金属材料方向课程设计.

1、设计任务随着国民经济的迅猛发展，对原油产品的需求量不断增加，石油行业的发展对石油机械用轴承的寿命提出了越来越高的要求。石油机械用轴承不仅要承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、等复杂的交变应力状态和高应力还要受到腐蚀介质的侵蚀。炼油厂加丁原油种类日趋复杂、原油性质变差，硫含量和酸值均有所增加，设备腐蚀问题日趋严重，尤其是机械“关节”-轴承，因此选择合适的材料、制定适宜的热处理工艺，以提升和强化石油机械用防锈轴承的性能显得尤为重要。摘要本文根据石油机械用轴承的服役条件，以滚动轴承为例，以选择合适的钢材并制定适宜的热处理工艺制度，设计石油机械中用的防锈轴承使得其热处理后的最终硬度在5862HRE目标,首先分

2、析了石油的腐蚀环境轴承零件的服役条件，在此基础上根据其可能的失效形式，工作环境及性能要求选择合适的材料，设计零件加工工艺路线，分析热加工过程，最后进行性能检测及分析。目录设计任务1摘要2第一章工件的服役条件1第二章材料的选取12.1 轴承性能的一般要求12.2 化学成分的作用32.3 滚动轴承用钢冶炼质量的基本要求42.4 防锈石油轴承的选材6第三章零件加工工艺路线72.2 加工路线72.3 套圈制造72.4 滚动体制造82.5 滚动轴承装配一般工艺过程8第四章热加工过程及分析81 锻造81 预备热处理91 热处理工艺111.7 淬火工艺111.7 回火工艺13第五章性能检测方法及分析14耐磨

3、性的测定14强度的测定14硬度的测定15冲击韧性的测定15防锈性能的测定16常见缺陷及分析16第六章结论或建议17参考文献18第一章工件的服役条件轴承零件在实际使用过程中，往往要在拉伸、压缩、弯曲、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值条件下，高速长时间工作。轴承应满足：一、能承担一定的载荷，具有一定的强度和刚度；二、具有小的摩擦力矩，使回转件转动灵活。三、具有一定的支撑精度，保证被支撑零件的回转精度。滚动轴承中的向心轴承通常由内圈、外圈、滚动体和滚动体保持架四部分组成。内圈紧套在轴颈上并与轴一起旋转，外圈装在轴承座孔中。在服役过程中，滚动轴承的服役条件具有以下特点：首先，接触应力很高，滚动体与内

4、外圈之间相对运动以滚动为主,但同时伴有滑动，其主要失效形式以磨损和接触疲劳为主。这就要求滚动体及内外圈滚道等发生接触的表面具有高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强度，所以轴承钢的选材首先要求钢的含碳量足够高。其次，大尺寸滚动轴承受力也很大，并可能受到一定的冲击载荷作用，其失效形式也会出现断裂这种形式。因此，大尺寸轴承要求芯部具有良好的韧性，而表面具有高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳强度。最后，还应具有在大气环境、石油等介质环境下具有良好的抗腐蚀能力。第二章材料的选取2.1轴承性能的一般要求1）高的接触疲劳强度接触疲劳强度是轴承正常破坏的主要要形式，滚动轴承运转时，滚动体在轴承内、外围的滚道间滚动，具接

5、触部分承受周期性交变载荷。多者每分钟可达数十万次，在周期性交变应力的反复作用下，接触表面出现疲劳剥落。滚动轴承开始出现剥落后便会引起轴承振动、噪音增大、工作温度急剧上升.致使轴承最终损坏，这种破坏形式称为接触疲劳破坏。因此，要求滚动轴承应具有高的接触疲劳强度。2）高的耐磨性滚动轴承正常工作时，除了发生滚动摩擦外，还伴有滑动摩擦。发生滑动摩擦的主要部位是：滚动体与滚道之间的接触面、滚动体和保持架兜孔之间的接触面、保持架和套圈引导挡边之间以及滚子端面与套圈引导档边之间等。滚动轴承中滑动摩擦的存在不可避免地使轴承零件产生磨损。如果轴承钢的耐磨性差，滚动轴承便会因磨损而过早地丧失精度或因旋转精度下降而

