兩種狀態(tài)。鋼件熱處理后，隨著表面殘留壓應(yīng)力的增大，鋼的疲勞強(qiáng)度隨之增高，反之表面殘留內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力時，則使鋼的疲勞強(qiáng)度降低。這是由于零件的疲勞失效出現(xiàn)在承受過大拉應(yīng)力的時候，當(dāng)表面有較大壓應(yīng)力殘存時，會抵消同等數(shù)值的拉應(yīng)力，而使鋼的實際承受拉應(yīng)力數(shù)值減小，使疲勞強(qiáng)度極限值增高，當(dāng)表面有較大拉應(yīng)力殘存時，會與承受的拉應(yīng)力載荷疊加而使鋼的實際承受的拉應(yīng)力明顯增大，即使疲勞強(qiáng)度極限值降低。因此，使軸承零件淬火回火后表面殘留較大的壓應(yīng)力，也是提高使用壽命的措施之一（當(dāng)然過大的殘留應(yīng)力可能引起零件的變形甚至開裂，應(yīng)給予足夠重視）。
5、鋼的雜質(zhì)含量
鋼中的雜質(zhì)包括非金屬夾雜物和有害元素（酸溶）含量，它們對鋼性能的危害往往是相互助長的，如氧含量越高，氧化物夾雜物就越多。鋼中雜質(zhì)對力學(xué)性能和制件抗失效能力的影響與雜質(zhì)的類型、性質(zhì)、數(shù)量、大小及形狀有關(guān)，但通常都有降低韌性、塑性和疲勞壽命的作用。
隨著夾雜物尺寸的增大，疲勞強(qiáng)度隨之而降低，而且鋼的抗拉強(qiáng)度越高，降低趨勢加大。鋼中含氧量增高（氧化物夾雜增多），彎曲疲勞和接觸疲勞壽命在高應(yīng)力作用下也隨之降低。因此，對于在高應(yīng)力下工作的軸承零件，降低制造用鋼的含氧量是必要的。一些研究表明，鋼中的MnS夾雜物，因形狀呈橢球狀,而且能夠包裹危害較大的氧化物夾雜,故其對疲勞壽命降低影響較小甚至還可能有益,故可從寬控制。
影響軸承壽命的材料因素的控制
為了使上述影響軸承壽命的材料因素處于最佳狀態(tài)，首先需要控制淬火前鋼的原始組織，可以采取的技術(shù)措施有：高溫（1050℃）奧氏體化速冷至630℃等溫正火獲得偽共析細(xì)珠光體組織，或者冷至420℃等溫處理，獲得貝氏體組織。也可采用鍛軋余熱快速退火，獲得細(xì)粒狀珠光體組織，以保證鋼中的碳化物細(xì)小和均勻分布。這種狀態(tài)的原始組織在淬火加熱奧氏體化時，除了溶入奧氏體中的碳化物外，未溶碳化物將聚集成細(xì)粒狀。
當(dāng)鋼中的原始組織一定時，淬火馬氏體的含碳量（即淬火加熱后的奧氏體含碳量）、殘留奧氏體量和未溶碳化物量主要取決于淬火加熱溫度和保持時間，隨著淬火加熱溫度增高（時間一定），鋼中未溶碳化物數(shù)量減少（淬火馬氏體含碳量增高）、殘留奧氏體數(shù)量增多，硬度則先隨著淬火溫度的增高而增加，達(dá)到峰值后又隨著溫度的升高而降低。當(dāng)淬火加熱溫度一定時，隨著奧氏體化時間的延長，未溶碳化物的數(shù)量減少，殘留奧氏體數(shù)量增多，硬度增高，時間較長時，這種趨勢減緩。當(dāng)原始組織中碳化物細(xì)小時，因碳化物易于溶入奧氏體，故使淬火后的硬度峰移向較低溫度和出現(xiàn)在較短的奧氏體化時間。
綜上所述，GCrl5鋼淬火后未溶碳化物在7％左右，殘留奧氏體在9％左右（隱晶馬氏體的平均含碳量在0．55％左右）為最佳組織組成。而且，當(dāng)原始組織中碳化物細(xì)小，分布均勻時，在可靠地控制上述水平的顯微組織組成時，有利于獲得高的綜合力學(xué)性能，從而具有高的使用壽命。應(yīng)該指出，具有細(xì)小彌散分布碳化物的原始組織，淬火加熱保溫時，未溶的細(xì)小碳化物會聚集長大，使其粗化。因此，對于具有這種的原始組織軸承零件淬火加熱時間不宜過長，采用快速加熱奧氏體化淬火工藝，將可獲得更高的綜合力學(xué)性能。
為了使軸承零件淬回火后表面殘留較大的壓應(yīng)力，可在淬火加熱時通入滲碳或滲氮的氣氛，進(jìn)行短時間的表面滲碳或滲氮。由于這種鋼淬火加熱時奧氏體實際含碳量不高，遠(yuǎn)低于相圖上示出的平衡濃度，因此可以吸碳（或氮）。當(dāng)奧氏體含有較高的碳或氮后，其Ms降低，淬火時表層較內(nèi)層和心部后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了較大的殘留壓應(yīng)力。GCrl5鋼以滲碳?xì)夥蘸头菨B碳?xì)夥占訜岽慊?均經(jīng)低溫回火)處理后,經(jīng)接觸疲勞試驗可以看出，表面滲碳的壽命比未滲碳的提高了1.5倍。其原因就是滲碳的零件表面具有較大的殘留壓應(yīng)力。
結(jié)論
影響高碳鉻鋼滾動軸承零件使用壽命的主要材料因素及控制程度為：（1）鋼在淬火前的原始組織中的碳化物要求細(xì)小、彌散?？刹捎酶邷貖W氏體化630℃、或420℃高溫,也可利用鍛軋余熱快速退火工藝來實現(xiàn)。（2）對于GCr15鋼淬火后，要求獲得平均含碳量為0.55％左右的隱晶馬氏體、9％左右Ar和7％左右呈勻、圓狀態(tài)的未溶碳化物的顯微組織?？衫么慊鸺訜釡囟群蜁r間來控制得到這種顯微組織。（3）零件淬火低溫回火后要求表面殘留有較大的壓應(yīng)力，這有助于疲勞抗力的提高?？刹捎迷诖慊鸺訜釙r進(jìn)行表面短時間滲碳或滲氮的處理工藝，使得表面殘留有較大的壓應(yīng)力。（4）制造軸承零件用鋼，要求具有較高的純凈度，主要是減少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量。可采用電渣重熔，真空冶煉等技術(shù)措施使材料含氧量≤15PPM為宜。