影响KOYO轴承寿命的材料因素

滚动KOYO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。KOYO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。 1.1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KOYO轴承零件才可能获得抗失效能力最佳的基体。 1．2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）。KOYO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。1.3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KOYO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KOYO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KOYO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，KOYO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。 1.4淬火回火后的残留应力 KOYO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KOYO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）。1.5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）含量，它们对钢性能的危害往往是相互助长的，如氧含量越高，氧化物夹杂物就越多。钢中杂质对力学性能和制件抗失效能力的影响与杂质的类型、性质、数量、大小及形状有关，但通常都有降低韧性、塑性和疲劳寿命的作用。  随着夹杂物尺寸的增大，疲劳强度随之而降低，而且钢的抗拉强度越高，降低趋势加大。钢中含氧量增高（氧化物夹杂增多），弯曲疲劳和接触疲劳寿命在高应力作用下也随之降低。因此，对于在高应力下工作的KOYO轴承零件，降低制造用钢的含氧量是必要的。一些研究表明，钢中的MnS夹杂物，因形状呈椭球状,而且能够包裹危害较大的氧化物夹杂,故其对疲劳寿命降低影响较小甚至还可能有益,故可从宽控制。2 影响KOYO轴承寿命的材料因素的控制 为了使上述影响KOYO轴承寿命的材料因素处于最佳状态，首先需要控制淬火前钢的原始组织，可以采取的技术措施有：高温（1050℃）奥氏体化速冷至630℃等温正火获得伪共析细珠光体组织，或者冷至420℃等温处理，获得贝氏体组织。也可采用锻轧余热快速退火，获得细粒状珠光体组织，以保证钢中的碳化物细小和均匀分布。这种状态的原始组织在淬火加热奥氏体化时，除了溶入奥氏体中的碳化物外，未溶碳化物将聚集成细粒状。 当钢中的原始组织一定时，淬火马氏体的含碳量（即淬火加热后的奥氏体含碳量）、残留奥氏体量和未溶碳化物量主要取决于淬火加热温度和保持时间，随着淬火加热温度增高（时间一定），钢中未溶碳化物数量减少（淬火马氏体含碳量增高）、残留奥氏体数量增多，硬度则先随着淬火温度的增高而增加，达到峰值后又随着温度的升高而降低。当淬火加热温度一定时，随着奥氏体化时间的延长，未溶碳化物的数量减少，残留奥氏体数量增多，硬度增高，时间较长时，这种趋势减缓。当原始组织中碳化物细小时，因碳化物易于溶入奥氏体，故使淬火后的硬度峰移向较低温度和出现在较短的奥氏体化时间。  综上所述，GCrl5钢淬火后未溶碳化物在7％左右，残留奥氏体在9％左右（隐晶马氏体的平均含碳量在0．55％左右）为最佳组织组成。而且，当原始组织中碳化物细小，分布均匀时，在可靠地控制上述水平的显微组织组成时，有利于获得高的综合力学性能，从而具有高的使用寿命。应该指出，具有细小弥散分布碳化物的原始组织，淬火加热保温时，未溶的细小碳化物会聚集长大，使其粗化。因此，对于具有这种的原始组织KOYO轴承零件淬火加热时间不宜过长，采用快速加热奥氏体化淬火工艺，将可获得更高的综合力学性能。  为了使KOYO轴承零件淬火后表面残留较大的压应力，可在淬火加热时通入渗碳或渗氮的气氛，进行短时间的表面渗碳或渗氮。由于这种钢淬火加热时奥氏体实际含碳量不高，远低于相图上示出的平衡浓度，因此可以吸碳（或氮）。当奥氏体含有较高的碳或氮后，其Ms降低，淬火时表层较内层和心部后发生马氏体转变，产生了较大的残留压应力。GCrl5钢以渗碳气氛和非渗碳气氛加热淬火(均经低温回火)处理后,经接触疲劳试验可以看出，表面渗碳的寿命比未渗碳的提高了1.5倍。其原因就是渗碳的零件表面具有较大的残留压应力。3 结论 影响高碳铬钢滚动KOYO轴承零件使用寿命的主要材料因素及控制程度为：（1）钢在淬火前的原始组织中的碳化物要求细小、弥散。可采用高温奥氏体化630℃、或420℃高温,也可利用锻轧余热快速退火工艺来实现。（2）对于GCr15钢淬火后，要求获得平均含碳量为0.55％左右的隐晶马氏体、9％左右Ar和7％左右呈匀、圆状态的未溶碳化物的显微组织。可利用淬火加热温度和时间来控制得到这种显微组织。（3）零件淬火低温回火后要求表面残留有较大的压应力，这有助于疲劳抗力的提高。可采用在淬火加热时进行表面短时间渗碳或渗氮的处理工艺，使得表面残留有较大的压应力。（4）制造KOYO轴承零件用钢，要求具有较高的纯净度，主要是减少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量。可采用电渣重熔，真空冶炼等技术措施使材料含氧量≤15PPM为宜。