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    軸承失效形式分析

    作者:軸承回收 時間:2019-08-05 14:18
    滾動軸承的早期失效形式主要有斷裂、塑性變形、磨損、腐蝕疲勞和正常情況下的接觸疲勞。除工作條件外,軸承零件的失效主要受到鋼的硬度、強度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性和內應力的限製。影響軸承壽命的材料因素如下。
    1 淬火鋼中的馬氏體
    當高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時,淬火馬氏體的含碳量對淬火低溫回火狀態下鋼的力學性能有明顯的影響。強度和韌性約為0.5%,接觸疲勞壽命約為0.55%,抗壓強度約為0.42%。當GCR15鋼中淬火馬氏體的含碳量在0.5%到0.56%之間時,可獲得抗破壞能力最強的綜合力學性能。
    需要指出的是,在這種情況下獲得的馬氏體是隱匿性馬氏體,測量到的碳含量是平均碳含量。實際上,馬氏體中的碳含量在微觀區域並不均勻。碳化物附近的碳濃度高於遠離碳化物鐵素體的碳濃度。因此,發生馬氏體轉變的溫度是不同的,這抑製了馬氏體晶粒的生長和微觀形態的顯示,使其成為隱晶態馬氏體。避免了高碳鋼淬火過程中易出現的微裂紋,其亞結構為高強度、高韌性的位錯板條馬氏體。因此,隻有在高碳鋼淬火過程中獲得中碳隱晶態馬氏體,軸承零件才能獲得具有最佳抗破壞性能的基體。
    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(殘餘奧氏體)。AR在軸承零件中既有優點也有缺點。為了促進優勢,消除劣勢,AR的內容應適當。由於Ar的含量主要與淬火加熱的奧氏條件有關,Ar的加入量會影響淬火馬氏體的碳含量和不溶性碳化物的含量,因此很難正確反映Ar含量對力學性能的影響。因此,通過固定奧氏條件,采用奧氏本體熱穩定工藝,研究了低溫淬火回火後,氬含量對GCR15鋼硬度和接觸疲勞壽命的影響。隨著“奧氏體”含量的增加,硬度和接觸疲勞壽命先增大後下降,但峰值的Ar含量不同,硬度峰值出現在17%Ar左右,接觸疲勞壽命峰值出現在9%左右。當試驗載荷降低時,增大ar對接觸疲勞壽命的影響減小。這是由於當Ar含量不大時,韌性的影響是明顯的。其原因是,當載荷較小時,ar中會發生少量的變形,不僅降低了應力峰值,而且增強了應力應變引起的變形ar和馬氏體相變。但當荷載較大時,Ar和基體的大塑性變形會局部產生應力集中和斷裂,從而降低壽命。需要指出的是,Ar的有利作用必須處於Ar的穩定狀態,如果Ar自發轉變為馬氏體,則鋼的韌性會急劇降低並發生脆性。
    3 淬火鋼中的未溶碳化物
    淬火鋼中不溶性碳化物的數量、形態、尺寸和分布不僅受淬火前鋼的化學成分和原始組織的影響,而且還受奧氏條件的影響。關於不溶性碳化物對軸承壽命影響的研究較少。碳化物是硬脆相。除具有良好的耐磨性外,加載時(尤其是碳化物為非球麵時)會產生裂紋,基體會引起應力集中,從而降低韌性和抗疲勞性能。淬火後的不溶性碳化物除了對鋼的性能影響外,還影響淬火馬氏體的碳含量和Ar含量和分布。為了揭示未溶碳化物對性能的影響,對不同含碳量的鋼進行淬火,使其馬氏體含碳量和Ar含量相同,但未溶碳化物含量不同。在150℃回火後,由於相同的碳含量和較高的馬氏體硬度,未溶碳化物的少量增加對硬度的增加沒有影響。反映強度和韌性的破碎載荷降低,對應力集中敏感的接觸疲勞壽命顯著降低。因此,過高的淬火不溶性碳化物對鋼的綜合力學性能和抗失效性能都是有害的。適當降低軸承鋼中的碳含量是提高零件使用壽命的途徑之一。
    淬火不溶碳化物的尺寸、形貌和分布對材料的性能也有影響。為了避免軸承鋼中未溶碳化物的危害,要求未溶碳化物小(數量)、小(尺寸)、均勻(尺寸差別小、分布均勻)和圓(每種碳化物都是球形的)。指出軸承鋼淬火後必須有少量不溶性碳化物,這不僅能保持足夠的耐磨性,而且是獲得細小晶粒隱晶馬氏體的必要條件。
    4 淬火回火後的殘留應力
