金屬材料對(duì)軸承性能的影響
2024-09-13劉淼
摘 要：在軸承的生產(chǎn)加工使用過程中，影響軸承壽命的因素有很多，例如軸承的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造等，軸承的轉(zhuǎn)速情況、承受載荷、潤滑、冷卻等原因。本次我們主要從軸承材料的方面來探究軸承使用的材料對(duì)于軸承的使用壽命的影響。
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工作環(huán)境條件之外，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)的主要因素有合金內(nèi)各種金屬元素所占比例，合金在熱處理過程中的溫度變化等。
一、金屬元素：鉻、錳、鎳、鉬
在金屬元素方面以常見的鉻、錳、鎳、鉬進(jìn)行簡要的介紹。
鉻（Cr）鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆的作用。
錳（Mn）錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。鋼中一般都含有一定量的錳，它能消除或減弱由于硫引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。錳和鐵形成的固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度；同時(shí)又是碳化物形成的元素，進(jìn)入滲碳體中取代一部分鐵原子，錳在鋼中由于降低臨界轉(zhuǎn)變溫度，起到細(xì)化珠光體的作用，也間接地起到提高珠光體鋼強(qiáng)度的作用。錳穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于鎳，也強(qiáng)烈增加鋼的淬透性。
鎳（Ni）鎳在鋼中強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化珠光體，總的效果是提高強(qiáng)度，對(duì)塑性的影響不顯著。
鉬（Mo）鉬在鋼中能提高淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性，增加剩磁和矯頑力以及在某些介質(zhì)中的抗蝕性。在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應(yīng)力，提高塑性。
二、金屬的熱處理
在金屬的熱處理中加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式是熱處理最重要的三個(gè)影響因素。
熱處理的工藝過程：首先需要將零件加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后在油中或水中冷卻。冷卻后立即入爐進(jìn)行回火(500～650℃)，以降低淬火應(yīng)力、調(diào)整組織成份，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械性能要求。
熱處理后合金內(nèi)各組織的名稱和特點(diǎn)分別為：
馬氏體：鋼中馬氏體的主要特性是高硬度和高強(qiáng)度。
鐵素體：鐵素體的塑性、韌性很好，但強(qiáng)度、硬度較低。其力學(xué)性能幾乎與純鐵相同。
奧氏體：奧氏體常存在于727℃以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強(qiáng)度和硬度不高，但塑性和韌性很好，易鍛壓成形。
滲碳體：滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高，塑性和韌性極低，脆性大。滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對(duì)鋼的性能影響很大。
珠光體：存在于鋼的退火或正火組織中，粒狀珠光體：在鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體的兩相機(jī)械混合物稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經(jīng)球化退火而得到，也可以通過淬火加回火處理得到。
三、軸承鋼與滲碳鋼兩種材料在軸承壽命上的差異
以上是對(duì)合金內(nèi)元素成分和各組織的介紹，下面將對(duì)由兩種材料制造的同一型號(hào)軸承在現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行對(duì)比，探究軸承鋼與滲碳鋼兩種材料在軸承壽命上的差異。
軸承使用的軸承內(nèi)表面如圖所示：
圖中的軸承座內(nèi)表面具有臺(tái)階，喇叭口，橢圓等因年久失修所產(chǎn)生的缺陷同時(shí)，由于軋制時(shí)具有強(qiáng)沖擊力以及較高的軋制力等原因，軸承的工作條件較差，容易發(fā)生軸承損壞。
在軸承失效后，兩種軸承外圈均發(fā)生不同程度的破損，其中使用軸承鋼的軸承破損更為嚴(yán)重一些，如下圖所示：
使用軸承鋼材料的軸承發(fā)生嚴(yán)重的破損并且抱死軋輥，發(fā)生燒輥事故，從圖中可以看出，軸承外圈與軸承座的接觸面并不均勻且并沒有充分與軸承座內(nèi)表面接觸，這會(huì)導(dǎo)致軸承外圈受力不均，進(jìn)而使強(qiáng)度高韌性較低的軸承鋼軸承外圈發(fā)生破碎導(dǎo)致軸承損壞。
而滲碳鋼軸承由于其經(jīng)過滲碳處理，心部韌性較高，在相近的工作環(huán)境下，可以堅(jiān)持更長的時(shí)間并且減少燒輥現(xiàn)象的發(fā)生。
從性能方面上，滲碳鋼軸承具有更高的耐沖擊，耐形變等優(yōu)點(diǎn)，從成本角度考慮，在軸承工作環(huán)境良好的情況下，使用硬度更高，耐磨性更佳軸承鋼軸承可以有效降低生產(chǎn)成本。
來源：軋機(jī)軸承
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