影響軸承壽命的因素及控制
2016-01-06
1、影響軸承壽命的材料因素
滾動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、強度、韌性、耐磨性、抗蝕性和內應力狀態制約。影響這些性能和狀態的主要內在因素有如下幾項。
1.1、淬火鋼中的馬氏體
高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時，在淬火低溫回火狀態下，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％左右，接觸疲勞壽命在0.55％左右，抗壓潰能力在0.42％左右，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合力學性能。
應該指出，在這種情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體，測得的含碳量是平均含碳量。實際上，馬氏體中的含碳量在微區內是不均勻的，靠近碳化物周圍的碳濃度高于遠離碳化物原鐵素體部分，因而它們開始發生馬氏體轉變的溫度不同，從而抑制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。因此，只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佳的基體。
1.2、淬火鋼中的殘留奧氏體
高碳鉻鋼經正常淬火后，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含量應適當。由于Ar量主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量，較難正確反映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后Ar含量對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，硬度峰值出現在17％Ar左右，而接觸疲勞壽命峰值出現在9％左右。當試驗載荷減小時，因Ar量增多對接觸疲勞壽命的影響減小。這是由于當Ar量不多時對強度降低的影響不大，而增韌的作用則比較明顯。原因是載荷較小時，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誘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。應該指出，Ar的有利作用必須是在Ar穩定狀態之下，如果自發轉變為馬氏體，將使鋼的韌性急劇降低而脆化。
1.3、淬火鋼中的未溶碳化物
淬火鋼中未溶碳化物的數量、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，除了對耐磨性有利之外，承載時因會(特別是碳化物呈非球形)與基體引起應力集中而產生裂紋，從而會降低韌性和疲勞抗力。淬火未溶碳化物除了自身對鋼的性能產生影響之外，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，經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勞壽命則明顯降低。因此淬火未溶碳化物過多對鋼的綜合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提高制件使用壽命的途徑之一。
淬火未溶碳化物除了數量對材料性能有影響之外，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(數量少)、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，而且也是獲得細晶粒隱晶馬氏體的必備條件。
1.4、淬火回火后的殘留應力
軸承零件經淬火低溫回火后，仍具有較大的內應力。零件中的殘留內應力有利和弊兩種狀態。鋼件熱處理后，隨著表面殘留壓應力的增大，鋼的疲勞強度隨之增高，反之表面殘留內應力為拉應力時，則使鋼的疲勞強度降低。這是由于零件的疲勞失效出現在承受過大拉應力的時候，當表面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，使疲勞強度極限值增高，當表面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，即使疲勞強度極限值降低。因此，使軸承零件淬火回火后表面殘留較大的壓應力，也是提高使用壽命的措施之一(當然過大的殘留應力可能引起零件的變形甚至開裂，應給予足夠重視)。
1.5、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制件抗失效能力的影響與雜質的類型、性質、數量、大小及形狀有關，但通常都有降低韌性、塑性和疲勞壽命的作用。
隨著夾雜物尺寸的增大，疲勞強度隨之而降低，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)，彎曲疲勞和接觸疲勞壽命在高應力作用下也隨之降低。因此，對于在高應力下工作的軸承零件，降低制造用鋼的含氧量是必要的。一些研究表明，鋼中的MnS夾雜物，因形狀呈橢球狀,而且能夠包裹危害較大的氧化物夾雜,故其對疲勞壽命降低影響較小甚至還可能有益,故可從寬控制。
2、影響軸承壽命的材料因素的控制