    軸承零件經低溫淬火回火後,仍存在較大的內應力。零件的殘餘內應力有兩種狀態:優點和缺點。經過熱處理後,鋼的疲勞強度隨著表麵殘餘壓應力的增加而增加,而當表麵殘餘內應力為拉應力時,鋼的疲勞強度降低。這是因為當拉伸應力過大時,零件的疲勞失效會發生,當在表麵上存在較大的壓縮應力殘餘時,相同值的拉伸應力將被抵消,並且鋼的實際拉伸應力值將被減小,並且疲勞強度極限值將被增加。當在表麵存在大的拉伸應力殘餘時,鋼的拉伸應力將與拉伸應力載荷疊加,這將顯著地增加鋼的實際拉伸應力,即使疲勞強度極限值減小。因此,使軸承零件經調質後表麵殘餘大壓應力也是提高軸承零件使用壽命的措施之一(當然,過大的殘餘應力可能導致零件變形甚至開裂,應引起足夠的重視)。
    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(酸性溶液).它們對鋼材性能的危害往往是相輔相成的,如含氧量越高,氧化物夾雜物越多。鋼中雜質對零件力學性能和抗破壞性能的影響與雜質的種類、性質、數量、尺寸和形狀有關,但通常具有降低韌性、塑性和疲勞壽命的作用。
    隨著夾雜物尺寸的增加,鋼的疲勞強度降低,抗拉強度越高,降低的趨勢越大。隨著含氧量(氧化物夾雜)的增加,高應力下彎曲疲勞和接觸疲勞壽命降低。因此,有必要降低在高應力下工作的軸承部件的製造鋼的氧含量。一些研究表明,鋼中的錳係夾雜物由於其橢球形狀和包裹氧化夾雜物的能力,對疲勞壽命的降低有不利影響,因此可以得到廣泛的控製。
    控製影響軸承壽命的材料因素。
    為了使上述影響軸承壽命的材料因素處於最佳狀態,淬火前必須對鋼的原始組織進行控製。可采取技術措施在高溫(1050C)下獲得準共析細珠光體,通過等溫正火快速冷卻至630 C獲得奧氏,或在420 C下通過等溫處理獲得貝氏體。采用鍛造和軋製餘熱的快速退火,可以得到細粒狀珠光體組織,保證鋼中碳化物的細小均勻分布。當這種狀態的原始結構被淬火和加熱時,未溶解的碳化物除了溶解在奧氏體中的碳化物外,還會聚集成細顆粒。
    當鋼的原始組織固定時,淬火馬氏體的碳含量(即淬火加熱後奧氏體的碳含量)、殘餘奧氏量和未溶解碳化物的數量主要取決於淬火加熱溫度和保溫時間。隨著淬火加熱溫度(一定時間)的升高,鋼中未溶碳化物數量減少(淬火馬氏體碳含量增加),殘餘奧氏體數量增加。硬度隨淬火溫度的升高而增大,隨溫度的升高而降低。當淬火加熱溫度一定時,隨著奧氏凝固時間的延長,未溶碳化物數量減少,殘餘奧氏體數量增加,硬度增加,隨奧氏凝固時間的延長,趨勢變緩。當碳化物在原始組織中細小時,由於碳化物易溶於奧氏體,淬火後的硬度峰值移動到較低的溫度,並在較短的奧氏時間內出現。
    綜上所述,GCRL5鋼淬火後的最佳成分是約7%的未溶碳化物和9%的殘餘奧氏(約為隱晶態馬氏體平均含碳量的0.55%)。此外,當碳化物細小均勻地分布在原始組織中時,若能可靠地控製上述組織的組織成分,可獲得較高的綜合力學性能,從而具有較高的使用壽命。需要指出的是,原始組織中的細小彌散碳化物在淬火和加熱時會使未溶出的細小碳化物團聚和粗化。因此,原組織承載部分的淬火加熱時間不太長,采用快速加熱和奧氏體淬火工藝,可獲得較高的綜合力學性能。
    為了使軸承零件表麵淬火回火後殘餘較大的壓應力,在淬火和加熱過程中可滲透滲碳或滲氮氣氛,並可短時進行表麵滲碳或滲氮。由於鋼淬火加熱中奧氏的實際碳含量不高,遠遠低於相圖所示的平衡濃度,因此碳(或氮)可以被吸收。當奧氏體中含有高碳或高氮時,其ms值降低,淬火時表層出現馬氏體轉變,而內層和芯部則出現馬氏體轉變,從而產生較大的殘餘壓應力。GCr 15鋼在滲碳氣氛和非滲碳氣氛下(均采用低溫回火)加熱淬火後,接觸疲勞試驗表明,表麵滲碳壽命比非滲碳層提高1.5倍。其原因是滲碳件表麵存在較大的殘餘壓應力。
    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和控製程度如下:
    (1)淬火前鋼原結構中的碳化物應細小分散。通過在630℃或420℃處進行高溫奧氏,或對鍛壓餘熱和軋製餘熱進行快速退火,即可實現這一目標。
    (2)對於淬火後的GCR15鋼,要求獲得平均含碳量約為0.55%的隱晶態馬氏體組織,平均含碳量約為9%Ar,平均含碳量約為7%Ar的均勻圓形碳化物組織。顯微組織可以通過淬火溫度和時間來控製。
    (3)零件經低溫調質後,表麵應留有較大的殘餘壓應力,有助於提高其抗疲勞性能。在淬火和加熱過程中,表麵滲碳或滲氮過程可以進行較短的時間,從而使表麵殘留物具有較大的壓應力。
    (四)軸承件用鋼要求純度高,主要是降低氧、氮、磷、氧化物和磷化物的含量。采用電渣重熔、真空熔煉等技術措施,使材料≤15 PPM含氧量。