影响轴承寿命的钢材因素及控制研究

影响轴承寿命的钢材因素及控制研究

影响轴承寿命的材料因素

滚动轴承的早期失效形式，主要有破裂、塑性变形、磨损、腐蚀和疲劳，在正常条件下主要是接触疲劳。轴承零件的失效除了服役条件之外，主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、抗蚀性和内应力状态制约。影响这些性能和状态的主要内在因素有如下几项。

淬火钢中的马氏体

高碳铬钢原始组织为粒状珠光体时，在淬火低温回火状态下，淬火马氏体含碳量，明显影响钢的力学性能。强度、韧性在0.5％左右，接触疲劳寿命在0.55％左右，抗压溃能力在0.42％左右，当GCr15钢淬火马氏体含碳量为0.5％～0.56％时，可以获得抗失效能力最强的综合力学性能。

应该指出，在这种情况下获得的马氏体是隐晶马氏体，测得的含碳量是平均含碳量。实际上，马氏体中的含碳量在微区内是不均匀的，靠近碳化物周围的碳浓度高于远离碳化物原铁素体部分，因而它们开始发生马氏体转变的温度不同，从而抑制了马氏体晶粒的长大和显微形态的显示而成为隐晶马氏体。它可避免高碳钢淬火时易出现的显微裂纹，而且其亚结构为强度与韧性均高的位错型板条状马氏体。因此，只有当高碳钢淬火时获得中碳隐晶马氏体时轴承零件才可能获得抗失效能力最佳的基体。

淬火钢中的残留奥氏体

高碳铬钢经正常淬火后，可含有8％～20％Ar（残留奥氏体）。轴承零件中的Ar有利也有弊，为了兴利除弊，Ar含量应适当。由于Ar量主要与淬火加热奥氏体化条件有关，它的多少又会影响淬火马氏体的含碳量和未溶碳化物的数量，较难正确反映Ar量对力学性能的影响。为此，固定奥氏条件，利用奥氏体体化热稳定化处理工艺，以获得不同Ar量，在此研究了淬火低温回火后Ar含量对GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响。随着奥氏体含量的增多，硬度和接触疲劳寿命均随之而增加，达到峰值后又随之而降低，但其峰值的Ar含量不同，硬度峰值出现在17％Ar左右，而接触疲劳寿命峰值出现在9％左右。当试验载荷减小时，因Ar量增多对接触疲劳寿命的影响减小。这是由于当Ar量不多时对强度降低的影响不大，而增韧的作用则比较明显。原因是载荷较小时，Ar发生少量变形，既消减了应力峰，又使已变形的Ar加工强化和发生应力应变诱发马氏体相变而强化。但如载荷大时，Ar较大的塑性变形与基体会局部产生应力集中而破裂，从而使寿命降低。应该指出，Ar的有利作用必须是在Ar稳定状态之下，如果自发转变为马氏体，将使钢的韧性急剧降低而脆化。

淬火钢中的未溶碳化物

淬火钢中未溶碳化物的数量、形貌、大小、分布，既受到钢的化学成分和淬火前原始组织的影响，又受奥氏体化条件的影响，有关未溶碳化物对轴承寿命的影响研究较少。碳化物是硬脆相，除了对耐磨性有利之外，承载时因会（特别是碳化物呈非球形）与基体引起应力集中而产生裂纹，从而会降低韧性和疲劳抗力。淬火未溶碳化物除了自身对钢的性能产生影响之外，还影响淬火马氏体的含碳量和Ar含量及分布，从而对钢的性能产生附加影响。为了揭示未溶碳化物对性能的影响，采用不同含碳量的钢，淬火后使其马氏体含碳量和Ar含量相同而未溶碳化物含量不同的状态，经150℃回火后，由于马氏体含碳量相同，而且硬度较高，因而未溶碳化物少量增高对硬度增高值不大，反映强度和韧性的压溃载荷则有所降低，对应力集中敏感的接触疲劳寿命则明显降低。因此淬火未溶碳化物过多对钢的综合力学性能和失效抗力是有害的。适当降低轴承钢的含碳量是提高制件使用寿命的途径之一。

淬火未溶碳化物除了数量对材料性能有影响之外，尺寸、形貌、分布也对材料性能产生影响。为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物少（数量少）、小（尺寸小）、匀（大小彼此相差很小，而且分布均匀）、圆（每粒碳化物皆呈球形）。应该指出，轴承钢淬火后有少量未溶碳化物是必要的，不仅可以保持足够的耐磨性，而且也是获得细晶粒隐晶马氏体的必备条件。

淬火回火后的残留应力

轴承零件经淬火低温回火后，仍具有较大的内应力。零件中的残留内应力有利和弊两种状态。钢件热处理后，随着表面残留压应力的增大，钢的疲劳强度随之增高，反之表面残留内应力为拉应力时，则使钢的疲劳强度降低。这是由于零件的疲劳失效出现在承受过大拉应力的时候，当表面有较大压应力残存时，会抵消同等数值的拉应力，而使钢的实际承受拉应力数值减小，使疲劳强度极限值增高，当表面有较大拉应力残存时，会与承受的拉应力载荷叠加而使钢的实际承受的拉应力明显增大，即使疲劳强度极限值降低。因此，使轴承零件淬火回火后表面残留较大的压应力，也是提高使用寿命的措施之一（当然过大的残留应力可能引起零件的变形甚至开裂，应给予足够重视）。