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改善热处理质量提高轴承寿命 王秋俐, 马晶春,赵勇 (哈尔滨轴承集团公司 大连黄海轴承厂, 辽宁 大连1 1 6 6 0 0) 摘要: 对连续2 4小时工作的大型矿山机械所用轴承的使用环境以及典型的轴承损伤事例进行分析, 说明通过 改善热处理质量可提高轴承的使用寿命。 关键词: 轴承; 高可靠性; 材料 中图分类号:T G 1 6 2 . 7 1文献标识码:B文章编号:1 6 7 2 - 4 8 5 2 ( 2 0 0 7 ) 0 3 - 0 0 2 7 - 0 3 I m p r o v i n g h e a t t r e a t m e n t q u a l i t yt o r a i s e s e r v i c e l i f e o f b e a r i n g Wa n g Q i u l i , Ma J i n g c h u n , Z h a o Y o n g ( D a l i a n H u a n g h a i B e a r i n g S u b - F a c t o r y , H a r b i n B e a r i n g G r o u p C o m p a n y , D a l i a n 1 1 6 6 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t :T h e w o r ke n v i r o n m e n t o f m i n e r a l m a c h i n e r yr u n n i n g2 4h o u r s a n dt y p i c a l b e a r i n gi n j u r i n gi n s t a n c e s a r e e l a b o r a t e d , h o wt o r a i s e t h e s e r v i c e l i f e o f t h e b e a r i n g b y i m p r o v i n g t h e h e a t t r e a t m e n t q u a l i t y i s e x p l a i n e d . K e y w o r d s :b e a r i n g ; h i g h r e l i a b i l i t y ; m a t e r i a l 收稿日期: 作者简介: 2 0 0 7 - 0 5 - 1 4 . 王秋俐 (1 9 5 9 -) , 女, 工程师, 技术科科长. 1前言 随着国民经济的发展,国内用户对轴承的性 能的要求越来越多样化, 机械设备的不同, 对所使 用的轴承的要求也不一样, 但对轴承来说, 使用寿 命的长短, 对提高轴承的可靠性非常重要。 轴承的 使用寿命一般用滚动疲劳寿命来表示,另外还有 润滑寿命和噪音寿命。 为提高这些寿命参数, 各设 计制造单位采取了一系列改进措施, 如 (1) 轴承材 料及热处理的改进;(2) 轴承润滑状况的改善;(3) 轴承内部设计的改进。这些改进对提高轴承寿命 都非常重要。 矿山机械设备是2 4小时运转的大型设备, 这 些设备对工作环境要求非常严格,特别是对轴承 的使用要考虑疲劳寿命,还要考虑因不良润滑带 来的损伤。所以本文对矿山设备使用的轴承材料 及热处理进行探讨, 以供同行业参考。 2矿山机械设备轴承常见损伤 矿山机械设备使用的轴承是多种多样的, 其 不同部位的轴承损伤形式也有所差异,总体情况 如下所述。 2 . 1原料输送设备所用轴承 因工作环境有大量的粉尘,粉尘极易侵入轴 承内部, 使之产生摩擦损伤。 2 . 2铸造设备所用轴承 工作环境存在水及水锈情况, 而且在低转速, 重负荷条件下运转, 轴承表面很难形成润滑油膜, 这样就加速了轴承工作表面的磨损,使之产生表 面剥离、 裂纹。 2 . 3轧制设备所用轴承 工作环境存在水及水锈情况, 而且在高转速, 高负荷运转时,由于异物进入轴承内而产生的压 痕, 反擦伤, 由于水的渗入而产生的锈蚀使滚动表 面产生疲劳剥落。 3轴承的使用寿命及可靠性 3 . 1轴承材料及热处理后的性能 矿山机械轴承在工作中,主要在受冲击、 拉 伸、 压缩、 弯曲、 剪切等复杂的应力状态和高温度 哈尔滨轴承V o l . 2 8 N o . 3 S e p .2007 第2 8卷第3期 2007年9月J O U R N A L O F H A R B I N B E A R I N G 下连续工作, 同时它的工作环境比较恶劣, 所以要 求这类轴承在制造时必须有较高的抗塑性变形能 力, 少的摩擦磨损, 好的旋转精度、 高的尺寸精度、 好的尺寸稳定性以及较长的使用寿命,这其中有 多项是由材料和热处理工艺决定。所以这类轴承 所采用的材料及热处理后必须具有较好以下性 能: (1) 高的接触疲劳强度 轴承在使用周期负荷作用下, 表面发生疲劳, 主要表现在接触表面区域有小片金属剥落,形成 小的麻点, 使轴承振动值增加, 磨损加剧, 轴承发 热。直至轴承破坏, 报废。接触疲劳破坏是矿山轴 承在使用中报废的主要原因。 (2) 高的耐磨性 轴承在工作时, 不但有滚动摩擦, 还有滑动摩 擦, 所以必须采用耐磨性好, 抗磨损的材料。 (3) 高的弹性极限 矿山机械轴承在工作中承受负荷很大,而轴 承的外圈与滚动体接触面积小,所以为了防止在 高负荷作用下发生大的塑性变形,要求轴承有较 高的弹性极限。 (4) 高的硬度 硬度是轴承质量的主要标准,矿山机械所用 轴承硬度在6 0 6 5 H R C, 它的接触疲劳强度及耐 磨性、 弹性都是最高的, 如图1、 图2所示。 (5) 一定的韧性 矿山机械所有轴承在使用时受冲击负荷较 大, 要求所有轴承具有一定的韧性, 确保轴承不因 受击冲负荷而损坏。 (6) 好的尺寸稳定性 (7) 好的防锈性 矿山机械轴承使用环境较差,必须采用密封 性能好,轴承采用耐高温油脂润滑来抵抗水及化 学腐蚀。 (8) 良好的工艺性能 冷、 热成型性能, 切削性能、 热处理性能等。 3 . 2改善热处理质量提高轴承寿命 矿山机械设备,特别是辊径设备所用轴承一 般采用渗碳钢进行特殊热处理,使材料的滚动表 面层得到了强化, 对轴承使用寿命有很大提高, 使 表面损伤降低到最低点,国际上把这种轴承称为 特殊热处理轴承 (E A轴承) 。 此类轴承与普通渗碳 钢轴承相比, 是以高清洁度润滑油为基础的, 即使 有异物浸入轴承内部, 轴承的寿命、 疲劳强度、 磨 损强度、 耐剥落等性能均好于其它类轴承。 经过特 殊热处理的轴承,其工作表面分散有强度的残余 奥氏体和碳化物, 从而达到材料组织的热稳定性。 通常情况工作表面由于滚动产生热量和受到剪切 应力的作用, 由此带来材质 (残余应力, 硬度显微 组织) 的变化, 极容易产生疲劳裂纹, 而回火状态 不易改变材质性能,不易产生裂纹并且裂纹不容 易扩展, 这对避免表面点状损伤是有效的, 所以通 过普通渗碳得到的残余奥氏体能够抑制裂纹的产 生和扩展。 在使用时, 加工硬化可得到高韧性的材 质。 如果在适当的条件下添加氮元素, 那么残余奥 氏体和材料组织中的马氏体具有热稳定性,使材 质不易发生变化, 同时适量的碳化物析出, 不仅裂 纹强度没有降低, 还是提高了疲劳强度。 通过试验 (图3 - 4) 表明普通渗碳钢与特殊热 处理轴承钢回火后的硬度变化,残余奥氏体变化 以及在高温下的关系。 结果表明, 特殊热处理钢轴 承与普通渗碳钢轴承相比,特殊热处理钢轴承具 有较高的回火稳定性和稳定的残余奥氏体组织。 根据试验数据表明,在恶劣条件所使用的特 殊热处理轴承,它的寿命比普通渗碳轴承的寿命 要高大约3倍左右。 图2硬度对G C r 1 5钢耐磨性的影响 图1硬度对G C r 1 5钢接触疲劳强度的影响 哈尔滨轴承第2 8卷2 8· · (上接第5页) 4 . 2滚子 滚子直径应取标准系列。最重要的是滚子长 径比的选择。另外,滚子的倒角也应订制得小一 些。长径比的选取主要还与导轨条结构尺寸和保 持架材料特性等因素有关, 这包含在系数k里。 在定义了滚子直径后, 滚子的长度 (或高度) 为: L w=k ·Dw 其中,Dw是滚子的直径 (基本尺寸) ,k是滚子 长径比,k 1。 4 . 3保持架 保持架结构为实体型,功能是有效地将滚子 分开且不会影响滚子的运转。 所谓“ 不影响” , 意为 它对滚子产生的阻力在可接受的范围内 (所有滚 动轴承的保持架都要满足这一条件) 。 它与滚子的 接触面积 (窗口内部) 会大于冲压保持架的, 理论 上说, 阻力将大于冲压保持架的。 但当采用了减摩 材料和优化的结构设计后,可以大大减小保持架 阻力。 保持架采用聚合物材料及注塑工艺来制造。 保持架设计主要需考虑窗口的尺寸,注意此处的 强度与刚性,必要时应核算窗口壁的强度与弹性 变形。 有关保持架长度, 窗口数 (滚子数) 的设计可 参阅常规型交叉滚子滚动导轨支承设计的相关部 分, 这些部分基本上也适用于此种类型。 注意两点,一是滚子未必一定要接触滚道面 中间 (“V” 形滚道槽内一侧的斜平面中间) ; 二是 保持架的所有设计尺寸不包含聚合物注塑工艺所 需要的收缩量,这应由注塑模具设计者在设计模 具时来决定。 对于尼龙材料 (可制成很好的减摩材料, 其他 聚合物也可被利用) , 因注塑件是截面尺寸远小于 长度的长形不均匀的制件,须保证注塑件有足够 的精度且不能有弯曲变形, 也须有足够的强度, 可 以采用玻纤增强或应用其他增强措施,特别是对 于小规格的产品。 另外,“ 保持架+滚子” 组件的装 配工艺也应通过精密工装来保证精度。 参考文献: 1 邹恒霞.直线运动交叉圆柱滚子支承设计探讨 J .轴承, 1 9 9 8 ( 3 ):1 1 - 1 2 . 2 C S B T S T C 9 8 . 4 0 - 1 9 9 7, 直线运动滚动支承分类 S . 3 G B / T 4 6 6 1 - 2 0 0 2, 滚动轴承 圆柱滚子 S . (编辑: 王立新) 图4回火温度与奥氏体的关系图3回火温度与硬度的关系 4结束语 轴承材料选择及热处理的改进是提高矿山机 械轴承寿命的重要途径。 参考文献: 1 刘耀中, 刘家文.国外轴承材料热处理 M .洛阳: 洛阳轴 承研究所: 2 0 0 1 . 2 洛阳轴承研究所.滚动轴承零件热处理及检验技术 M . 洛阳: 洛阳轴承研究所,2 0 0 2 . (编辑: 王立新) 王秋俐, 等: 改善热处理质量提高轴承寿命2 9· ·第3期