材料工程設(shè)計(jì)第7講

第7講滾動(dòng)軸承的材料及其選用1.滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)滾動(dòng)軸承的種類之多，至今已有6萬多種。結(jié)構(gòu)上一般由外套、內(nèi)套、滾動(dòng)體【鋼球、滾子（圓柱、圓錐、球面）、滾針】、保持架和潤滑油等組成。目前最小直徑的軸承內(nèi)徑為0.6mm，最大軸承的外徑達(dá)5.492m，重量達(dá)6.38t。優(yōu)點(diǎn)：摩擦阻力小，起動(dòng)靈敏，效率高，軸向尺寸小，能同時(shí)承受軸向和徑向載荷，潤滑方便，批量生產(chǎn)易于互換等。缺點(diǎn)：抗沖擊能力較差，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)較大的噪音，振動(dòng)較大，工作壽命不及液體摩擦的滑動(dòng)軸承，安裝徑向尺寸較大。圖-1滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)2.滾動(dòng)軸承的類型軸承按其能承受的載荷方向或公稱接觸角度的不同，分為：向心軸承（徑向接觸軸承、向心角接觸軸承）、推力軸承（軸向接觸軸承、推力角接觸軸承）。軸承按其滾動(dòng)體的種類，分為：球軸承、滾子軸承（圓柱滾子、軸承滾針、軸承、圓錐滾子、軸承調(diào)心滾子軸承）。軸承按其工作時(shí)能否調(diào)心，分為：調(diào)心軸承、非調(diào)心軸承（剛性軸承）。軸承按滾動(dòng)體的列數(shù)，分為：單列軸承、雙列軸承、多列軸承。按滾動(dòng)軸承外徑尺寸大小分類，分為：微型軸承——公稱外徑尺寸范圍為26mm以下的軸承；小型軸承——公稱外徑尺寸范圍為28—55mm的軸承；中小型軸承——公稱外徑尺寸范圍為60—115mm的軸承；中大型軸承——公稱外徑尺寸范圍為120—190mm的軸承；大型軸承——公稱外徑尺寸范圍為200—430mm的軸承；特大型軸承——公稱外徑尺寸范圍為440mm以上的軸承。軸承按其部件能否分離，分為：可分離軸承、不可分離軸承。軸承按其結(jié)構(gòu)形狀（如有無裝填槽，有無內(nèi)、外圈以及套圈的形狀，擋邊的結(jié)構(gòu)，甚至有無保持架）還可以分為多種結(jié)構(gòu)類型。3.滾動(dòng)軸承的工作條件失效形式及材料性能要求滾動(dòng)軸承套圈和滾動(dòng)體接觸面上承受高載荷（球軸承的接觸應(yīng)力達(dá)4900MPa，滾柱軸承接觸應(yīng)力達(dá)2940MPa）交變應(yīng)力，在高轉(zhuǎn)速（dN值2.5×106mm·r/min）下長時(shí)間運(yùn)行。主要失效形式有：接觸疲勞、磨損、斷裂等。對(duì)滾動(dòng)軸承材料的性能要求：高硬度高的接觸疲勞性能高的耐磨性一定的韌性良好的尺寸穩(wěn)定性良好的冷熱加工性能4.滾動(dòng)軸承常用材料通常套圈和滾動(dòng)體均采用高碳鉻軸承鋼，長期實(shí)踐證明它是制造滾動(dòng)軸承的最佳鋼種，其中GCr5鋼占滾動(dòng)軸承用量的90%以上。外套帶有擋邊和高沖擊載荷下工作的滾動(dòng)軸承采用合金滲碳鋼，它主要要含有鉻鎳鉬等元素。滲碳軸承鋼經(jīng)滲碳淬回火后達(dá)到表硬心韌的最佳性能配合，適用于承受高沖擊載荷條件，如：軋機(jī)軸承。鋼中存在非金屬夾雜物易形成早期疲勞剝落，所以以高純度軸承鋼（真空感應(yīng)+真空自耗冶煉）制造高可靠性、長壽命、高精密軸承，如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承、高精度陀螺軸承和高精密（P2、P4等）機(jī)床主軸軸承等。對(duì)于在化工、航空、原子能等裝備中和食品、儀器、儀表等設(shè)備中使用的滾動(dòng)軸承還需要具有耐蝕性、耐低溫或耐高溫、抗輻射和防磁等特性，因此滾動(dòng)軸承還用到不銹鋼等替他材料。表1軸承鋼的類型類