6、使轴承振动增加、寿命降低、因此，要求轴承钢应具有高的刚磨性。3）高的弹性极限滚动轴承工作时，滚动体与内、外套圈的接触面积很小，但承受负荷大。为了防止在高负荷作用下发生过大的塑性变形，以致破坏轴承的精度和引起表面裂纹，所以要求轴承材料具有高的弹性极限。4）适宜的硬度硬度是滚动轴承的重要指标之一。它与材料接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限有着密切的关系，直接影响滚动轴承的寿命。滚动轴承用钢的硬度要适宜，过大或过小都将影响使用寿命因此硬度是轴承质量的关键指标之一。5)一定的韧性大多数轴承在使用时承受冲出负荷，尤其是轧钢机上使用的压下轴承。因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因承受冲出负荷而破坏。对

7、于承受较大冲击载荷的轴承如轧机轴承铁路轴承等要求材料具有相对较高的冲击韧性和断裂韧性，这些轴承有的用贝氏体淬火热处理工艺，有的用渗碳钢材料，就是为了保证这些轴承具有较好的冲击韧性。6)良好的尺寸稳定性滚动轴承系精密的机械零件，其精度是以微米为计算单位的。在长期的保存和使用中，因内在组织发生变化或应力变化会引起尺寸发生变化，导致轴承丧失精度。这就要求轴承用钢应具有较好的尺寸稳定性。7)良好的防锈性能原油虽经脱盐脱水，但仍含一定数量的无机盐和水，其中氯盐在120c以上易水解生成氯化氢。高温重油部位叶金属的硫腐蚀常发生在常压、减压加热炉管、转油线以及蒸储塔进料部位、塔底、热油泵的叶轮等高温重油部位。

8、滚动轴承的生产工序繁多，周期长，而成品亦需长期存放，故要求制造轴承用钢应具有一定的防锈性能，以便轴承零件在生产流程中和轴承保存期间不致锈蚀。化学成分的作用C决定钢的性能的主要元素，保证钢的高硬度和耐磨性。Cr提高淬透性和耐磨性(Fe,Cr)3C。Si提高淬透性，增加钢的强度、弹性极限和疲劳强度。Mn增加钢的强度提高淬透性，过热敏感性比较强Mo提高淬透性，细化晶粒5）P<0.025%、S<0.025%减少夹杂物，提高疲劳寿命。滚动轴承用钢冶炼质量的基本要求滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶金质量有着密切的关系。由于轴承钢所具有的特性，对冶金质量的要求比一般工业用钢要严

9、格得多。1）严格的化学成分要求：一般轴承用钢主要是高碳铭钢即含碳量是1%左右，加入1.5%左右的铭，并含有少量的钮、硅元素的过共析钢。铭可以改善热处理性能，提高淬透性，组织均匀性，回火稳定性又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。但当铭含量超过1.65%时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。为此，高碳铭钢中的含铭量一般控制在1.65%。只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得轴承性能组织和硬度。2）高精度的尺寸要求始甩！临界（近©值）4氏糙F）线怅系触（xiq'V七）导蕈数钢号4J2t.AcjAqMsM

10、f2绡CjMC200噂4Mt卡/厘米'秒r|_,L_,1_|_19Cri0加5瞅七不2665*0145i-?W-*908.2.10b10,9'3L41-l!,5II-1.1,1I13Cri8Mo虹5一触口七丁虹:茹期：170购一.一一，一【表1高碳铭不锈钢物理性3）特别严格的纯洁度要求：钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。轴承钢中的氧化物，硅酸盐等有夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落，显著降低轴承寿命的主要原因，特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中，容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此为了提高轴承的使用寿命

11、和可靠性必须降低轴承钢中夹杂物的含量4）严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求：轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析，显微组织包括钢的退火组织碳化物网状、带状和液析等。碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。低高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响，所以，在轴承材料标准中对低高倍组织有着严格的要求。5）特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求：对轴承钢而言，表面缺陷包括裂纹夹渣、毛刺、结疤，氧化皮等，内部缺陷包括缩孔，气泡白点严重的疏松和偏析等。这些缺陷对于

12、轴承的加工轴承的性能和寿命有很大的影响在轴承材料中明确规定不允许出现这些缺陷。6）特别严格的碳化物不均匀性要求：在轴承钢中，如果出现严重的碳化物分布的不均匀，则在热处理加工过程中就容易造成组织和硬度的不均匀，钢的组织不均匀性对接触疲劳强度有较大的影响。另外严重的碳化物不均匀性容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹，碳化物不均匀性还会导致轴承的寿命降低。因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材均有明确的特别要求。7）特别严格的表面脱碳层要求：在轴承材料标准中对钢材表面脱碳层有着严格的规定，如果表面脱碳层超过标准的规定范围，且在热处理前的加工过程中又没有将其全部清除掉，则在热处理淬火过程中就容易产生淬

