原材料因素对轴承寿命的影响及应对办法

发布时间：2012-02-01 浏览次数：889

作者：王学平
（六安滚动轴承有限公司）

　　摘　要：本文指出了原材料因素对轴承寿命的影响，控制方法以及轴承处于长寿命状态时，材料性能的各项指标、显微组织形态。结论为：淬火后材料的显微组织是碳浓度宏观均匀、微区不均匀，平均含碳量为0.48～0.52的隐晶马实体与10％左右分布均匀的残留奥氏体和少（〈7）、小（平均直径为0.3μm） 、圆 、匀（分布均匀，直径0.2～0.5μm 之间）（呈球状）的未溶碳化物组成。且钢中的有害杂质含量很少，并对控制这些因素的措施也作了阐述。
　　关键词：轴承材料；显微组织；寿命
　　滚动轴承的使用寿命与其制造材料的理化性能（成分，显微组织和内应力等）有着密切的关系。制造轴承的材料经过热处理后应具有以下的性能：高的接触疲劳强度、高的耐磨性、高的弹性极限、合适的硬度、一定的韧性、良好的尺寸稳定性、一定的防锈性能、良好的工艺性能。 现在世界各国生产滚动轴承的材料基本相同，内外圈和滚动体用材都是高碳铬钢，含碳1.0％、含铬1.5％左右。经淬火和低温回火处理，硬度要求60～64HRC。但不同国家、不同企业、不同批次、同一批次的不同轴承，使用寿命差异很大。虽然各国都进行了大量的研究工作，但研究结果并不一致，更缺乏统一的科学解释，对企业生产指导意义不大。
　　我们查阅大量资料，对用户进行了大量调查，对我们的产品进行了大量的理化性能测试和寿命试验，结合长期以来的金相组织检查结果，同时根据材料科学相关性原理，综合分析轴承寿命与结构、性能之间的关系，在综合分析前人研究结果的基础上，提出了原材料因素对轴承寿命的影响及控制方法
　　1、原材料因素对轴承寿命的影响
　　滚动轴承的早期失效形成，主要有断裂、塑性变形、磨损、腐蚀、疲劳剥落等形式，在正常条件下，主要是接触疲劳。轴承零件的失效除了服役条件外，主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀性和内应力状态等因素制约。影响这些性能和状态的主要内在因素有如下几种。
　　1.1 淬火钢中的马氏体
　　马氏体是高碳铬钢淬回火后的Z基本组织，其性能取决于马氏体中碳和合金元素的含量以及马氏体的形态和粗细程度。高碳铬钢原始退火组织为细小、均匀分布的球化珠光体组织时，淬火低温回火状态下，淬火马氏体的含碳量，明显影响钢的力学性能。它对强度、韧性、压溃抗力和接触疲劳寿命都有直接的影响。从很多资料和实验数据可知，各力学性能具有Z高值时，淬火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0.52％左右，抗压溃能力在0.45％左右，即GCr15钢淬火马氏体含碳量为0.48％～0.52％时，可以获得抗失效能力Z强的综合力学性能。
　　1.2 淬回火钢中的残留奥氏体
　　高碳铬轴承钢正常淬火后，可含有8％～20％的Ar残留奥氏体。残留奥氏体是不稳定组织，它有利也有弊，它使轴承在长期使用过程中尺寸发生变化而降低精度，它的强度、硬度较低，具有较高的冲击韧性，能提高轴承耐磨性和疲劳寿命。为了兴利除弊，Ar的含量应适当。许多研究表明，硬度Z大值出现在17Ar 左右，接触疲劳寿命出现在10Ar 左右。应当指出，Ar 的有利作用必须在Ar 稳定状态下，如果自发转变成马氏体，将使影响钢的韧性急剧降低而脆化。
　　1.3 淬火钢中的未溶碳化物
　　淬火钢中的未溶碳化物的数量、形貌、大小、分布，即受到钢的化学成分和淬火前原始组织的影响，又受到奥氏体化条件的影响。有关未溶碳化物对轴承寿命的影响已经有了很多研究，文件记载和研究表明：未溶碳化物增加，硬度升高，但当未溶碳化物超过一定数量后，对硬度的影响明显降低，在马实体含量相同，硬度较高的情况下，未溶碳化物少量增加对硬度增高值不大，而反映强度和韧性的压溃载荷有所降低，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。适当降低钢的含碳量是提高轴承使用寿命的途径之一。未溶碳化物一般控制在0.60％～0.65％之间，未溶碳化物的形态和数量也必须加以控制。未溶碳化物应小（颗粒细小，平均直径＜0.5μm） 、圆 、少（数量要少、匀（大小彼此相差很小，而且分布均匀）（碳化物颗粒呈圆形）。如此，轴承的使用寿命会很高。