型鋼

號(hào)備

注高碳鉻軸承鋼GCr4,GCr6,GCr9,GCr9SiMn,GCr15,GCr15SiMn,GCr15SiMo,GMnMoVRe*,GSiMoMnV*GB/T18254,GB/T18579GB3203,GB/T3077YB/T4107,YB/T4101滲碳軸承鋼G20CrMoA,20CrNiMoA,CG20CrNi2MoA,G20Cr2Ni4A,G10CrNi3MoA,20Cr2Mn2MoGB3203,YB/T4100

不銹軸承鋼9Cr18,9Cr18MoGB3080,YB/T096高溫軸承鋼H8Cr4Mo4V,HCr14Mo4,H8Cr4Mo4,W18Cr4V,H3Cr4Mo4Ni4V,2W10Cr3NiV,W9Cr4V2Mo,GCrSiWA

YB/T4105,YB/T4106,YB/T1205,GB/T3080,GB/T9943,WS9-6015,WS9-6027中碳軸承鋼50,55,70Mn,GCr10(40CrA),50SiNi,G55SiMoVA(52SiMoVA,50SiMoVA),GB/T3077,Q/XGSZ167,Q/XGSZ169特大型軸承鋼40CrMo,50Mn,5CrMnMoGB/T699,GB/T1299,GB/T3077特殊軸承用材及合金00Cr40Ni55Al3,Cr23Ni28Mo5Ti3Al,7Mn15Cr2Al3V2WMo,Monelk-500GB/T1299,試制技術(shù)條件保持架用材08,10,15,30,35,45,15CrMo,20CrMo,0Cr18Ni9Ti,1Cr13,H62,HPb59-1,QAl10-3-1.5,QSi3-1,QSi3.5-3-1.5,QSn6.5-0.1,GB/T13237,GB/T3077,GB/T4240,GB/T2024,GB/T5231,GB/T20595.滾動(dòng)軸承零件的加工工藝過程零件名稱加工過程套圈熱軋未退火棒料→鍛壓毛坯→正火→球化退火→熱軋未退火棒料（鋼管）車削加工→淬回火→粗磨（附加回火）→細(xì)磨→精研工作面→成品→清洗→防銹→包裝滾動(dòng)體冷沖及半熱沖鋼球鋼絲或冷拉條鋼→冷沖或半冷沖（熱沖）→光球加工→淬回火→粗磨→強(qiáng)化處理→精磨→精研→成品→清洗→防銹→包裝熱沖及模鍛鋼球