為了使上述影響軸承壽命的材料因素處于最佳狀態，首先需要控制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。也可采用鍛軋余熱快速退火，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。這種狀態的原始組織在淬火加熱奧氏體化時，除了溶入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(即淬火加熱后的奧氏體含碳量)、殘留奧氏體量和未溶碳化物量主要取決于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)，鋼中未溶碳化物數量減少(淬火馬氏體含碳量增高)、殘留奧氏體數量增多，硬度則先隨著淬火溫度的增高而增加，達到峰值后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，未溶碳化物的數量減少，殘留奧氏體數量增多，硬度增高，時間較長時，這種趨勢減緩。當原始組織中碳化物細小時，因碳化物易于溶入奧氏體，故使淬火后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鋼淬火后未溶碳化物在7％左右，殘留奧氏體在9％左右(隱晶馬氏體的平均含碳量在0.55％左右)為最佳組織組成。而且，當原始組織中碳化物細小，分布均勻時，在可靠地控制上述水平的顯微組織組成時，有利于獲得高的綜合力學性能，從而具有高的使用壽命。應該指出，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。因此，對于具有這種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，將可獲得更高的綜合力學性能。
為了使軸承零件淬回火后表面殘留較大的壓應力，可在淬火加熱時通入滲碳或滲氮的氣氛，進行短時間的表面滲碳或滲氮。由于這種鋼淬火加熱時奧氏體實際含碳量不高，遠低于相圖上示出的平衡濃度，因此可以吸碳(或氮)。當奧氏體含有較高的碳或氮后，其Ms降低，淬火時表層較內層和心部后發生馬氏體轉變，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)處理后,經接觸疲勞試驗可以看出，表面滲碳的壽命比未滲碳的提高了1.5倍。其原因就是滲碳的零件表面具有較大的殘留壓應力。
3、結論
影響高碳鉻鋼滾動軸承零件使用壽命的主要材料因素及控制程度為：
(1)鋼在淬火前的原始組織中的碳化物要求細小、彌散?？刹捎酶邷貖W氏體化630℃、或420℃高溫,也可利用鍛軋余熱快速退火工藝來實現。
(2)對于GCr15鋼淬火后，要求獲得平均含碳量為0.55％左右的隱晶馬氏體、9％左右Ar和7％左右呈勻、圓狀態的未溶碳化物的顯微組織?？衫么慊鸺訜釡囟群蜁r間來控制得到這種顯微組織。
(3)零件淬火低溫回火后要求表面殘留有較大的壓應力，這有助于疲勞抗力的提高?？刹捎迷诖慊鸺訜釙r進行表面短時間滲碳或滲氮的處理工藝，使得表面殘留有較大的壓應力。
(4)制造軸承零件用鋼，要求具有較高的純凈度，主要是減少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量?？刹捎秒娫厝郏婵找睙挼燃夹g措施使材料含氧量≤15PPM為宜。
滾動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、強度、韌性、耐磨性、抗蝕性和內應力狀態制約。影響這些性能和狀態的主要內在因素有如下幾項。
1.1、淬火鋼中的馬氏體
高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時，在淬火低溫回火狀態下，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％左右，接觸疲勞壽命在0.55％左右，抗壓潰能力在0.42％左右，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合力學性能。
應該指出，在這種情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體，測得的含碳量是平均含碳量。實際上，馬氏體中的含碳量在微區內是不均勻的，靠近碳化物周圍的碳濃度高于遠離碳化物原鐵素體部分，因而它們開始發生馬氏體轉變的溫度不同，從而抑制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。因此，只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佳的基體。
1.2、淬火鋼中的殘留奧氏體
高碳鉻鋼經正常淬火后，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含量應適當。由于Ar量主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量，較難正確反映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后Ar含量對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，硬度峰值出現在17％Ar左右，而接觸疲勞壽命峰值出現在9％左右。當試驗載荷減小時，因Ar量增多對接觸疲勞壽命的影響減小。這是由于當Ar量不多時對強度降低的影響不大，而增韌的作用則比較明顯。原因是載荷較小時，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誘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。應該指出，Ar的有利作用必須是在Ar穩定狀態之下，如果自發轉變為馬氏體，將使鋼的韌性急劇降低而脆化。
1.3、淬火鋼中的未溶碳化物
