軸承材料及其熱處理的發展方向

2019-06-19

一、改進冶煉技術提高鋼的潔凈度及均勻性
  與工業發達國家相比,我國軸承鋼的氧含量雖然已接近國外先進水平,但夾雜物和碳化物尺寸及分布的均勻性、成分均勻性與國外相比還有很大的差距,如大尺寸的夾雜物和碳化物較多、基本成分不均勻形成黑白區等,造成軸承零件質量先天不足,嚴重影響了軸承的壽命、可靠性及一致性。 
  此外,滾動接觸面上大尺寸夾雜物的存在還嚴重降低表面精度,增加軸承的噪聲。為此,軸承行業應與冶金行業協商,促使冶金行業在進一步降低氧含量的基礎上,開展澆注凝固技術、軋制技術、夾雜物控制及檢測技術的研究,如改進連鑄時的電磁攪拌、加大連鑄坯的尺寸、加強高溫擴散退火等,以提高夾雜物和碳化物的尺寸及分布均勻性。
  二、開發推廣新鋼種滿足不同軸承的要求
  隨著主機的小型化、輕量化、高速化,軸承的使用環境越來越多樣化,對軸承的要求也越來越苛刻,目前我國的現有鋼種已不能滿足或不能充分滿足主機對軸承的要求,為此,應積極開展新材料的開發和推廣工作。如開發大尺寸軸承用的高淬透性鋼、重載及潔凈潤滑條件或小型輕量化條件下使用的軸承用鋼、在污染條件下使用的軸承用高碳鋼和滲碳鋼、準高溫(工作溫度200℃以下)條件下用軸承鋼以及特殊條件使用的軸承用鋼(不銹鋼、高溫鋼)。
  三、熱處理新工藝的研究及推廣
  1.貝氏體淬火
  貝氏體等溫淬火處理的軸承由于沖擊韌性好、表面為壓應力,無論是裝配時內套開裂,還是使用過程中外套擋邊掉塊、內套碎裂的傾向性均大大減小,且可降低滾子的邊緣應力集中。因此,軸承經等溫淬火后比常規淬火后的平均壽命及可靠性顯著提高。該工藝廣泛應用于鐵路軸承、軋機軸承以及在特殊工況下使用的軸承。該工藝與其他延壽措施相比,工藝簡單,成本較低。近年來,我國開發了新鋼種GCr18Mo貝氏體淬火專用鋼,以推動貝氏體淬火在大尺寸軸承零件上的應用。鑒于該工藝的許多優點,建議在使用條件惡劣(大沖擊載荷、潤滑不良等)或要求高可靠性的軸承中大力推廣,并進一步深入研究貝氏體處理后的耐磨性和疲勞壽命。
  2.表面碳氮共滲
  洛陽軸承研究所曾于20世紀80年代開展了軸承鋼的馬氏體應力淬火研究,通過對高碳鉻軸承鋼零件進行特殊的碳氮共滲后淬火,提高表面殘余奧氏體的含量,改善表面應力狀態,大大提高了變速箱用碳氮共滲,在不降低表面硬度的基礎上提高表面殘余奧氏體含量,以提高軸承在污染潤滑條件下的疲勞壽命和可靠性。
  四、表面改性技術
  通過適當的表面處理改進表面性能,以滿足特殊條件下對軸承的性能要求。如利用氣相沉積技術在軸承滾道上涂覆金鋼石鍍層可達到減摩、耐磨的效果,大大提高軸承的磨損壽命和精度保持性能,可在家用電器軸承、計算機硬盤驅動軸承中推廣應用;利用熱涂技術在軸承外圈外柱面上涂覆氧化鋁陶瓷材料,可提高軸承的電絕緣性能,防止電擊傷,提高電機軸承的壽命和可靠性;在軸承零件表面滲硫或沉積M0S2可達到減摩潤滑作用。
  五、熱處理設備及相關技術
  1.氣氛及控制 
  由采用保護氣氛加熱到精確控制碳勢、氮勢的可控氣氛加熱,熱處理后零件的性能得到提高,熱處理缺陷如脫碳、裂紋等大大減少。結合熱處理淬火變形控制技術,可減少熱處理后的精加工留量,提高材料的利用率和機加工效率,同時改善精加工后軸承零件的表面狀態,如表面的碳含量、組織、硬度及應力狀態等。
  2.自動化及智能化
  一方面是根據零件的使用要求、材料、結構尺寸,利用物理冶金知識及先進的計算機模擬和檢測技術,優化工藝參數,達到所需的性能或最大限度地發揮材料的潛力;另一方面是提高熱處理的自動化程度和穩定性,充分保證優化工藝的穩定性,實現產品質量分散度很小(或為零)的目標,從而滿足在不同使用條件下主機的性能要求,提高軸承的可靠性和壽命。
  六、變形及尺寸穩定性
  馬氏體淬火過程中,由于零件各部位的冷卻不均勻,不可避免地出現熱應力和組織應力而導致零件變形。淬回火后零件的變形(包括尺寸變化和形狀變化)受很多因素影響,是一個相當復雜的問題,如零件的形狀與尺寸、原始組織的均勻性、淬火前的粗加工狀態(車削時進刀量的大小、機加工的殘余應力等)、淬火時的加熱速度與溫度、工件的擺放方式、入油方式、淬火介質的特性與循環方式、介質的溫度等均會影響零件的變形。應結合具體設備和產品對變形進行研究,提出控制變形的措施,如采用旋轉淬火、壓模淬火、控制零件入油方式等,減小熱處理變形,提高加工效率和零件性能。
  馬氏體淬火后,零件的尺寸穩定性主要受以下三種不同轉變的影響:碳從馬氏體晶格中遷移形成ε-碳化物、殘余奧氏體分解和形成fe3c,這三種轉變相互疊加。在50~120℃之間,由于ε-碳化物的沉淀析出,引起零件的體積縮小,一般零件在150℃回火后已完成這一轉變,其對零件以后使用過程中的尺寸穩定性的影響可以忽略;在100~250℃之間,殘余奧氏體分解,轉變為馬氏體或貝氏體,將伴隨著體積漲大;在200℃以上,ε-碳化物向滲碳體轉化,導致零件體積縮小。研究表明:殘余奧氏體在外載作用或較低的回火溫度下(甚至在室溫下)也發生分解,導致零件尺寸變化。因些,在實際使用中,所有的軸承零件的加火溫充應高于使用溫度50℃,對尺寸穩定性要求較高的零件要盡量降低殘余奧氏體的含量,并提高貯運和使用中的尺寸穩定性、精度、壽命及可靠性。

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