残余应力和残余奥氏体对轴承使用寿命的影响

PAGEPAGE5专题讲座残余应力和残余奥氏体对轴承使用寿命的影响洛阳轴承研究所雷建中高元安梅亚莉随着科学技术的迅猛发展，对为主机配套的关键基础件——轴承的要求越来越苛刻，不仅要求高的加工精度、低的噪音；高的承载能力；小型化和单元化；高温、高速等，更主要的是长的轴承使用寿命和高的可靠度。近几年来，国内外的科技工作者为进一步提高轴承的使用寿命和可靠性，在提高轴承钢材料的纯洁度、钢中非金属夹杂物的改性、新型长寿命轴承钢的开发、轴承的优化设计、轴承的加工技术及装备、轴承的清洗及润滑、特殊热处理技术及表面处理技术等方面进行了大量卓有成效的研究，特别是对残余应力和残余奥氏体对轴承使用寿命的影响及作用有了更全面、更深入的认识。残余压应力是提高轴承使用寿命和可靠性的主要途径根据疲劳机理中的最大切应力理论，球轴承在承载运转时，疲劳源最容易在轴承零件（轴承的内外套、钢球）的表面下最大切应力深度处产生，而后在交变应力的作用下，疲劳裂纹向轴承的表面扩展，最终导致剥落而使轴承失效。在正常的运行负荷情况下，无论是球轴承或滚子轴承，其最大的切应力点在表面下0.005~0.5mm范围内。如何提高该范围内的残余压应力，特别是在轴承零件表面下0.005~0.2mm处的残余压应力值是提高轴承使用寿命和可靠性的关键。下面分别对轴承套圈和钢球进行一下简单介绍。采用可控气氛热处理可控气氛热处理技术是通过氧探头对热处理炉内的气氛进行有效的控制，使轴承零件的表面在热处理后不出现脱贫碳现象，甚至在零件表面层产生微增碳现象，可改变轴承零件表面热处理后的应力状态，即尽量减少或消除轴承零件在热处理过程中由于脱贫碳导致淬火时在表面产生的残余拉应力。国外轴承制造技术先进的国家在八十年代已全部采用该技术。目前，我国轴承行业的热处理工艺装备正处于由保护气氛热处理向可控气氛热处理转变的关键时期，尽快淘汰落后的空气加热炉和无碳势控制的保护气氛淬火炉是提高我国轴承使用寿命和可靠性的关键点之一。马氏体应力淬火虽说目前国内外普遍使用的GCr15轴承钢属于高碳钢，但通过表面增氮可降低Ms点，同时含氮马氏体具有独特的优越性能。因此通过采用合适的热处理工艺，对轴承钢表面进行渗氮或碳氮共渗，通过淬火，可以在易产生疲劳源的次表面最大切应力处获得较高的压应力状态，从而提高轴承钢的疲劳强度，并利用其氮化作用提高轴承零件的表面硬度、耐磨性、抗回火稳定性及耐蚀性等。该热处理方法被称之为马氏体应力淬火法。国外在上世纪六、七十年代对轴承钢马氏体应力淬火法进行了全面研究，并在一些关键的轴承上得到了应用。我国在八十年代也对该热处理方法进行了研究，但由于热处理装备当时比较落后，一直处于待应用阶段。经过马氏体应力淬火后，可得到以下效果：表层及次表层应力处于压应力状态（见图1）；接触疲劳寿命（轴承使用寿命）提高1倍以上；在同样回火温度下，其硬度比常规热处理后硬度高约3HRC（见图2）；耐磨性明显提高（见表1）；马氏体淬火（碳氮共渗法）后腐蚀生长速度缓慢，耐腐蚀性能明显高于普通热处理（见图3）；图1经不同淬回火1与碳氮共渗淬回火2图2回火温度对试样普通淬火1及碳氮表层的应力分布共渗淬火2硬度的影响表1耐磨性能比较方法磨损深度＜0.2μ的比例（%）最大磨损量（μ）150℃回火250℃回火150℃回火250℃回火普通淬火60280.50.8碳氮共渗淬火100700.20.3图3GCr15钢腐蚀生长速度和时间的关系普通热处理方法——碳氮共渗热处理方法钢球的表面强化作为轴承的主要滚动体——钢球，具有形状简单、精度要求高、尺寸一致性强、所有表面都是工作面、强韧性能（压碎负荷）要求高等特点。