淬火鋼中未溶碳化物的數量、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，除了對耐磨性有利之外，承載時因會(特別是碳化物呈非球形)與基體引起應力集中而產生裂紋，從而會降低韌性和疲勞抗力。淬火未溶碳化物除了自身對鋼的性能產生影響之外，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，經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勞壽命則明顯降低。因此淬火未溶碳化物過多對鋼的綜合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提高制件使用壽命的途徑之一。
淬火未溶碳化物除了數量對材料性能有影響之外，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(數量少)、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，而且也是獲得細晶粒隱晶馬氏體的必備條件。
1.4、淬火回火后的殘留應力
軸承零件經淬火低溫回火后，仍具有較大的內應力。零件中的殘留內應力有利和弊兩種狀態。鋼件熱處理后，隨著表面殘留壓應力的增大，鋼的疲勞強度隨之增高，反之表面殘留內應力為拉應力時，則使鋼的疲勞強度降低。這是由于零件的疲勞失效出現在承受過大拉應力的時候，當表面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，使疲勞強度極限值增高，當表面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，即使疲勞強度極限值降低。因此，使軸承零件淬火回火后表面殘留較大的壓應力，也是提高使用壽命的措施之一(當然過大的殘留應力可能引起零件的變形甚至開裂，應給予足夠重視)。
1.5、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制件抗失效能力的影響與雜質的類型、性質、數量、大小及形狀有關，但通常都有降低韌性、塑性和疲勞壽命的作用。
隨著夾雜物尺寸的增大，疲勞強度隨之而降低，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)，彎曲疲勞和接觸疲勞壽命在高應力作用下也隨之降低。因此，對于在高應力下工作的軸承零件，降低制造用鋼的含氧量是必要的。一些研究表明，鋼中的MnS夾雜物，因形狀呈橢球狀,而且能夠包裹危害較大的氧化物夾雜,故其對疲勞壽命降低影響較小甚至還可能有益,故可從寬控制。
2、影響軸承壽命的材料因素的控制
為了使上述影響軸承壽命的材料因素處于最佳狀態，首先需要控制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。也可采用鍛軋余熱快速退火，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。這種狀態的原始組織在淬火加熱奧氏體化時，除了溶入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(即淬火加熱后的奧氏體含碳量)、殘留奧氏體量和未溶碳化物量主要取決于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)，鋼中未溶碳化物數量減少(淬火馬氏體含碳量增高)、殘留奧氏體數量增多，硬度則先隨著淬火溫度的增高而增加，達到峰值后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，未溶碳化物的數量減少，殘留奧氏體數量增多，硬度增高，時間較長時，這種趨勢減緩。當原始組織中碳化物細小時，因碳化物易于溶入奧氏體，故使淬火后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鋼淬火后未溶碳化物在7％左右，殘留奧氏體在9％左右(隱晶馬氏體的平均含碳量在0.55％左右)為最佳組織組成。而且，當原始組織中碳化物細小，分布均勻時，在可靠地控制上述水平的顯微組織組成時，有利于獲得高的綜合力學性能，從而具有高的使用壽命。應該指出，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。因此，對于具有這種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，將可獲得更高的綜合力學性能。
為了使軸承零件淬回火后表面殘留較大的壓應力，可在淬火加熱時通入滲碳或滲氮的氣氛，進行短時間的表面滲碳或滲氮。由于這種鋼淬火加熱時奧氏體實際含碳量不高，遠低于相圖上示出的平衡濃度，因此可以吸碳(或氮)。當奧氏體含有較高的碳或氮后，其Ms降低，淬火時表層較內層和心部后發生馬氏體轉變，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)處理后,經接觸疲勞試驗可以看出，表面滲碳的壽命比未滲碳的提高了1.5倍。其原因就是滲碳的零件表面具有較大的殘留壓應力。
3、結論
影響高碳鉻鋼滾動軸承零件使用壽命的主要材料因素及控制程度為：
(1)鋼在淬火前的原始組織中的碳化物要求細小、彌散?？刹捎酶邷貖W氏體化630℃、或420℃高溫,也可利用鍛軋余熱快速退火工藝來實現。
(2)對于GCr15鋼淬火后，要求獲得平均含碳量為0.55％左右的隱晶馬氏體、9％左右Ar和7％左右呈勻、圓狀態的未溶碳化物的顯微組織?？衫么慊鸺訜釡囟群蜁r間來控制得到這種顯微組織。
(3)零件淬火低溫回火后要求表面殘留有較大的壓應力，這有助于疲勞抗力的提高?？刹捎迷诖慊鸺訜釙r進行表面短時間滲碳或滲氮的處理工藝，使得表面殘留有較大的壓應力。
(4)制造軸承零件用鋼，要求具有較高的純凈度，主要是減少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量?？刹捎秒娫厝郏婵找睙挼燃夹g措施使材料含氧量≤15PPM為宜。