材料热处理对轧机轴承寿命的影响

时间：2010-12-20

材料热处理对轧机轴承寿命的影响

一、轧机轴承特点


滚子与滚道为线接触或修下线接触，径向承载能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷。

摩擦系数小，适合高速，极限转速接近深沟球轴承。


可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，可作自由端

支承使用。


对轴或座孔的加工要求较高，轴承安装后外圈轴线相对偏斜要严加控制，以免造成接触

应力集中。


内圈或外圈可分离，便于安装和拆卸。


钢板冲压保持架、对高速轴承或要求运转平稳的轴承，则用实体保持架。根据使用场合

和用户要求，也可设计和提供带玻璃纤维增强塑料制保持架。


二轧机轴承的保养、检修和异常处理


为了尽可能长时间地以良好状态维持轴承本来的性能，须保养、检修、以求防事故于未

然，确保运转的可靠性，提高生产性、经济性。


保养最好相应机械运转条件的作业标准，定期进行。内容包括监视运转状态、补充或更

换润滑剂、定期拆卸的检查。


作为运转中的检修事项，有轴承的旋转音、振动、温度、润滑剂的状态等等。


三影响轧机轴承寿命的因素及其控制


1 影响轴承寿命的材料因素


滚动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。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）。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，

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


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
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 影响轴承寿命的材料因素的控制


为了使上述影响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。


为了使轴承零件淬回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。









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