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提高主轴轴承寿命的材料及热处理技术应用研究

发布时间：2012-07-17 浏览次数：823

　　主轴轴承在正常的使用条件下，其主要的失效形式为丧精失效，即在高速运转时，由于磨损、轴承套圈表面粗大非金属夹杂物（氧化物、点状不变形夹杂物等）或大颗粒碳化物的剥落，润滑介质中的硬杂质的存在，轴承零件表面的局部磨削烧伤（该部位的表面硬度大幅度降低）和尺寸的变化而导致轴承早期失效。因此，提高主轴轴承的使用寿命，材料冶金质量的优劣起着至关重要的作用。
　　目前，我国生产的主轴轴承一般采用电渣重熔轴承钢、高纯度真空脱气轴承钢和一般真空脱气轴承钢，三者在非金属夹杂物和碳化物分布上差别较大。其中电渣重熔钢组织致密，非金属夹杂物和碳化物呈均匀、弥散分布，使得用此钢生产的轴承具有较高的使用寿命和可靠性。但是，由于生产成本的原因，国内主轴轴承制造厂家多不用电渣重熔轴承钢，而是选用价格只有其三分之一或四分之一的高纯度真空脱气轴承钢或一般真空脱气轴承钢，虽然后两者的冶金质量近年来有了相当大的提高，但在钢中非金属夹杂物和碳化物的分布方面并没有实质性的改善，作为生产高速、精密的主轴轴承材料而言，与电渣重熔轴承钢还是有较大的差距。
　　而在热处理方面，国内的热处理装备目前正处于由保护气氛加热向可控气氛加热转变时期，空气加热炉和无碳势控制的保护气氛淬火炉还在许多厂家使用，制约着热处理技术的进步和热处理产品质量的提高。国内的热处理技术目前普遍停留在传统的淬回火工艺基础上，像贝氏体等温淬火、渗碳、渗氮及碳氮共渗等先进工艺只被少数技术力量雄厚的厂家所掌握，得不到广泛应用。与国外相比，特别是日本，无论技术还是装备，至少落后十年。我国生产的主轴轴承的热处理一般采用常规淬回火工艺，其使用寿命和可靠性不是太好。但是，若采用渗碳、碳氮共渗等特殊热处理后，可大幅度提高其综合性能，产生十分明显的经济效益和社会效益。而对一般真空脱气轴承钢采用渗碳、碳氮共渗等特殊热处理技术，可使主轴轴承的使用寿命成倍增长，可靠性大幅度提高，而原材料成本大幅下降，具有十分显著的经济与社会效益。
　　该项目首先对意大利SNFA生产的EX207CE1主轴轴承的用材、热处理及磨削质量进行分析，指出了国外主轴轴承在材料、热处理及磨削水平上与国内的差别。在此基础上，对我国目前生产主轴轴承所使用的电渣重熔GCr15钢、高纯度真空脱气GCr15钢和一般真空脱气GCr15钢进行了非金属夹杂物、碳化物颗粒大小及分布状态的对比分析及接触疲劳寿命试验研究。结果表明，电渣重熔GCr15钢的额定寿命L10、中值寿命L50是一般真空脱气GCr15钢的1.7倍、1.68倍，高纯度真空脱气GCr15钢的额定寿命L10、中值寿命L50是一般真空脱气GCr15钢的1.33倍、1.22倍。试验结果说明了GCr15钢的熔炼工艺对主轴轴承使用寿命的重要性。
　　选取一般真空脱气GCr15钢为试验用材料，分短时渗碳、中时渗碳、长时渗碳、短时碳氮共渗、中时碳氮共渗及常规马氏体淬回火工艺等六种工艺，进行了耐磨性、抗冲击性能的对比分析及接触疲劳寿命试验。根据试验结果，采用长时渗碳工艺，与采用常规马氏体淬回火工艺相比，耐磨性提高了30%，冲击韧性提高了68%，接触疲劳寿命L10、L50分别提高了8.7、11.7倍；一般真空脱气GCr15钢长时渗碳淬回火比采用高纯度真空脱气GCr15常规马氏体淬回火接触疲劳寿命L10、L50提高了6倍、10倍，比采用电渣重熔GCr15钢常规马氏体淬回火接触疲劳寿命L10、L50提高了5倍、6倍。
　　通过采用长时渗碳热处理工艺后，即使采用一般真空脱气GCr15钢生产主轴轴承，也能大幅度提高综合性能，尤其是接触疲劳寿命，远胜于电渣重熔GCr15钢和高纯度真空脱气GCr15钢，而原材料成本能降低50%以上，产生十分显著的经济效益和社会效益。