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影響軸承壽命的材料身分及其控製

更新时间:2019-11-06 23:14人气:4647
影響軸承壽命的材料身分

轉動軸承的初期失效形式,首要有破裂、塑性變形 、磨損、腐蝕和疲憊,在正常條件下首要是接觸疲憊。軸承零件的失效除了服役條件以外,首要受鋼的硬度、強度、韌性、耐磨性、抗蝕性和內應力狀況製約。影響這些性能和狀況的首要內在身分有如下幾項。

1 淬火鋼中的馬氏體

高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時,在淬火低溫回火狀況下 ,淬火馬氏體含碳量 ,明顯影響鋼的力學性能。強度、韌性在0.5%擺布,接觸疲憊壽命在0.55%擺布,抗壓潰能力在0.42%擺布,當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的綜協力學性能。

應當指出,在這類情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體 ,測得的含碳量是均勻含碳量。實際上 ,馬氏體中的含碳量在微區內是不均勻的,靠近碳化物四周的碳濃度高於闊別碳化物原鐵素體部分,因此它們開始發生馬氏體改變的溫度不同,從而抑製了馬氏體晶粒的長大和顯微形態的顯示而成為隱晶馬氏體。它可避免高碳鋼淬火時易出現的顯微裂紋,而且其亞結構為強度與韌性均高的位錯型板條狀馬氏體。是以,隻有當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好的基體 。

2 淬火鋼中的殘留奧氏體

高碳鉻鋼經正常淬火後,可含有8%~20%Ar(殘留奧氏體)。軸承零件中的Ar有益也有弊,為了興利除弊,Ar含量應適當 。由於Ar量首要與淬火加熱奧氏體化條件有關 ,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目,較難精確反映Ar量對力學性能的影響。為此,固定奧氏條件,利用奧氏體體化熱穩定化處理工藝,以獲得不同Ar量,在此研究了淬火低溫回火後Ar含量對GCr15鋼硬度和接觸疲憊壽命的影響。隨著奧氏體含量的增多,硬度和接觸疲憊壽命均隨之而增加,達到峰值後又隨之而降低,但其峰值的Ar含量不同,硬度峰值出現在17%Ar擺布,而接觸疲憊壽命峰值出現在9%擺布。當試驗載荷減小時,因Ar量增多對接觸疲憊壽命的影響減小。這是由於當Ar量未幾時對強度降低的影響不大,而增韌的感化則比較明顯。啟事是載荷較小時,Ar發生少量變形,既消減了應力峰,又使已變形的Ar加工強化和發生應力應變引發馬氏體相變而強化 。但如載荷大時,Ar較大的塑性變形與基體會局部產生應力集中而破裂,從而使壽命降低。應當指出,Ar的有益感化必須是在Ar穩定狀況之下,假如自發改變為馬氏體,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目、形貌、大小、分布,既受到鋼的化學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 ,除了對耐磨性有益以外,承載時因會(特別是碳化物呈非球形)與基體引發應力集中而產生裂紋,從而會降低韌性和疲憊抗力。淬火未溶碳化物除了本身對鋼的性能產生影響以外,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 ,淬火後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況 ,經150℃回火後,由於馬氏體含碳量相同,而且硬度較高 ,因此未溶碳化物少量增高對硬度增高值不大,反映強度和韌性的壓潰載荷則有所降低,對應力集中敏感的接觸疲憊壽命則明顯降低。是以淬火未溶碳化物過多對鋼的綜協力學性能和失效抗力是有害的。適當降低軸承鋼的含碳量是進步製件使用壽命的途徑之一。

淬火未溶碳化物除了數目對材料性能有影響以外,尺寸、形貌、分布也對材料性能產生影響。為了避免軸承鋼中未溶碳化物的危害,要求未溶碳化物少(數目少)、小(尺寸小)、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)。應當指出,軸承鋼淬火後有少量未溶碳化物是必要的,不僅可以保持足夠的耐磨性,而且也是獲得細晶粒隱晶馬氏體的必備條件。

4 淬火回火後的殘留應力

軸承零件經淬火低溫回火後,仍具有較大的內應力。零件中的殘留內應力有益和弊兩種狀況。鋼件熱處理後,隨著表麵殘留壓應力的增大,鋼的疲憊強度隨之增高,反之表麵殘留內應力為拉應力時,則使鋼的疲憊強度降低。這是由於零件的疲憊失效出現在承受過大拉應力的時候,當表麵有較大壓應力殘存時,會抵消同等數值的拉應力,而使鋼的實際承受拉應力數值減小,使疲憊強度極限值增高,當表麵有較大拉應力殘存時,會與承受的拉應力載荷疊加而使鋼的實際承受的拉應力明顯增大,即使疲憊強度極限值降低。是以 ,使軸承零件淬火回火後表麵殘留較大的壓應力,也是進步使用壽命的措施之一(當然過大的殘留應力可能引發零件的變形甚至開裂,應給予足夠重視)。

