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影响瑞典轴承年限的材料因素及方法

瑞典轴承的早期失效形式重要包括开裂、塑性变形、磨损、腐蚀和疲劳,接触疲劳是正常情况下的主要失效形式。除了使用条件外,瑞典轴承零件的失效主要受钢的硬度、强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性和内应力状态的制约。影响这些性能和状态的主要内部因素如下。
  一.瑞典轴承损坏
  1.淬火钢中的马氏体
  当高碳铬钢的原始组织为粒状珠光体时,淬火马氏体的含碳量明显影响钢在低温淬火和回火时的力学性能。强度和韧性约为0.5%,接触疲劳寿命约为0.55%,抗压强度约为0.42%。当GCr15钢淬火马氏体中碳含量为0.5% ~ 0.56%时,可获得抗破坏能力最强的综合力学性能。
  应当留意,在这种情况下获得的马氏体是隐晶马氏体,并且测得的碳含量是平均碳含量。实际上,马氏体中的碳含量在微观区域是不均匀的,碳化物附近的碳浓度高于远离碳化物铁素体的碳浓度,因此它们开始马氏体转变的温度不同,这抑制了马氏体晶粒的生长和微观形貌的显示,成为隐晶马氏体。它能避免高碳钢淬火时容易产生的微裂纹,其亚结构为位错板条马氏体,具有较高的强度和韧性。因此,只有在高碳钢淬火时获得中碳隐晶马氏体,瑞典轴承零件才能获得抗失效性最好的基体。
  2.淬火钢中的残余奥氏体
  高碳铬钢经正常淬火后,可含有8% ~ 20%的Ar(残余奥氏体)。瑞典轴承零件中的Ar有利有弊。为了扬长避短,Ar的含量要适当。由于Ar的量主要与淬火加热的奥氏体化条件有关,会影响淬火马氏体的含碳量和未溶解碳化物的量,因此很难正确反映Ar量对力学性能的影响。为此,采用奥氏体化热稳定工艺获得不同的氩含量,研究了氩含量对低温淬火回火后GCr15钢硬度和接触疲劳寿命的影响。随着奥氏体含量的增加,硬度和接触疲劳寿命增加,达到峰值后下降。但峰值Ar含量不同。硬度峰值出现在17%氩附近,而接触疲劳寿命峰值出现在9%左右。当试验载荷减小时,增加氩含量对接触疲劳寿命的影响减小。这是因为当Ar用量较小时,对强度降低的影响不大,但增韧效果明显。原因是当载荷较小时,Ar中发生少量变形,不仅降低了应力峰值,而且通过加工和应力应变诱发马氏体相变,使变形后的Ar得到强化。但当荷载较大时,Ar的塑性变形较大,地基会局部产生应力集中而断裂,从而降低使用寿命。需要指出的是,Ar的有益作用必须处于Ar的稳定状态。如果自发转变成马氏体,钢的韧性会急剧降低而变脆。3.淬火钢中的不溶性碳化物
  淬硬钢中未溶解碳化物的数量、形态、大小和分布受淬火前钢的化学成分和原始组织的影响,也受奥氏体化条件的影响。关于未溶解碳化物对瑞典轴承寿命影响的研究很少。碳化物是一种硬脆相,不仅有利于耐磨性,而且碳化物与基体之间的应力集中会产生裂纹,降低韧性和抗疲劳性。淬火未溶解碳化物不仅影响钢本身的性能,还影响淬火马氏体的碳含量和氩含量及分布,对钢的性能有额外的影响。为了揭示未溶解碳化物对性能的影响,采用不同含碳量的钢,淬火后马氏体含碳量和含氩量相同,但未溶解碳化物含量不同。150回火后,由于马氏体含碳量相同,硬度较高,少量增加未溶解碳化物,硬度增加不大,但反映强度和韧性的压碎载荷降低,对应力集中敏感的接触疲劳寿命明显降低。因此,过多的淬火未溶解碳化物对钢的综合力学性能和抗破坏能力是有害的。适当降低瑞典轴承钢的含碳量是提高零件使用寿命的途径之一。
  除了淬火未溶解碳化物的数量之外,尺寸、形态和分布也影响材料性能。为了避免瑞典轴承钢中未溶解碳化物的危害,要求未溶解碳化物小(数量少)、尺寸小、均匀(尺寸小、分布均匀)、圆(每个碳化物都是球形)。需要指出的是,瑞典轴承钢淬火后有少量未溶解的碳化物是必要的,这不仅仅能保持足够的耐磨性,也是获得细晶隐晶马氏体的必要条件。
  二.淬火和回火后的残余应力
  瑞典轴承零件经低温淬火回火后,还有很大的内应力。零件的残余内应力有优点也有缺点。热处理后,随着表面残余压应力的增加,钢的疲劳强度增加,而当表面残余内应力为拉应力时,钢的疲劳强度降低。这是因为零件的疲劳失效发生在承受过大的拉应力时。当表面残留有较大的压应力时,会抵消相同值的拉应力,从而降低钢的实际拉应力,增加疲劳强度极限值。当表面残留较大拉应力时,会与拉应力载荷重叠,使实际拉应力明显增大,即使疲劳强度极限值降低。此外,使瑞典轴承零件在调质后表面有较大的压应力也是延长使用寿命的措施之一(当然,过大的残余应力可能会导致零件变形甚至开裂,应引起足够的重视)。
  1.钢的杂质含量
  钢中的杂质包括非金属夹杂物和有害元素(酸溶性)的含量,这些往往会对钢的性能造成损害。例如,氧含量越高,氧化物夹杂物越多。钢中杂质对零件力学性能和抗失效能力的影响与杂质的类型、性质、数量、尺寸和形状有关,但通常会降低韧性、塑性和疲劳寿命。随着夹杂物尺寸的增加,疲劳强度降低,钢的抗拉强度越高,降低趋势越大。随着钢中氧含量的增加(氧化物夹杂物的增加),高应力作用下的弯曲疲劳和接触疲劳寿命也随之降低。因此,有必要降低在高应力下工作的瑞典轴承零件制造钢的氧含量。一些研究表明,钢中的MnS夹杂物呈椭球形,能够包裹有害的氧化物夹杂物,因此对疲劳寿命的降低影响微小,甚至可能是有益的,因此可以广泛控制。

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