影響軸承壽命的鋼材因素及控制研究

影響軸承壽命的材料因素

滾動(dòng)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(xiàng)。

淬火鋼中的馬氏體

高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時(shí)，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(shí)，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(cè)得的含碳量是平均含碳量。實(shí)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(kāi)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(zhǎng)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(shí)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(cuò)型板條狀馬氏體。因此，只有當(dāng)高碳鋼淬火時(shí)獲得中碳隱晶馬氏體時(shí)軸承零件才可能獲得抗失效能力最佳的基體。

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(huì)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(duì)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(duì)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(yàn)載荷減小時(shí)，因Ar量增多對(duì)接觸疲勞壽命的影響減小。這是由于當(dāng)Ar量不多時(shí)對(duì)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(shí)，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(shí)，Ar較大的塑性變形與基體會(huì)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。

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(duì)軸承壽命的影響研究較少。碳化物是硬脆相，除了對(duì)耐磨性有利之外，承載時(shí)因會(huì)（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(huì)降低韌性和疲勞抗力。淬火未溶碳化物除了自身對(duì)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(duì)鋼的性能產(chǎn)生附加影響。為了揭示未溶碳化物對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)多對(duì)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(duì)材料性能有影響之外，尺寸、形貌、分布也對(duì)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）、?。ǔ叽缧。?、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。

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(shí)，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(guò)大拉應(yīng)力的時(shí)候，當(dāng)表面有較大壓應(yīng)力殘存時(shí)，會(huì)抵消同等數(shù)值的拉應(yīng)力，而使鋼的實(shí)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(shí)，會(huì)與承受的拉應(yīng)力載荷疊加而使鋼的實(shí)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(guò)大的殘留應(yīng)力可能引起零件的變形甚至開(kāi)裂，應(yīng)給予足夠重視）。