5 鋼的雜質含量

鋼中的雜質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。鋼中雜質對力學性能和製件抗失效能力的影響與雜質的類型、性質、數目 、大小及外形有關,但通常都有降低韌性、塑性和疲憊壽命的感化。

隨著夾雜物尺寸的增大 ,疲憊強度隨之而降低,而且鋼的抗拉強度越高,降低趨勢加大。鋼中含氧量增高(氧化物夾雜增多) ,彎曲疲憊和接觸疲憊壽命在高應力感化下也隨之降低。是以,對於在高應力下工作的軸承零件,降低製造用鋼的含氧量是必要的。一些研究表明,鋼中的MnS夾雜物,因外形呈橢球狀,而且能夠包裹危害較大的氧化物夾雜,故其對疲憊壽命降低影響較小甚至還可能有益,故可從寬控製。

影響軸承壽命的材料身分的控製

為了使上述影響軸承壽命的材料身分處於最好狀況,首先需要控製淬火前鋼的原始組織,可以采取的技術措施有:高溫(1050℃)奧氏體化速冷至630℃等溫正火獲得偽共析細珠光體組織 ,或者冷至420℃等溫處理,獲得貝氏體組織。也可采用鍛軋餘熱快速退火,獲得細粒狀珠光體組織,以保證鋼中的碳化物細小和均勻分布。這類狀況的原始組織在淬火加熱奧氏體化時,除了溶進奧氏體中的碳化物外,未溶碳化物將聚集成細粒狀。

當鋼中的原始組織一定時,淬火馬氏體的含碳量(即淬火加熱後的奧氏體含碳量)、殘留奧氏體量和未溶碳化物量首要取決於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),鋼中未溶碳化物數目減少(淬火馬氏體含碳量增高)、殘留奧氏體數目增多,硬度則先隨著淬火溫度的增高而增加,達到峰值後又隨著溫度的升高而降低。當淬火加熱溫度一定時,隨著奧氏體化時間的延長,未溶碳化物的數目減少,殘留奧氏體數目增多,硬度增高 ,時間較長時,這類趨勢減緩。當原始組織中碳化物細小時,因碳化物易於溶進奧氏體,故使淬火後的硬度峰移向較低溫度和出現在較短的奧氏體化時間 。

綜上所述,GCrl5鋼淬火後未溶碳化物在7%擺布,殘留奧氏體在9%擺布(隱晶馬氏體的均勻含碳量在0.55%擺布)為最好組織構成。而且 ,當原始組織中碳化物細小 ,分布均勻時,在可靠地控製上述水平的顯微組織構成時,有益於獲得高的綜協力學性能,從而具有高的使用壽命 。應當指出,具有細小彌散分布碳化物的原始組織,淬火加熱保溫時,未溶的細小碳化物會聚集長大 ,使其粗化。是以,對於具有這類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,將可獲得更高的綜協力學性能。

為了使軸承零件淬回火後表麵殘留較大的壓應力,可在淬火加熱時通進滲碳或滲氮的氣氛,進行短時間的表麵滲碳或滲氮。由於這類鋼淬火加熱時奧氏體實際含碳量不高,遠低於相圖上示出的平衡濃度,是以可以吸碳(或氮)。當奧氏體含有較高的碳或氮後,其Ms降低,淬火時表層較內層和心部後發生馬氏體改變,產生了較大的殘留壓應力。GCrl5鋼以滲碳氣氛和非滲碳氣氛加熱淬火(均經低溫回火)處理後,經接觸疲憊試驗可以看出,表麵滲碳的壽命比未滲碳的進步了1.5倍 。其啟事就是滲碳的零件表麵具有較大的殘留壓應力 。

結論

影響高碳鉻鋼轉動軸承零件使用壽命的首要材料身分及控製程度為 :

(1)鋼在淬火前的原始組織中的碳化物要求細小、彌散。可采用高溫奧氏體化630℃、或420℃高溫,也可利用鍛軋餘熱快速退火工藝來實現。

(2)對於GCr15鋼淬火後,要求獲得均勻含碳量為0.55%擺布的隱晶馬氏體、9%擺布Ar和7%擺布呈勻、圓狀況的未溶碳化物的顯微組織。可利用淬火加熱溫度和時間來控製得到這類顯微組織 。

(3)零件淬火低溫回火後要求表麵殘留有較大的壓應力,這有助於疲憊抗力的進步。可采用在淬火加熱時進行表麵短時間滲碳或滲氮的處理工藝,使得表麵殘留有較大的壓應力。

(4)製造軸承零件用鋼,要求具有較高的純淨度,首要是減少O2、N2、P 、氧化物和磷化物的含量。可采用電渣重熔,真空冶煉等技術措施使材料含氧量≤15PPM為宜。

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