　　1.4 淬回火后的残余应力
　　轴承零件淬回火后，依然具有较大的内应力。零件中的残余内应力有利和弊两种情况。表面残余压应力的增加，钢的疲劳强度也随之增加；表面残余应力为拉应力时，钢的疲劳强度降低。这是因为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余时，会抵消同等数值的拉应力，而使钢的实际承受拉力数值减小，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，使疲劳强度值降低。因此，使轴承零件淬火回火后表面残留较大的压应力，也是提高轴承使用寿命的措施之一。
　　1.5 钢中的杂质含量
　　钢中的杂质主要指非金属夹杂物（硫化物、氧化物、硅酸盐、点状 ，它们对钢性能的危害往往是不变形夹杂物）和有害元素（氧、氮）相互助长的。轴承钢中杂质对力学性能和轴承的失效能力的影响与杂质的类型、性质、数量、大小及形状有很大关系。随着夹杂物尺寸的增大，疲劳强度随之降低，钢中氧含量增高氧化物夹杂增多，弯曲疲劳和接触疲劳寿命，在高应力作用下也随之降低。减少夹杂物的含量、使夹杂物和碳化物成细小、弥散、均匀分布，是轴承高精度、高使用寿命和高可靠性的有效途径。
　　2.应对措施
　　为了使上述因素处于Z近状态，首先需要控制淬火前轴承钢的原始组织，可以采取的措施有：1040℃奥氏体化后速冷至630℃等温正火，获得细粒状珠光体组织，或者冷至420℃等温处理，获得贝氏体组织；采用锻造余热快速退火，获得细粒状珠光体，以保证钢中的碳化物细小和均匀分布。也可自1040℃直接油淬，然后再在600℃～650℃回火使之球化。
　　钢中的原始组织一定时，淬火马氏体的含碳量（即淬火加热后的奥氏体含碳量），残留奥氏体量和未溶碳化物量，主要取决于淬火加热温度和保温时间。随着淬火加热温度增高（时间一定），钢中未溶碳化物数量减少（淬火马氏体含碳量增高），残留奥氏体数量增多，硬度则随着温度的增高而增加，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，随着奥氏体化时间的延长，未溶碳化物的数量减少，残留奥氏体数量增多，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，因碳化物易溶于奥氏体，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。总之，GCr15 钢淬火未溶碳化物在0.62％左右，残留奥氏体在10％左右（隐晶马氏体的含碳量在0.50％），为Z佳组织。而且，当原始组织中碳化物细小、分布均匀时，在可靠的控制上述水平的显微组织时，有利于获得高的综合力学性能，从而具有高的使用寿命。应该说明的是，具有细小弥散分布碳化物的原始组织，即退火组织为欠热组织，淬火加热保温时，未溶的细小碳化物会聚集长大，使其粗化。因此原始欠热组织淬火时，加热时间不宜过长，加热温度应适当降低，才能获得更高的综合力学性能。采用可控气氛淬火，淬火加热时进行短时间表面渗碳或渗氮的处理工艺，使得表面的碳含量高于心部，零件表面能保留较大残余压应力。
　　3. 结论
　　影响轴承寿命的材料因素及控制措施有：
　　⑴轴承钢在淬火前的原始组织中的碳化物，要求细小、弥散。可采用多种方法进行细化。
　　⑵对于GCr15钢淬火后，10％的残留奥氏体，0.62％左右的大小均匀、分布均匀、呈圆形的显微组织，利用调整加热温度和时间的方法可以得到这种组织。
　　⑶零件淬火低温回火后要求表面残留较大的压应力，这有助于疲劳抗力的提高。可利用淬火加热时进行短时间表面渗碳或渗氮的处理工艺，使得表面残留较大的压应力。
　　⑷采用完全符合GB/T18254-2002 要求的轴承钢制造轴承的内外圈和滚动体，确保钢的纯洁度，减少 O₂、N₂、P、氧化物、和磷化物的含量，利用电渣重熔、炉外真空精炼等技术，可使钢材的纯洁度达到要求。