13、火裂纹，造成零件的报废。2.4防锈石油轴承的选材高碳铭不锈纲属马氏体不锈钢，它不仅具有GCrl5型铭轴承钢所要求的性能，而且还具备高的耐腐蚀能力和一定的耐高温能力。它主要用于制造在海水、河水、硝酸、海洋性气候等介质中和在低温（-183283C）、高温（350C）下工作的轴承。例如，石油机械、化工机械、食品机械、航天、航空工业、船舶等方面使用的轴承。化学成分（质量分数%CSiMnCrMoSP9Cr180.91.000.800.8017.0019.000.0300.0359Cr18Mo0.951.100.800.8016.0018.000.400.700.0300.035表2高碳铭不锈钢化学成分牌

14、号用途9Cr18用于制造海水，河水，蒸储水，硝酸，海洋性气候蒸汽等9Cr18Mo腐蚀环境及无润滑的强氧化气氛中工作的轴承，如船舶、化工、石油机械中的轴承及航海仪表上的轴承等，也可作为耐蚀高温轴承材料，但使用温度不能超过250C。此外，它们还可以用于制作医疗手术刀具。附于微型轴承套圈和钢球；适于在高真空以及在-253350c温度范围内工作的轴承零件（套筒以及滚动体）。0Cr18Ni91Cr18Ni91Cr18Ni9Ti制造耐腐蚀轴承保持架，防尘盖，套圈，钢球等Cr17Ni2制造高速，耐腐蚀轴承保持架，钢球。1Cr13制造940/00型滚针轴承的外套。2Cr13制造关节*由承的内套3Cr3制造关节

15、*由承的内套4Cr13制造耐腐蚀滚针和套圈。表3高碳铭不锈钢适用范围根据轴承服役条件以及性能要求，同时考虑经济性原则，因此选用9Cr18为本次设计的材料。第三章零件加工工艺路线加工路线下料一锻造毛坯一等温球化退火一车削加工一粗磨一淬火一回火一细磨一稳定化处理（附加回火）一精研工件表面一检验一成品一清洗一防锈套圈制造套圈是滚动轴承的重要零件。由于滚动铀承的品种繁多，使得不同类型轴承的套圈尺寸、结构刷造使用的设备、工艺方法等各个相同。套圈制造的原材料为圆柱形棒料或管料，日前根据成型工艺不同，滚动铀承套圈一般有以下几种制造过程。1）（棒料）下料一锻造一退火（或正火）一车削（冷辗成型）一热处理淬、回火

16、一磨削一零件检查一退磁、清洗一提交装配2）（棒料、管料）下料一冷辗成型一热处理淬、回火一磨削一零件检查一退磁、清洗一提交装配3）（管料）下料-车削成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、消洗提交装配4）（体料）下料-冷（温）挤压成型-午削-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗滚动体制造材料改制-成形（冷锻、车削、锻造）软磨外径或端面-热处理淬火、回火-磨端面-磨球基面（产品有要求时）-粗磨外径-细磨外径-终磨外径lf终磨外径2、磨凸度（产品有要求时）超精外径（2级以上精度的滚子）。滚动轴承装配一般工艺过程滚动轴承一般装配工艺过程可以归纳如下：成品零件退磁清洗-成品零件尺寸选别-游隙计

17、算、零件纽装配套-成品游隙检查-怫合保持架（需要时）-成品退磁清洗-成品检查涂油、防锈包装第四章热加工过程及分析锻造热处理质量好坏，首先应控制锻造质量。它不仅影响零件的成型，而且锻造组织对退火及其机械性能产生较大的影响。由于9Cr18钢导热性差，钢中的合金碳化物在高温下溶于奥氏体中的速度慢，为此锻造加热速度也要慢，在800350c要进行预热。又因其淬透性好，导热性差，故锻造后的冷却速度也应缓慢，否则将产生裂纹。在锻造组织中不允许有过热、过烧、李晶以及因停锻温度高，冷却缓慢产生的粗大网状碳化物。因为，这些组织在退火中都无法消除而影响钢的最终性能。正常的锻造组织应有奥氏体，马氏体和一次、二次碳化物

