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Classifications and Applications of

时间:2017-7-3 9:08:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  轴承是支承轴颈、耳轴、枢轴、短轴及轴上的机械零部件。它用于减小摩擦和保证回转精度,并使轴及轴上零件转动、摆动或滑动。依据轴承工作时摩擦的形式,而分为滚动轴承与滑动轴承两种。滚动轴承与滑动轴承相比不足之处是噪音大、轴承座的结构比较复杂、成本较高。但其摩擦小、易起动、功耗小、效率高、尺寸标准化、具有互换性、便于安装拆卸、维修方便、结构紧凑、重量轻、轴向尺寸小、精度高、转速高、磨损小、寿命长、适用于大批量生产、质量稳定可靠及生产效率高等诸多优点。材料是轴承的基础,对轴承的性能质量起着决定性作用,经过国内外研究者长期努力,现已开发出一系列轴承用材料,有几百种。且随着科学技术的发展,为满足轴承更新更高更严的性能要求,世界各国开发和运用了许多新工艺、新技术及新装备,大幅度提高了轴承材料的性能质量。因此,轴承材料的应用越来越广泛。常用轴承材料主要分为金属和非金属两大资助信息:国家火炬计划项目:油气勘采专用高性能耐蚀合金(2010GH031687)类,金属尤指轴承钢和轴承合金,非金属指陶瓷轴承。

  本文将对当前常用的滚动轴承材料及其应用概况作综述性介绍。

  2轴承钢及其应用轴承钢的种类比较繁多,依其工作环境、使用条件特点可分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等。

  2.1高碳铬轴承钢及其应用高碳铬轴承钢在世界各国轴承钢的总产量中占80%以上,各国对之都有专用的技术标准。例如ISO683、美国ASTMA295、美国专用标准ASTMA485、日本ISG德国DIN 17230及中国GB/T18254等标准中的高碳铬轴承钢。

  目前国内广泛使用的GB/T18254-2002高碳铬轴承钢国家标准中有GCr4、GCrl5、GCr15SiMn、GCr15SiMo及GCr18Mo五个高碳铬轴承钢钢号。其中GCrl5和GCr15SiMn两个钢种在我国轴承行业的用量最大,是轴承钢的典型代表钢种,GCr15轴承钢大量用于制造汽车、拖拉机、坦克、飞机等所使用的轴承以及机床使用的主轴轴承和铁路车辆、矿山机械、电机轴承、通用机械用轴承。GCr15SiMn和GCr15SiMo淬透性良好,主要用来制造有效壁厚比较大的轴承:GCr15SiMn适用于制造有效壁厚在15~35mm范围内的轴承;GCr15SiMo适用于制造壁厚尺寸大于35mm的轴承。这些轴承多为大型或特大型轴承。GCr4轴承钢是限制淬透性钢,它经过合适的热处理工艺得到一定的硬化层深度,表面硬、心部软,具有较好的耐磨性、冲击韧性及接触疲劳寿命,在俄罗斯等国被用于铁路客车轴承和矿山、冶金机械等承受较大冲击载荷的轴承。GCr18Mo是一种被广泛用于贝氏体热处理的轴承钢,主要用于高速列车、矿山和冶金机械等轴承。

  2.2渗碳轴承钢及其应用渗碳轴承钢实际上是优质低碳或低碳合金钢,经渗碳和热处理淬回火后,表面硬度为5862HRC,心部硬度为2545HRC,表面具有高硬度、高耐磨性和高接触疲劳寿命,而心部仍有良好的韧性,能承受较大的冲击。

  较大的冲击负荷和尺寸较大的大型轴承零件以及高接触应力下使用的轴承零件等,如汽车、拖拉机、乳机、重型机械、铁路机车、矿山机械和石油机械轴承等。

  2.3不锈轴承钢及其应用不锈轴承钢主要有中高碳马氏体不锈钢、奥氏体马氏体不锈轴承钢,这类轴承钢含有1°%左右的C和18°%左右的Cr,经热处理后具有较高的强度、硬度、耐磨性和接触疲劳寿命,又有很好的抗大气、河水、海水、水蒸气、硝酸蒸气、盐及酸的腐蚀能力。经250~300C回火后的硬度253HRC,所以,可以用于制造在高腐蚀、无润滑强氧化气氛及较高温度下工作的轴承零件,例如宇航、航海、船舶、石油、化工、食品工业中的轴承及部件等,也可制造低摩擦、低扭矩器表微型精密轴承。另外,用于制造轴承零件的不锈钢还有Cr13型、Cr17型、18-8型不锈钢等,这些不锈钢的碳含量相对较低,热处理后的硬度、强度较低,用来制造在腐蚀介质中工作负荷不大的轴承零件,如钢球、滚针套、滚针、保持架等。

