滚动轴承材料及热处理技术展望
滚动轴承材料及热处理技术展望
- 2020/5/19 20:37:03
1、现有钢种的新应用
现有钢种中，GCr15SiMn，GCr15SiMo具有较高的淬透性，一般用于制造大型轴承零件，以获得足够的淬硬层和硬度，根据目前轴承使用工况的变化，这两种钢可用于制造准高温或重载工况下使用的中小型轴承，以提高其承载能力及抗高温性能；GCr18Mo为贝氏体淬火开发的钢种，原用于制造经贝氏体淬火处理的铁路、轧机轴承，现可开展用于带电环境下工作的脂润滑轴承的研究，以提高抗白色组织疲劳剥落的性能。
2、开发新钢种
开发不同淬透性的轴承钢以适应不同尺寸轴承零件的要求，避免为保证零件的淬硬层而采取过度加热和激烈冷却而带来的不利影响（淬火裂纹、变形等），解决我国轴承钢种单一的问题。
开发不同用途的轴承钢以适应不同轴承用途的要求。如：开发新型马氏体不锈钢、准高温用钢、耐水系列轴承钢、耐污染轴承钢、抗白色组织疲劳剥落的钢种、高氮钢HNS（X30、ESI）等。
3、提高现有材料的质量
改善夹杂物的性质、分布及尺寸均匀性，提高轴承的寿命及可靠性。在氧含量较低的水平下，夹杂物的总量较低，但偶尔有个别大尺寸的氧化物碰巧出现在滚道面或次表面最大应力区，会造成轴承寿命非常短，从而使整批轴承的可靠性大大下降。因此，在降低氧含量的同时要严格控制夹杂物的均匀性。如严格选取炼钢原料、改进冶炼工艺及轧钢工艺等。
改善碳化物及成分均匀性。国产轴承钢的碳浓度分布不均匀，碳化物尺寸大且分布不均匀，出现大颗粒、带状碳化物等。破坏了基体的连续性，变形协调能力及碳化物的有益作用，影响加工质量。可通过钢水浇注增加电磁搅拌，加大钢坯尺寸和轧制比，并进行1 200～1 250 ℃的长时间高温退火等措施，均匀成分，改善碳化物的分布。
4、改进常规马氏体淬火技术
目前，轴承零件的常规马氏体淬火多采用铸链炉、网带炉、辊底炉等连续淬火设备，淬火后的组织、硬度等指标很容易控制在所期望的范围内。此类淬火工艺今后的发展方向有以下两方面。
4.1 淬火变形的控制
淬火加热设备基本采用了保护气氛或可控气氛，可以保证不脱碳或根据需要进行复碳、渗碳，从而大大压缩热处理后的加工余量。但加工余量的可压缩程度往往受到淬火变形的制约。目前，淬火变形（尤其是畸变）成为控制加工余量的主要因素。例如对于密封防尘轴承的套圈，淬火畸变将影响防尘盖的压入，进而影响密封性能。因此，减小淬火畸变或实现零畸变将是常规马氏体淬火需要解决的主要问题。影响淬火畸变的因素繁多，变形机理较为复杂，因此，每个生产厂家应根据自身设备和产品特点，从生产实践中探索出一些有效控制畸变的措施，如控制工件的摆放、入油方式、淬火油及油温、搅拌等，从而实现少或无畸变淬火。
4.2 残余应力及残余奥氏体的控制和评定
我国目前的热检标准中，增加了残余奥氏体含量控制及相应检测方法，但还没有残余应力的评定指标限制。大量的研究表明：残余应力影响零件的接触疲劳性能、韧性和磨削裂纹，适当的残余压应力可以提高接触疲劳寿命，防止磨削及安装裂纹的产生；残余奥氏体降低尺寸稳定性，其影响程度与残余奥氏体本身的稳定性、数量和存在部位有关。但适量的残余奥氏体可以提高断裂韧性和接触疲劳性能。
多家国外的著名轴承公司已把残余应力和残余奥氏体列入热处理控制指标。因此，进一步开展残余应力和残余奥氏体对热处理后性能的影响及其机理的研究，开展淬回火工艺对残余应力和残余奥氏体影响的研究，进而根据轴承的工况提出残余应力和残余奥氏体的控制指标等，将是我国轴承行业热处理研究的主要方向之一。
5、开发贝氏体等温淬火新钢种及新工艺
就贝氏体等温淬火而言，虽然对其工艺、组织、性能进行了较为系统的研究，但在大力推广此工艺的同时，应注意该工艺的限制，并非所有的轴承零件均适合贝氏体等温淬火。
同时，应开展纳米贝氏体等温淬火用钢的开发，进一步提高贝氏体等温淬火后的性能。另外，需开展贝氏体等温淬火介质和相关技术研究，一方面开发控制盐浴含水量的技术以保证盐浴的冷却性能；另一方面寻求替代介质和技术以减少环境污染，如采用无毒盐浴代替硝盐或采用其他冷却方式代替盐浴（控制喷水冷却）；三是开展贝氏体淬火工艺研究，缩短等温时间。
6、进一步开展碳氮共渗及渗碳热处理技术研究
近年来，洛阳轴承研究所与有关单位合作，开展了高碳铬轴承钢的碳氮共渗或渗碳热处理工艺研究，同时还独家开展了中碳合金钢特殊热处理工艺的研究。研究结果表明：通过碳氮共渗或渗碳热处理可以显著提高接触疲劳寿命。这一工艺在轴承行业具有重大的推广价值，已在不少企业得到应用。但仍有许多问题需要研究，如对不同工况的轴承零件，如何得到最佳的渗层深度和组织，并进一步细化碳氮化物，增加其数量；如何改变钢的成分在渗后得到氮化硅、碳化钒等特殊化合物从而进一步提高零件性能等。
对于渗碳钢常规渗碳，国内目前主要控制渗层深度、表面碳含量及碳化物形态，国外先进企业还控制碳浓度及残余应力沿深度的分布趋势。应针对不同零件开展碳浓度及残余应力沿深度分布的研究，以优化渗后性能。
7、表面改性技术
轴承零件主要工作表面为滚动接触面，进行表面涂层及其他改性处理可大幅提高轴承性能。我国轴承行业从20世纪80年代开始离子注入，涂覆MoS2类软膜等在轴承上的应用研究，并成功应用于航空、航天领域，取得了良好的效果。近年来，在轴承外圈涂覆陶瓷绝缘涂层也成功应用于铁路牵引电机轴承。但其他硬涂层的研究和应用相对落后，应开展DLC，GLC，TiN，TiAlN等硬膜涂层的相关研究。
另外，应大力开展其他表面改性技术的研究，如高能束（如激光）表面淬火、表面熔覆、表面织构处理等，改善表面性能及形貌，提高耐磨性及润滑性能。