18、所组成，钢的晶粒也应较细，这样在退火加热时，容易转变为奥氏体，退火后容易获得理想的组织和硬度。11!IllIIIlliIIIII-_MMs-SWe钢种殖热（p）加热温度（U）终锻魄度S）冷却I!.，,.-L-,ITFLMJ-J-_.-DCrJfi:&QUM50：1031150875内跖0：©在石灰中冷却!I在即0z4Q0lC炉内冷却I，_ri1在石灰中冷却ftCrlaMo800/ve5fi：10加Ell的900*950-在30。出。七护内怜册|I',|在热沙中冷却表3高碳铭不锈钢热加工性能2预备热处理9Cr18钢预备热处理采用的是球化退火，目的使组织变为均匀分布的细粒

19、状珠光体，获得最佳的机加工性能并为淬火提供良好的原始组织，使淬火、回火后获得最佳的力学性能。球化退火的技术要求9Crl8钢球化退火应达到“高碳铭不锈钢轨承零件热处理质量标淮”规定。硬度：退火后HB19L255。显微组织：均匀分布的粒状珠光体和一次碳化物。不允许有欠热、过热及因锻造过热引起的李晶碳化物。脱碳层：不得超过淬火前每边最小加工余量的三分之二。（1）低温球化退火低温球化退火主要适用冷冲和半热冲钢球的退火。它的作用是消除加工过程中的残余应力以及淬火过热、欠热零件的返修。（2）一般球化退火一般球化退火是锻造毛坯球化退火的主要方法。9Crl8钢一般球化退火加热温度范围较宽，在800950C都能

20、获得合格的组织与硬度。退火冷却速度对硬度的影响不大，甚至在90C/小时的冷却进度下都可获得较满意的组织和硬度。生产中常采用的退火加热温度为850-870C（也可采用910+-10C）,保温后的冷却速度为3090c/小时。（3）等温球化退火主要运用热冲球和锻制毛坯。等温球化退火加热温度与一般球化退火加热温度相同。随等温温度的增高硬度下降，珠光体组织较粗。实际生产中常采用730c等温。退火名称退火工艺应用范围备注温度C1.冷冲和半热冲球退火；.淬火过零件留量小的需用铸铁罐装700780/炉冷低温球/执欠执零箱密封/46化退火/件的返修；.消除残余应力；退火或采用保护气体电炉退火"600c

21、出炉空冷h.时间（方时）热冲球和锻制毛坯的退火/=f=ZtL-区力寺温均t化退火1)度850870夺件留量小的需用铸k炉冷铁罐装730箱密封90c/小时冷却退火或采用保护气体电炉退/二36人-36P600c出炉空冷时间（小时）火一般球化退火温j度CL热冲球和锻制毛坯的退火零件留量小的用铸铁罐装箱密封退850870<90C/小时冷到/700C出炉空冷/36X火或采用保护气体电炉退火时间（小时）表4球化退火工艺曲线4.3热处理工艺淬火工艺9Crl8钢经淬火才能获得高的硬度，具淬火组织为隐品马氏体、结晶马氏体、残余奥氏体及一次、二次碳化物。为了防止表面氧化脱碳和腐蚀麻点，应采用盐沪、保护气氛炉

22、和真空炉进行加热。淬火工艺淬火的目的是提高轴承零件的硬度，强度，耐磨性和疲劳强度，并通过回火获得高的尺寸稳定性和综合机械性能。淬火后显微组织有隐晶马氏体和细小结晶马氏体、细小而均匀的残留碳化物以及残留奥氏体组成。这些组织的相对含量以及分布将决定钢的性能。淬火通常是在盐浴炉或在带有保护气氛的电炉中加热，以免脱碳。在盐浴炉中加热，要防止零件表面产生腐蚀麻点。淬火加热温度一般选用10501100C,如超过1100C,则由于淬火后组织中存在着大量残余奥氏体，硬度急剧下降，同时组织变粗，使钢的性能变坏。对于易变性或薄壁，小零件直选用加热温度的下限。对在高温下工作并要求高硬度的零件，应选用加热温度的上限。

23、在加热时须在800C850c预热后再升温到淬火温度。预热时间一般为保温时间的二倍，保温时间按零件有效厚度来计算有效厚度（毫米）预热终加热加热设备备注温度（C）时间（分）温度（C）保温时问（分）<3800r6n105036在盐炉8501070中终加热358006101050610箱的保温时8501080式间可按16880071210701013电分/毫米；8501090炉厚度大于912800191411080131514毫米者8501100可按40秒13800151810801416/毫米16850110070秒/毫17800192210801620米计208501100218002227