因为钢球形状简单，所以采用滚筒提升装置，使钢球之间相互碰撞而强化的方法，即钢球喷丸强化方法以其经济、高效的特点而被国内外普遍采用。钢球经过表面强化后，在表层产生较高的残余压应力（见图4），其形成的原因是材料表层的塑性伸展和表层下Hertz应力所引起的塑性流动造成的。由于GCr15轴承钢热处理后的强度较高，其钢球在喷丸强化时由Hertz应力引起的塑性流动占主导，故残余应力的最大值在表层下，并且残余压应力值的大小、最大压应力值层深受钢球尺寸、滚筒转速、强化时间及钢球强化前表面硬度等因素影响。图4钢球表面强化残余应力沿层深的分布由于通过钢球表面强化处理，使钢球的表面和次表面层的亚晶胞细化，并且缠绕着大量的位错，使表面得以强化。另一方面，在钢球的次表层0.1~0.2mm的区域内产生高值的残余压应力，大大提高了疲劳裂纹萌生的门槛值，降低了裂纹的扩展速率，使钢球的接触疲劳寿命、压碎负荷分别提高1倍和20%以上。确认识残余奥氏体的影响GCr15高碳铬轴承钢的马氏体转变终了是在室温以下，因此，在普通淬火、回火条件下的组织中必然存在着一定量的残余奥氏体。在过去几十年中，人们对残余奥氏体数量的多少、利与弊进行了研究，并存在着较大的争议。主要集中在是优先考虑轴承的尺寸稳定性，还是考虑强度问题？长期以来，普遍认为残余奥氏体硬度低，对轴承的强度、耐磨性、抗疲劳性能不利，尤其其作为亚稳定相存在于成品轴承中，是造成尺寸不稳定的主要根源，在我国各个轴承生产企业中所采用的热处理工艺以将残余奥氏体尽可能降到最低为目标。近些年来，随着人们对在不同润滑介质清洁程度使用轴承的失效方式的深入认识，对产品中存在的残余奥氏体能大幅度提高在污染环境条件下轴承使用寿命有了新的认识。因为在污染环境中使用的轴承主要是以表面起源的接触疲劳剥落而导致最终失效。其失效的机理如下：在污染的润滑介质中，空气中的硬粒子和各种类型的金属硬碎屑由于受到滚动体的挤压，在旋转的轴承滚道上产生一定尺寸的凹坑，并且在凹坑的边缘接触应力非常大，因此加速了疲劳破坏的产生（见图5）。图5在污染润滑介质中起源于表面的剥落机理Chiu和Liu采用下列等式描述凹坑边缘最大剪切应力比率，在凹坑上名义接触应力Po,在无凹坑条件下表示如下：τc/po=a1·(Co)a2a1=0.22Co称为沟槽强度因子，用下列等式获得：Co=(π2po/E＇)·（r/c）r=沟槽边缘半径，mmC=沟槽宽度的一半，mmpc=名义接触应力，N/mm2E＇=减少的杨氏模量，N/mm2在以上的等式中，凹坑的形状用r和c来表示（见图6），其对轴承疲劳寿命有很大的影响，较高的r/c值由于降低了凹坑边缘的应力集中而提高了寿命。图6由污染物造成的凹坑形状放大图凹坑形状（r/c）与残余奥氏体含量之间存在着对应关系（见图7），随着残余奥氏体含量的增加，r/c的值也增加。在图8中可以看出，由于交变应力的作用，在硬度高的材料上产生的r/c值比硬度低的材料大，同时也发现具有低残余奥氏体含量的较低硬度的材料应力释放在很短的时间就已完成，而具有高残余奥氏体含量的高硬度材料的r/c值连续增加，应力释放不断在进行，阻止疲劳裂纹的快速扩展，因此提高了在污染环境下使用轴承的寿命。图7r/c值和残余奥氏体含量之间关系图8交变载荷后r/c值的变化根据以上的机理，采用在热处理后能形成较多的残余奥氏体含量的抗表面疲劳能力强的新材料，或采用特殊热处理新技术使轴承零件的表面产生大于25%含量残余奥氏体含量，可大幅度提高在污染环境下轴承的使用寿命（