熱沖未退火鋼條→→球化退火→光球

下料→熱鍛（銼削→軟磨）→淬回火→粗磨→強(qiáng)化處理→精磨→精研→成品→清洗→防銹→包裝滾珠與滾針冷拉鋼絲或條鋼→冷沖、冷軋或車削→淬回火→粗磨→精磨→成品→清洗→防銹→包裝6.高碳鉻滾動(dòng)軸承的熱處理工藝方法工藝目的工藝要點(diǎn)預(yù)先熱處理退火球化退火一般球化退火使組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉牧钪楣怏w組織，獲得最佳的機(jī)加工性能，并為淬火提供良好的原始組織。790~810℃等溫后10~30℃冷卻到650℃出爐空冷。等溫球化退火790~810℃等溫后快冷到680~720℃或710~720℃爐冷到650℃出爐空冷?？焖偾蚧嘶鹫?一般球化退火細(xì)化循環(huán)球化退火790±10℃等溫后爐冷到735℃等溫15min在升溫765℃等溫15min爐冷到650℃等溫后出爐空冷。再結(jié)晶退火消除冷軋、冷拔和冷沖壓后的冷作硬化，使晶粒得到再結(jié)晶550~650℃等溫3~5小時(shí)后爐冷。正火消除和改善網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化和均勻化組織消除和改善網(wǎng)狀碳化物時(shí)正火溫度較高，細(xì)化和均勻化組織正火溫度較低，以GCr15為例，前者在930~980℃，后者在860~920℃。雙細(xì)化處理鍛造預(yù)熱淬火高溫回火碳化物細(xì)化和晶粒細(xì)化鍛造后在735±5℃等溫3~4小時(shí)后空冷。鍛造后快冷等溫退火鍛造余熱沸水中淬火后在Ac1上進(jìn)行等溫退火亞溫鍛造快冷等溫退火在800~840℃鍛壓加工后在680~720℃等溫處理爐冷至600出爐空冷。最終熱處理淬火獲得高的硬度和耐磨性，高的接觸疲勞壽命和可靠性，高的尺寸穩(wěn)定性淬火溫度一般在830~860℃，加熱時(shí)間一般與材料和零件的尺寸有關(guān)。冷處理多在-20℃冷凍室處理，高精度軸承采用干冰酒精（-70℃）或其他方法處理?；鼗鸪Ｓ?80~200℃回火，對(duì)于載荷輕、尺寸穩(wěn)定性要求高的軸承采用200~250℃回火。7.高碳鉻軸承零件淬火后質(zhì)量檢驗(yàn)零件名稱檢查項(xiàng)目技術(shù)要求檢查方法套圈硬度顯微組織斷口裂紋與其他缺陷畸變表面硬度>63HRC隱針馬氏體、均勻分布的細(xì)小殘余碳化物和少量的殘留奧氏體組織；不允許有過熱針狀馬氏體，殘余碳化物顆粒<4.2μm，碳化物網(wǎng)<3級(jí)淬火后斷口具有細(xì)小晶粒閃爍光澤，不允許有欠熱、過熱及其他形式斷口存在不允許有裂紋，脫碳、軟點(diǎn)等缺陷不得超過規(guī)定值套圈的畸變應(yīng)該在可控制范圍內(nèi)，一般按軸承的大小和磨削余量對(duì)橢圓度和彎曲度進(jìn)行檢驗(yàn)用洛氏硬度計(jì)、表面洛氏硬度計(jì)、維氏硬度計(jì)或顯微硬度機(jī)進(jìn)行硬度檢查顯微組織用金相顯微鏡檢查，放大倍數(shù)500倍將淬火后的套圈或其他零件用壓力機(jī)或其他方法壓斷后用肉眼觀察其斷口特征檢查軟點(diǎn)或脫碳用酸洗法，其深度用金相法測(cè)定。軟點(diǎn)也可以用硬度法測(cè)定。裂紋用磁力探傷、冷酸洗、油侵噴砂等方法進(jìn)行檢查橢圓度用外徑測(cè)量儀測(cè)量，彎曲度用C803儀器測(cè)量，尺寸漲縮用外徑儀測(cè)量，圓錐內(nèi)套用D13和D914檢查鋼球硬度顯微組織斷口裂紋與其他缺陷鋼球直徑≤45mm，淬火后硬度>64HRC;鋼球直徑≤45mm，淬火后硬度>64HRC;其他通套圈滾珠滾針硬度顯微組織斷口裂紋與其他缺陷同套圈7.滲碳鋼制滾動(dòng)軸承的熱處理零件類型常用材料工藝目的工藝及質(zhì)量要求中小型軸承零件15鋼主要用于汽車萬向節(jié)軸承外套；20Cr2Ni4A/20Cr2Mn2MoA主要用于耐高沖擊載荷軸承，如：汽車方向盤軸承外套，飛機(jī)起落架軸承；G20CrNiMoA主要用于汽車輪鼓軸承。軸承表面獲得高硬度、高耐磨性、抗接觸疲勞，而軸承心部具有高的韌性，能承受高的沖擊載荷。滲碳層深度(有效厚度/層深）88~1414~2020~5050~80>800.7~1.21.0~1.61.5~2.3>2.5>3>3.5表層碳濃度表面碳濃度一般控制在0.8~1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），過渡層碳濃度要求平緩。滲碳淬火硬度62~66HRC回火硬度60~64HRC心部硬度>25HRC工藝要點(diǎn)在920~940℃滲碳后冷卻到淬火溫度保溫后直接淬火，清洗后低溫回火處理，必要時(shí)采用間接淬火，有時(shí)在淬火之前增加高溫回火或等溫球化處理。