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1.3 滚动轴承服役条件及性能要求

滚动轴承是机械零件中常用的精密部件之一,其结构一般由内圈、外圈(合称套圈)及滚动体和保持架四部分组成。轴承钢主要用来制造轴承内圈、外圈和滚动体,保持架一般用低碳钢、有色金属合金或塑料等制成。

滚动轴承工作时,通常内圈和滚动体发生转动和滚动,载荷经滚动体传递给套圈,当承受径向载荷时,套圈和滚动体将会周期性地进入载荷带,如图1-3所示,所受载荷由零增至最大,然后再降为零。滚动轴承内圈、外圈和滚动体在接触点上产生接触应力而使轴承发生接触变形,接触应力最大可达3000~5000MPa。且滚动轴承在运转过程中,滚动体与套圈和保持架之间还存在相对滑动,产生相应的摩擦和磨损。另外,在某些工况下滚动轴承还要承受复杂的扭矩、冲击载荷、腐蚀等。

图1-3 球轴承载荷分布图

由以上分析可知,轴承通常在十分复杂的条件下工作,经过一段时间运行后发生失效,其失效形式是各种各样的,常见的有疲劳剥落、磨损、卡死、断裂、锈蚀、精度丧失、电蚀等。

孔子曰“工欲善其事,必先利其器”,作为轴承钢应具备以下性能:

1)高的接触疲劳强度,确保轴承在承受较大载荷下能够长时间使用。滚动体在轴承内、外圈间滚动时,接触部分承受周期载荷,表面层发生疲劳破坏而剥落,使轴承噪声、振动增大,工作温度升高而导致不能使用。其额定寿命常用 L 10 表示,中值寿命常用 L 50 表示。

2)高的淬硬性和一定的淬透性,确保在热处理后获得高且均匀的硬度和高的耐磨性。高碳铬轴承钢制轴承零件热处理后的硬度应满足GB/T34891—2017的规定。马氏体套圈淬回火后硬度一般为58~65HRC,钢球硬度一般为58~66HRC,滚子硬度一般为58~66HRC。轴承零件马氏体淬回火后,同一零件的硬度差一般不大于2HRC,当套圈外径大于400mm时,硬度差不大于3HRC。有效壁厚不大于25mm的套圈贝氏体等温淬火后硬度一般为58~62HRC。轴承工作时除发生滚动摩擦外,还有滑动摩擦。在滚动体和滚道的接触面、滚动体和保持架兜孔的接触面、保持架引导和套圈引导的接触面、滚子的端面和套圈挡边的接触面都会发生滑动摩擦。轴承工作时,零件的磨损是不可避免的。如果高碳铬轴承钢的耐磨性差,轴承便会过早地出现磨损,使精度丧失,从而降低轴承寿命。

3)高的弹性极限和一定的韧性,减小或避免由于高的应力作用导致永久变形。轴承工作时,滚动体与内、外圈的接触面积很小,但承受载荷大。为了防止在高载荷作用下发生过大的塑性变形,以致破坏轴承的精度和引起表面裂纹,要求轴承钢热处理后具有高的弹性极限。轴承在工作时,还承受一定的冲击载荷,因此要求轴承钢热处理后要有一定的韧性,以保证不因承受冲击载荷而破坏。

4)良好的尺寸稳定性。滚动轴承是精密零件,其精度以微米为计算单位。在长时间的保存及使用中,要求其尺寸不发生变化,尤其是对于精密级和超精密级轴承,因此,轴承钢应具有良好的尺寸稳定性。

5)一定的防锈能力。由于滚动轴承的生产工序繁多,周期长,而成品有的需要长期存放,易与空气和其他介质接触,故要求轴承钢具有一定的抗锈蚀性能,以便轴承零件在生产和存放过程中不致锈蚀。

6)良好的工艺性能。轴承生产过程中要经过多道冷、热加工工序,因此轴承钢还应具有良好的工艺性能。如冷、热成型性能,切削性能,磨削性能,热处理性能等,以适应大批量、高效率、高质量的生产需要。

7)其他性能。对于特殊条件下工作的轴承,还需要满足特殊的要求。如:高温下工作的轴承要耐高温(航空发动机主轴轴承);强腐蚀环境下工作的轴承要具有耐蚀能力;强磁场下工作的轴承要具有强的抗磁性能。

为满足轴承使用的工况条件,首先应该选择正确的轴承钢成分,然后进行可靠的冶炼、加工、热处理,确保轴承在服役条件下具有较好的组织和性能,满足不同工况下的服役要求。一般轴承金相组织和性能包括:钢纯净度、晶粒度、硬度/强度、显微组织(贝氏体、铁素体、马氏体、珠光体、残留奥氏体)、残余应力、韧性。 oriPSGJuQqGSICaVn08ylG2HmZMztfOU2TMC5rXpyx8dtMTnAUP+npF1emA6FltB

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