  2.4局温轴承钢及其应用随着航空、航天工业的发展,涡轮发动机、喷气发动机、燃汽轮机和宇航飞行器制造的要求越来越高,轴承的工作温度越来越高,甚至高于316C,对轴承钢的使用温度提出更高的要求。高温轴承钢应具有高的高温硬度(大于50HRC)、尺寸稳定性、耐高温氧化性、低的热膨胀性和高的抗蠕变强度。

  高温轴承钢可分为:高温不锈轴承钢、高温高速工具钢、高温渗碳轴承钢。ISO683中的高温轴承钢钢种有:80MoCrV42216、X82WMoCrV62524、X75WCrV182421;美国的高速工具钢标准ASTMA600中的M1、M2、M50等钢种可作为高温轴承钢使用;中国高温轴承钢标准B/T2850中有8Cr4Mo4V和YB120510中有Cr14Mo4,8Cr4Mo4V是各国广泛使用的一种高温轴承钢,具有较好的高温硬度和高温尺寸稳定性,并且有高的高温接触疲劳性能。可以制造工作温度在315C以下使用的轴承。主要用于飞机、舰艇发动机轴承、冶金、化工和原子能工业中高温设备轴承。10Cr14Mo4钢使用温度可达480C.中国高温轴承钢系中的高速工具钢还有W9Cr4V和W18Cr4VW18Cr4V适用于更高温度和更好的高温硬度下工作的轴承。国内外常用的高温不锈轴承钢钢号有14-4、BG42及WD65等,其14-4使用温度可提高到480C,BG42又在14-4的基础上加入质量分数为2%的钒,从而提高了它的耐磨性、高温硬度和二次硬化效应,其高温硬度高于M50,而其不锈耐蚀性能接近于440C的抗腐蚀性能,从而得到比较广泛的应用。WD65在BG42的基础上加入质量分数为2°%2.5°%的W和5°%5.5°%的Co,因此具有更高的高温硬度和耐磨性能,使用温度可提高到540C.NM100属于高合金马氏体不锈钢,因钢中含17.5%的Cr、9.5%的Co,其耐蚀性能与奥氏体不锈钢相当,钢中又含有10.5%W,因此在593C的高温下还具有良好的耐磨性能。NM100比较广泛的用于航空发动机轴承及其长时间处于高温并承受干摩擦的零件。高温渗碳轴承钢随着航空发动机转速的不断提高,其DN值也不断的提高,高温渗碳轴承钢经表面渗碳处理,经淬火-回火以后其表面达到高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳寿命,而心部具有高的断裂韧性,因此可以满足高DN值下使用的轴承要求。目前国内使用比较广泛的高温渗碳轴承钢主要有G13Cr4Mo4Ni4V和2W10Cr3NiV,它们的使用温度达316C. 3轴承合金及应用随着科学技术的发展以及轴承服役工况条件的改变,对轴承材料提出了许多新的特殊要求,如空间、宇航、海洋、石油、核电、武器、高端制造业等许多领域需要采用高磁、无磁、不锈、耐蚀、耐温、抗幅照等特殊性能要求的轴承合金。如发动机需要高温轴承合金,原子能工业需要耐蚀、抗辐照及无磁轴承合金,飞机、军舰、导弹、雷达、坦克、大炮等现代化武器均离不开轴承合金。这类轴承合金主要有镍基合金特点是高温机械性能良好、抗氧化,即使在649982C高温下氧化气氛中仍具有较高的强度和表面稳定性。在滚动轴承中,大都把镍基合金用作高温轴承的保持架。在我国使用的镍基轴承合金以6YC2B最典型,它可在6070C的硝酸、硫酸、混合酸环境中使用,且无磁性,抗H2S腐蚀,最高使用温度可达600C,并具有高的耐磨性能和良好的接触疲劳寿命,且能进行冷热加工,是一种优良的镍基轴承合金。