特大型軸承零件G20CrMoA,G20CrNiMoA,G20CrNi2MoA,G20Cr2Ni4A,G10CrNi3MoA,G20Cr2Mn2MoA滲碳硬化層深度(有效厚度/層深）<5050~80>80>2.5>3>3.5表層碳濃度表面碳濃度一般控制在0.9~1.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），過渡層碳濃度要求平緩。滲碳淬火硬度61~66HRC回火硬度59~64HRC心部硬度>30HRC工藝要點(diǎn)在940~960℃滲碳后冷卻到淬火溫度保溫后直接淬火，清洗后高溫回火處理，在進(jìn)行二次淬火，清洗后進(jìn)行等溫回火處理，必要進(jìn)行穩(wěn)定化處理。8.耐腐蝕滾動(dòng)軸承鋼的熱處理鋼種主要用途工藝方法工藝及質(zhì)量要求9Cr189Cr18Mo(馬氏體不銹鋼）制造在海水、河水、蒸餾水、硝酸、海洋性氣候蒸汽等腐蝕介質(zhì)中工作的軸承零件；制造微型軸承零件；適于在高真空及在－253~350℃范圍工作的軸承零件。鍛造這種鋼導(dǎo)熱性差，碳化物在高溫下溶與奧氏體的速度慢，淬透性好，因此鍛造加熱速度不能過快，可采用預(yù)熱等溫，冷卻速度不能過快，可采用保溫冷卻正常組織：馬氏體+殘奧+一次、二次碳化物，晶粒細(xì)小，避免網(wǎng)狀碳化物出現(xiàn)，防止組織過燒、過熱。退火一般采用低溫球化退火工藝、等溫球化退火工藝、一般球化退火工藝碳化物均勻分布，孿晶碳化物和；硬度：197~241HBW（JB/T1640)淬火回火再真空或氣氛爐中預(yù)熱到800~850℃保溫再升到淬火溫度1050~1100℃在熱油中淬火或氮?dú)獯恪Ｖ筮M(jìn)行冷處理，回火處理和穩(wěn)定化處理（補(bǔ)充回火）。正常組織：隱針或細(xì)小的馬氏體和一、二次殘留碳化物及殘余奧氏體。(JB/T1460)對(duì)變形也作為質(zhì)量控制參數(shù)(JB/T1255)不允許存在淬回火裂紋0Cr18Ni91Cr18Ni91Cr18Ni9Ti（奧氏體不銹鋼）制造耐腐蝕軸承的保持架、防塵蓋、鉚釘、套圈、鋼球等。固溶時(shí)效在1080~1150℃固溶處理溫水冷卻隨后在850℃時(shí)效處理水冷或空冷固溶處理后的硬度約為135~180HBWCr17Ni21Cr132Cr133Cr134Cr13（鐵素體不銹鋼)制造高速耐腐蝕軸承保持架；制造BK型滾針軸承的外套；制造關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)套；制造耐腐蝕滾針和套圈退火在650~900℃退火后緩慢冷卻退貨后的硬度約在130~300HBW淬回火在925~1100℃加熱后依據(jù)不同鋼種進(jìn)行冷卻（空冷、油冷或水冷），然后依據(jù)剛不同在200~300℃或600~700℃之間進(jìn)行回火處理淬火/回火硬度：Cr17Ni2:38~43HRC/321~360HBW1Cr13:380~415HBW/185~380HBW2Cr13:380~415HBW/200~380HBW3Cr13:485~560HBW/429~477HBW4Cr13:530~5603HBW/48~53HRC9.高溫滾動(dòng)軸承鋼的熱處理鋼種主要用途工藝方法工藝及質(zhì)量要求HGCr15工作溫度-55~200℃套圈和滾動(dòng)體碳化物細(xì)化處理加熱到930℃保溫后噴霧冷卻到30~90℃油冷，再加熱到775℃保溫以60~80℃冷卻到600℃后空冷。碳化物細(xì)化后組織胺JB1255第一級(jí)別為≤2級(jí)，硬度200~229HBW淬回火真空加熱（預(yù)熱）到845~865℃保溫后真空油淬火，出油溫度>300℃,或噴霧冷卻。回火規(guī)范根據(jù)軸承的使用溫度確定?；鼗饻囟忍兹︿撉驖L子200℃60~63;62~66;61~65250℃58~62;58~62;58~62300℃55~62;58~62;58~62350℃≥52;≥52;≥52;400℃≥48;≥48;≥48;GCrSiWV工作溫度-55~250℃套圈和滾動(dòng)體鍛造預(yù)先熱處理加熱到945℃左右吹風(fēng)冷卻，加熱到810℃保溫后快冷，再在720，710℃球化爐冷到650℃出爐冷卻。組織為均勻細(xì)小的珠光體，硬度207~229HBS淬回火在880℃加熱保溫淬入90~110℃油中，再在300℃，100℃分別回火組織為隱針馬氏體加少量碳化物，晶粒度為9~10級(jí)，淬火后硬度≥65HRC，回火硬度≥660HRCCr4Mo4V①工作溫度-55~315℃套圈和滾動(dòng)體退火規(guī)范更聚聚不同鋼種和加工零件的種類不同可以采用一般退火工藝、等溫退火工藝、低溫退火工藝按JB2850標(biāo)準(zhǔn)，硬度為197~241HBW，脫碳層不得超過軟磨余量的2/38Cr14Mo4V②制造高溫腐蝕介質(zhì)中工作溫度-55~430℃的軸承套圈和滾動(dòng)體H13Cr4Mo4Ni4V制造