金屬材料對軸承性能的影響

劉淼

摘　要：在軸承的生產(chǎn)加工使用過程中，影響軸承壽命的因素有很多，例如軸承的材料、結構設計、加工制造等，軸承的轉速情況、承受載荷、潤滑、冷卻等原因。本次我們主要從軸承材料的方面來探究軸承使用的材料對于軸承的使用壽命的影響。

滾動軸承的早期失效形式，主要有破裂、塑性變形、磨損、腐蝕和疲勞，在正常條件下主要是接觸疲勞。軸承零件的失效除了工作環(huán)境條件之外，主要受鋼的硬度、強度、韌性、耐磨性、抗蝕性和內(nèi)應力狀態(tài)制約。影響這些性能和狀態(tài)的主要因素有合金內(nèi)各種金屬元素所占比例，合金在熱處理過程中的溫度變化等。

一、金屬元素：鉻、錳、鎳、鉬

在金屬元素方面以常見的鉻、錳、鎳、鉬進行簡要的介紹。

鉻（Cr）鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆的作用。

錳（Mn）錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。鋼中一般都含有一定量的錳，它能消除或減弱由于硫引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能。錳和鐵形成的固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度；同時又是碳化物形成的元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子，錳在鋼中由于降低臨界轉變溫度，起到細化珠光體的作用，也間接地起到提高珠光體鋼強度的作用。錳穩(wěn)定奧氏體組織的能力僅次于鎳，也強烈增加鋼的淬透性。

鎳（Ni）鎳在鋼中強化鐵素體并細化珠光體，總的效果是提高強度，對塑性的影響不顯著。

鉬（Mo）鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性，防止回火脆性，增加剩磁和矯頑力以及在某些介質中的抗蝕性。在調(diào)質鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘余應力，提高塑性。

二、金屬的熱處理

在金屬的熱處理中加熱溫度、保溫時間和冷卻方式是熱處理最重要的三個影響因素。

熱處理的工藝過程：首先需要將零件加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后在油中或水中冷卻。冷卻后立即入爐進行回火(500～650℃)，以降低淬火應力、調(diào)整組織成份，進而達到機械性能要求。

熱處理后合金內(nèi)各組織的名稱和特點分別為：

馬氏體：鋼中馬氏體的主要特性是高硬度和高強度。

鐵素體：鐵素體的塑性、韌性很好，但強度、硬度較低。其力學性能幾乎與純鐵相同。

奧氏體：奧氏體常存在于727℃以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強度和硬度不高，但塑性和韌性很好，易鍛壓成形。

滲碳體：滲碳體中碳的質量分數(shù)為6.69%，熔點為1227℃，硬度很高，塑性和韌性極低，脆性大。滲碳體是鋼中的主要強化相，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對鋼的性能影響很大。

珠光體：存在于鋼的退火或正火組織中，粒狀珠光體：在鐵素體基體上分布著粒狀滲碳體的兩相機械混合物稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體一般經(jīng)球化退火而得到，也可以通過淬火加回火處理得到。

三、軸承鋼與滲碳鋼兩種材料在軸承壽命上的差異

以上是對合金內(nèi)元素成分和各組織的介紹，下面將對由兩種材料制造的同一型號軸承在現(xiàn)場使用情況進行對比，探究軸承鋼與滲碳鋼兩種材料在軸承壽命上的差異。

軸承使用的軸承內(nèi)表面如圖所示：

圖中的軸承座內(nèi)表面具有臺階，喇叭口，橢圓等因年久失修所產(chǎn)生的缺陷同時，由于軋制時具有強沖擊力以及較高的軋制力等原因，軸承的工作條件較差，容易發(fā)生軸承損壞。

在軸承失效后，兩種軸承外圈均發(fā)生不同程度的破損，其中使用軸承鋼的軸承破損更為嚴重一些，如下圖所示：

使用軸承鋼材料的軸承發(fā)生嚴重的破損并且抱死軋輥，發(fā)生燒輥事故，從圖中可以看出，軸承外圈與軸承座的接觸面并不均勻且并沒有充分與軸承座內(nèi)表面接觸，這會導致軸承外圈受力不均，進而使強度高韌性較低的軸承鋼軸承外圈發(fā)生破碎導致軸承損壞。

而滲碳鋼軸承由于其經(jīng)過滲碳處理，心部韌性較高，在相近的工作環(huán)境下，可以堅持更長的時間并且減少燒輥現(xiàn)象的發(fā)生。

從性能方面上，滲碳鋼軸承具有更高的耐沖擊，耐形變等優(yōu)點，從成本角度考慮，在軸承工作環(huán)境良好的情況下，使用硬度更高，耐磨性更佳軸承鋼軸承可以有效降低生產(chǎn)成本。

來源：軋機軸承

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