  钴基合金在650C具有良好的高温硬度,并能保持到870C,在820C下还具有良好的抗热疲劳性能,在980~1090C之间具有较高的强度,也具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能。钴基合金能在表面上形成一层坚硬并且具有韧性的氧化膜,因而这种材料具有良好的耐磨和耐蚀性能。因此,钴基合金可以发展成为具有优越性能的轴承材料。钴基合金加工性能很差,价格昂贵而且由于碳、铬、钨含量高,极易产生大块碳化物形成应力集中,这些缺点妨碍了其广泛应用。CoCr30WNi可用作承受重负荷,工作温度为480~650C的球面滚子轴承。CoCr27W适用于核反应堆轴承和承力部件。

  4陶瓷滚动轴承材料及应用在500C以上工作的轴承可采用高温轴承钢作套圈,碳化钛或碳化铬金属陶瓷作钢球来满足使用要求。而在800C以上,滚动轴承就必须使用金属陶瓷和陶瓷材料来制造。用陶瓷材料做成的陶瓷轴承很适合于在高速、高温、耐腐蚀等特殊环境下工作。陶瓷滚动轴承的制造材料,包括碳化钛、碳化铬、碳化桂、氮化硅、氧化锆和氧化铝等陶瓷,而目前主要采用氮化硅陶瓷。SiN密度是轴承钢的40°%,硬度是轴承钢硬度的23倍,高硬度提高了其抗磨损、抗黏结、抗剥蚀损坏能力;Si3N4热膨胀系数大约为轴承钢的1/4,在高温工作条件下变形小,较普通轴承钢具有更高的尺寸稳定性;SN4陶瓷的在1400C高温下仍能保持高硬度,使用温度远高于普通轴承材料。Si3N4陶瓷的耐腐蚀性能强,在水、酸和碱介质的应用领域,用陶瓷滚动轴承可避免由于采用塑料、玻璃或不锈钢滚动体组成的轴承只能用于温度不太高、负荷较小的场合。与其他轴承材料和陶瓷材料相比,Si3N4综合性能明显,是制作轴承的理想材料。用Si3N4做成的陶瓷球轴承最主要的优点是由于滚动体的低密度性,可以极大地减少高速应用中施加在外圈的压力和摩擦力矩。

  按陶瓷材料在轴承零件上的应用情况,陶瓷滚动轴承可分混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承。⑴混合陶瓷轴承:现在工业上应用的混合陶瓷轴承多为滚动体,是陶瓷、内外圈为轴承钢的结构。混合陶瓷轴承的破坏与钢轴承相似,表现为钢套圈的破坏和陶瓷滚动体的疲劳剥落。由于制造轴承的Si3N4陶瓷密度小,有利于实现高速,因此混合陶瓷轴承多用于高速精密机床主轴。⑵全陶瓷轴承:所谓全陶瓷轴承就是滚动体与内外套圈均为陶瓷材料制造,同钢轴承相比,全陶瓷轴承具有更高的耐腐蚀、耐高温、耐磨性能及高刚度等特点。在航空航天工业中,陶瓷滚动轴承有极其优良的高速性能。全陶瓷轴承更耐腐蚀、耐高温、耐磨以及具有高刚度等性能。在航空航天工业中,陶瓷滚动轴承有极其优良的高速性能。在高温环境下,全陶瓷轴承能在800~1000C条件下可靠的工作;在腐蚀性介质中,全陶瓷轴承更能显示出其独特的优越性,化学工业用的各种耐酸泵、真空泵、离心泵和涡轮分子泵都应用了全陶瓷轴承。此外,电机工业和电力机车用全陶瓷轴承作绝缘轴承,航空航天飞行器采用全陶瓷轴承可减轻重量和提高飞行速度,医疗、食品等则利用全陶瓷轴承的干运转性能提高食品及药品的质量标准。

  5结尾随着科学技术和轴承行业的发展需求,国内外研发了大量新型的轴承材料,已适应不同服役工况环境条件。这包括快速渗碳轴承钢、高频淬火轴承钢、高纯净高碳铬轴承钢、超长寿命轴承钢、高性能新型不锈轴承钢、低碳、低铬的新型不锈轴承钢、高温渗碳轴承钢、含氮不锈轴承钢、无磁轴承钢、新型耐高温轴承钢、新型轴承合金和新型陶瓷材料。这些新型轴承材料的出现使轴承及材料的使用更加可靠和广泛,也将进一步推动材料科学的进步。