24、10801923258501100表69Cr18钢轴承零件淬火加热温度和保温时间回火工艺轴承钢回火工艺应根据轴承的服役条件和技术要求来确定。通常分为三种工艺：常规回火一一一般轴承的回火；稳定化回火一一精密轴承回火；高温回火一些航空轴承及其他特殊轴承的回火。1）温度的选择回火温度应比轴承工作温度高3050c.通常120c以下工作的轴承，应用180200c回火；要求在高温下工作的轴承，回火温度分别选用200C；250C；300C；350c等。在特殊条件下工作的轴承零件，最高回火温度可达400c。D级以上轴承零件可施行二次补加回火。2）回火保温时间的选择通常按零件大小和精密以及回火加热介质确定保温时

25、间。回火时间一般选择在23小时。该石油机械用防锈轴承的硬度要求为5862HRC应采用高温回火的热处理工艺如下表7高温回火工艺曲线第五章性能检测方法及分析轴承零件要求具有高的接触疲劳强度，高的耐磨性，高的弹性极限，适宜的硬度，一定的冲击韧性，良好的工艺性能，良好的防锈性能，良好的尺寸稳定性。在一般轴承零件的性能检测中，主要检测接触疲劳寿命，耐磨性，弹性极限，硬度，冲击韧性。该轴承是用于石油机械中的防锈轴承，应当具有很好的防锈能力，故在性能检测中还应检测其防锈性能。接触疲劳强度测定5接触疲劳试验一般是在模拟工作条件的接触疲劳试验机上进行的。有试样和实物两种形式。实物试验是零件疲劳强度决定性的考验，

26、有重要的价值。但是，其试验结果是结构、材料、工艺等许多因素的综合表现，较难分析单一因素的影响。而模拟零件工作条件的试样试验是获得单一因素影响最有效而可靠的试验方法。耐磨性的测定耐磨性几乎和材料所有性能都有关系，而且在不同磨耗机理条件下，为提高耐磨性对材料性能亦有不同的要求。试样的耐磨性能用M-2000磨损试验机在规定条件下测定，磨损试样尺寸为10X10X18mm,试验载荷为200N,转速为210r/rain,每二十分钟用BS224S电子天平测定试样的质量（精确到0.1mg）,计算磨损量，每个试样测定5次;以试样的磨损量来评估其耐磨性能。强度的测定轴承材料要求具有较高的弹性极限，是为了保证轴承在

27、受到较大载荷的情况下，不发生过大的塑性变形，使轴承仍能保持其精度，正常运工作，即要求轴承材料具有较高的屈服强度。可采用WDW-3100型万能拉伸试验机测定各试样的屈服强度，抗拉强度。硬度的测定该轴承零件要求硬度为5260HRC,试样的洛氏硬度采用HBRV-1875洛氏硬度机测定，加载150kg,每个试样测定5个点，计算其平均值。冲击韧性的测定冲击韧性即材料抵抗冲击载荷的能力。用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验机上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位面积上所消耗的冲击功成为冲击韧性，以ak表示。目前常采用10X10X55mm,带2mm深的V形缺口夏氏冲击试样，标准上直接采用冲击功（J焦

28、耳值）Ak,而不是采用ak值因为单位面积上的冲击功并无实际意义。工程上常用一次摆锤冲击试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak,单位为焦耳（J）。而用缺口处的截面积F去除Ak,可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。ak值的大小表示材料的韧性好坏。一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状，尺寸有很大关系。ak值对材料的内部结构缺陷，显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性，晶粒粗化等都会使ak值

29、明显降低。防锈性能的测定对于在腐蚀介质内工作的轴承零件，要求防锈，则需进行耐腐蚀检查。此项检查一般是用人造海水或者稀硝酸水溶液来进行。将防锈试件与一般试件同时放入腐蚀介质中，比较两试件表面全部腐蚀所用的时间，来估计该试件的防锈性能。常见缺陷及分析.显微组织不合格：(1)欠热是由于淬火温度低，保温时间短造成的，可以通过适当提高淬火温度或者适当增长保温时间。(2)过热是由于淬火温度超过上限，且保温时间过长，可以通过降低淬火温度或者适当缩短保温时间。(3)李晶碳化物是由于锻造温度过高，且保温时间过长。应按锻造加热工艺规范降低锻造温度。(4)一次碳化物沿晶界析出是由于停锻温度高超过了1000C0停锻温度应控制在900950c.变形：