影響軸承壽命的因素及其控制

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(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)。

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(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。

1．2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量增多對接觸疲勞壽命的影響減小。這是由于當(dāng)Ar量不多時(shí)對強(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。

1．3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(shí)因會（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(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，從而對鋼的性能產(chǎn)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(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多對鋼的綜合力學(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)量對材料性能有影響之外，尺寸、形貌、分布也對材料性能產(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）、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(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。

1.4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)然過大的殘留應(yīng)力可能引起零件的變形甚至開裂，應(yīng)給予足夠重視）。

1．5鋼的雜質(zhì)含量
鋼中的雜質(zhì)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(zhì)對力學(xué)性能和制件抗失效能力的影響與雜質(zhì)的類型、性質(zhì)、數(shù)量、大小及形狀有關(guān)，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(qiáng)度隨之而降低，而且鋼的抗拉強(qiáng)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(yīng)力作用下也隨之降低。因此，對于在高應(yīng)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(tài)，首先需要控制淬火前鋼的原始組織，可以采取的技術(shù)措施有：高溫（1050℃）奧氏體化速冷至630℃等溫正火獲得偽共析細(xì)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(xì)粒狀珠光體組織，以保證鋼中的碳化物細(xì)小和均勻分布。這種狀態(tài)的原始組織在淬火加熱奧氏體化時(shí)，除了溶入奧氏體中的碳化物外，未溶碳化物將聚集成細(xì)粒狀。
當(dāng)鋼中的原始組織一定時(shí)，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(shí)間，隨著淬火加熱溫度增高（時(shí)間一定），鋼中未溶碳化物數(shù)量減少（淬火馬氏體含碳量增高）、殘留奧氏體數(shù)量增多，硬度則先隨著淬火溫度的增高而增加，達(dá)到峰值后又隨著溫度的升高而降低。當(dāng)淬火加熱溫度一定時(shí)，隨著奧氏體化時(shí)間的延長，未溶碳化物的數(shù)量減少，殘留奧氏體數(shù)量增多，硬度增高，時(shí)間較長時(shí)，這種趨勢減緩。當(dāng)原始組織中碳化物細(xì)小時(shí)，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(xiàn)在較短的奧氏體化時(shí)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(dāng)原始組織中碳化物細(xì)小，分布均勻時(shí)，在可靠地控制上述水平的顯微組織組成時(shí)，有利于獲得高的綜合力學(xué)性能，從而具有高的使用壽命。應(yīng)該指出，具有細(xì)小彌散分布碳化物的原始組織，淬火加熱保溫時(shí)，未溶的細(xì)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(shí)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(xué)性能。
為了使軸承零件淬回火后表面殘留較大的壓應(yīng)力，可在淬火加熱時(shí)通入滲碳或滲氮的氣氛，進(jìn)行短時(shí)間的表面滲碳或滲氮。由于這種鋼淬火加熱時(shí)奧氏體實(shí)際含碳量不高，遠(yuǎn)低于相圖上示出的平衡濃度，因此可以吸碳（或氮）。當(dāng)奧氏體含有較高的碳或氮后，其Ms降低，淬火時(shí)表層較內(nèi)層和心部后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了較大的殘留壓應(yīng)力。GCrl5鋼以滲碳?xì)夥蘸头菨B碳?xì)夥占訜岽慊?均經(jīng)低溫回火)處理后,經(jīng)接觸疲勞試驗(yàn)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(yīng)力。

3 結(jié)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(xì)小、彌散。可采用高溫奧氏體化630℃、或420℃高溫,也可利用鍛軋余熱快速退火工藝來實(shí)現(xiàn)。
（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(tài)的未溶碳化物的顯微組織。可利用淬火加熱溫度和時(shí)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(yīng)力，這有助于疲勞抗力的提高。可采用在淬火加熱時(shí)進(jìn)行表面短時(shí)間滲碳或滲氮的處理工藝，使得表面殘留有較大的壓應(yīng)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。可采用電渣重熔，真空冶煉等技術(shù)措施使材料含氧量≤15PPM為宜。