The Challenge——ETFA軸承-上篇

來源：NTN

適應(yīng)高強度化需求的ETFA軸承

隨著汽車和各類工業(yè)機械追求高效和小型化的發(fā)展，軸承的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛。面對這種挑戰(zhàn)，對高強度軸承的需求也隨之不斷增長。在建筑或礦山機械等應(yīng)用場景中，軸承常常需承受強烈的沖擊，并伴有異物混入，這對其使用壽命提出了更高的要求。

為了滿足這些需求，NTN自2020年起，致力于研發(fā)并推廣通過特殊熱處理技術(shù)提升使用壽命的“ETFA軸承”。目前，我們已經(jīng)推出了采用新材料和熱處理工藝的“ETA”軸承，能在各種嚴(yán)苛環(huán)境中提供出色的耐用性。而全新的“ETFA”軸承，在混入異物的情況下，其使用壽命更是達到了“ETA”軸承的兩倍。

這種特殊的熱處理技術(shù)是NTN技術(shù)團隊多年研究的成果，我們稱之為“ETFA處理”。那么，這究竟是一種怎樣的技術(shù)呢？為此，我們專訪了兩位主導(dǎo)研發(fā)工作的研究員。

先端技術(shù)研究所  山田 昌弘

先端技術(shù)研究所  大木 力

熱處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著汽車和各類工業(yè)機械追求高效和小型化，軸承的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛。此外，建筑和礦山機械等本就復(fù)雜的環(huán)境，在物聯(lián)網(wǎng)的推動下，對無人駕駛的可靠性和壽命成本提出了更高的要求。因此，對具有更長使用壽命的軸承的需求也日益增長。

面對這一挑戰(zhàn)，NTN通過其獨特的“ETFA處理”熱處理技術(shù)，研發(fā)出了具有更長使用壽命的“ETFA軸承”。其中，“ET”代表了NTN自主研發(fā)的ET(ECO-Top)材料，而“FA”則是“Fine Austenite Strengthening(結(jié)晶奧氏體強化法)”的縮寫。這種ETFA處理技術(shù)結(jié)合了軸承鋼結(jié)晶粒的細化和滲碳氮化，從而實現(xiàn)復(fù)合熱處理。

大木力，負責(zé)FA處理研發(fā)的專家之一，為我們深入解讀了ETFA處理與FA處理之間的關(guān)系：“NTN之前已經(jīng)研發(fā)過經(jīng)‘FA處理’的長壽命軸承。這次的ETFA處理可以說是將類似的方法應(yīng)用于不同的鋼材。”

為了更好地理解ETFA處理，我們首先需要了解FA處理的核心技術(shù)。大木和參與“ETFA軸承”研發(fā)的山田昌弘從鋼材的基礎(chǔ)為我們揭示了這項技術(shù)的奧秘。

將FA處理應(yīng)用于低碳素鋼便成了ETFA處理

鋼材是在鐵中融入了碳元素的合金。根據(jù)其含碳量，強度和韌性會有所不同。一般來說，碳元素含量越高，強度越高；碳元素含量越低，韌性就越高。鋼材主要分為基本只含鐵和碳的“碳素鋼”，以及還包含其他元素的“合金鋼”。

制作軸承時主要使用的是“軸承鋼”，這是合金鋼的一種。軸承鋼的碳含量在1%左右，還包含了鉻等其他金屬元素。另外，碳含量在0.2%~0.4%的“滲碳鋼”也常用于軸承制造。“軸承鋼”和“滲碳鋼”在性質(zhì)上存在差異，但用于軸承制造時，沒有明顯的優(yōu)劣之分。廠商會根據(jù)自己的需求和各行業(yè)的傾向來選擇使用哪種鋼材。

大木進一步解釋道：“我們對軸承鋼采用了FA處理技術(shù)。而這次對滲碳鋼所做的處理稱為ETFA處理。簡單來說，ETFA處理是將軸承鋼的FA處理技術(shù)應(yīng)用于滲碳鋼，并融入其他技術(shù)的熱處理方法。”

工程機械在運行時常常會受到強烈的沖擊，因此軸承的工作環(huán)境較為嚴(yán)苛。隨著機械的小型化發(fā)展趨勢，軸承不僅要承受更為嚴(yán)峻的使用環(huán)境，還要不斷提升自身的強度以適應(yīng)時代的變化。

控制鋼材強度的“位錯”是什么？

淬火是提高鋼材強度的重要步驟，通過將鋼材加熱至高溫后迅速冷卻，可以顯著提高其強度。淬火的方式對鋼材的強度產(chǎn)生深遠影響，這一點由山田進行了詳細解釋：

鋼材是由排列成格子狀的鐵原子組合而成的多結(jié)晶體。在高溫加熱后，鐵原子間的間隙會擴大，并在這些間隙中加入碳元素進行滲碳。在淬火過程中，鐵原子會重新歸位，但由于鐵原子填充了碳元素，導(dǎo)致鐵原子間的間隙無法收縮，形成與原始狀態(tài)不同的結(jié)構(gòu)。這時，會發(fā)生位錯現(xiàn)象，使格子產(chǎn)生大量的畸變。隨著畸變的增多，鋼材的強度也會相應(yīng)提高。簡而言之，淬火通過增加位錯來提高鋼材的強度。

然而，位錯也會導(dǎo)致金屬疲勞。當(dāng)對鋼材施加力時，位錯會逐漸移動并集中在一點。當(dāng)壓力超過一定限度時，會發(fā)生龜裂現(xiàn)象，這被稱為疲勞破壞。這意味著在提高鋼材強度的同時，也要注意避免過度集中應(yīng)力，以防止金屬疲勞和過早的破壞。因此，選擇合適的淬火方法和工藝對于獲得高強度且具有良好疲勞性能的鋼材至關(guān)重要。

為了防止位錯移動而采取多種對策

那么，要如何防止位錯的移動和聚集呢？

大木給出的解釋是：“FA處理原本是用于對軸承鋼的結(jié)晶粒進行細微化強化處理的方法。然而，我們將這一技術(shù)應(yīng)用于滲碳鋼，同時結(jié)合了其他強化技術(shù)，從而開發(fā)出了全新的ETFA處理技術(shù)。具體而言，我們運用了將碳元素和氮元素融入鋼材的“固溶強化”技術(shù)，以及形成析出物(即溶入鋼材中的碳化物固化后的產(chǎn)物)的“分散強化”。通過這些強化手段的結(jié)合，我們成功地實現(xiàn)了前所未有的高強度和耐異物性。”

NTN傳統(tǒng)品與ETFA的結(jié)晶粒對比

ETFA處理的結(jié)晶粒比NTN傳統(tǒng)的滲碳滲氮軸承更為細微。此外，ETFA處理的析出物(白色斑點)分布細小且均勻，能夠更有效地防止位錯移動。