汽車軸承的材料及熱處理長(zhǎng)壽命技術(shù)

劉耀中，張 松

（1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.常州光洋軸承有限公司，江蘇 常州 213002）

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，40%的滾動(dòng)軸承應(yīng)用于汽車。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和各方面對(duì)汽車性能要求的不斷提高，汽車軸承越來(lái)越小型輕量化、高速化和高效率化，使用條件越來(lái)越苛刻。軸承不僅要求低摩擦、耐磨性和耐久性的摩擦學(xué)特性，而且要求在高速、高載、高溫等條件下具有長(zhǎng)的壽命、高的可靠性，并能實(shí)現(xiàn)免維修化、環(huán)保和低成本等。為了滿足這些要求，從軸承材料及熱處理、設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑等方面進(jìn)行了大量的探討。其中NSK公司開展的工作尤為突出。文中以NSK公司的技術(shù)研究為主題，從材料及熱處理方面，對(duì)國(guó)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜述，以期有所借鑒。

1 軸承的失效形式

軸承的正常失效大致可分為疲勞剝落失效、精度喪失失效、振動(dòng)噪聲超標(biāo)失效，相應(yīng)壽命為疲勞壽命、精度壽命及音質(zhì)壽命。除此之外的失效劃歸為非正常失效，如滾動(dòng)軸承零件（套圈、滾動(dòng)體）的斷裂、保持架的斷裂等等。其中，疲勞剝落失效為最主要的失效形式，疲勞壽命也是目前軸承設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。疲勞剝落按其起源部位可分為次表面起源型、表面起源型；按疲勞剝落發(fā)生前有無(wú)組織變化又可分為組織變化型和非組織變化型。

1.1 次表面起源型剝落

在良好的潔凈潤(rùn)滑條件下，受高的滾動(dòng)接觸壓力作用，位于接觸表面下一定深度的最大剪應(yīng)力處，形成疲勞源（或微裂紋），裂紋隨后向表面擴(kuò)展形成剝落。位于該區(qū)域的高硬度夾雜物（氧化物）或粗大的碳化物由于和基體的變形不協(xié)調(diào)，而優(yōu)先成為疲勞剝落的發(fā)源地。夾雜物的硬度越高，尺寸越大，越易成為疲勞源，其相應(yīng)的疲勞壽命越短。次表面起源型剝落為正常剝落，其軸承的疲勞壽命一般較長(zhǎng)。

1.2 表面起源型剝落

在潤(rùn)滑不良的情況下，滾動(dòng)體和套圈之間發(fā)生金屬的直接接觸，滑動(dòng)摩擦增大，使疲勞源由次表面移向表面，隨后疲勞裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，形成剝落。表面存在各種缺陷，如暴露于表面的粗大夾雜物或碳化物，可直接以這些缺陷為疲勞源，形成剝落。表面起源型剝落更常見的情形是潤(rùn)滑劑中存在外來(lái)污染顆粒或傳動(dòng)件產(chǎn)生的磨粒等，即所謂的污染潤(rùn)滑。在污染潤(rùn)滑條件下，潤(rùn)滑劑中的污染顆粒被輾入接觸區(qū)，在套圈或滾動(dòng)體的滾動(dòng)接觸面上形成壓痕，在壓痕邊沿造成高的應(yīng)力集中或裂紋，成為疲勞源。其剝落過(guò)程如圖1所示［1］。在這種剝落形式下，軸承的疲勞壽命較短。

圖1 污染潤(rùn)滑條件下的疲勞剝落過(guò)程

1.3 組織變化型剝落

近年來(lái)，隨著軸承使用條件的惡化，汽車輔機(jī)軸承，如發(fā)電機(jī)軸承、皮帶輪軸承等，使用常規(guī)材料并經(jīng)常規(guī)的熱處理后，軸承的疲勞剝落壽命明顯降低。分析表明，雖然剝落起源于次表面，但在剝落發(fā)生前，其組織發(fā)生了變化。通過(guò)詳細(xì)的觀察發(fā)現(xiàn)：其組織變化又分為兩種類型。

1.3.1 常規(guī)型組織變化

GCr15鋼制軸承在準(zhǔn)高溫（100～200℃）及接觸應(yīng)力作用下，接觸表面下出現(xiàn)白色腐蝕區(qū)（White Etching Area，WEA）或白色條帶，具有一定的方向性（圖2），其為低硬度的鐵素體區(qū)，該區(qū)內(nèi)粒狀碳化物消失，并在鄰近區(qū)域析出針狀（或網(wǎng)狀）碳化物，成為黑色腐蝕區(qū)（Dark Etching Area，DEA），當(dāng)該區(qū)存在夾雜物時(shí)，白色區(qū)域可呈以?shī)A雜物對(duì)稱分布的蝴蝶狀。一般，白色區(qū)域分布于原奧氏體晶粒內(nèi)。白亮區(qū)成為后來(lái)的疲勞源。其形成機(jī)制是高溫及應(yīng)力作用下，碳原子的擴(kuò)散能力提高，馬氏體發(fā)生回火，硬度降低。軸承壽命僅為常溫下壽命的1／10左右。同時(shí)，耐磨性及尺寸精度和配合間隙變差，甚至發(fā)生軸承卡死。

圖2 常規(guī)型組織變化剝落

1.3.2 特異型組織變化

另一類組織變化如圖3所示。白色組織及隨后出現(xiàn)的裂紋傾向于優(yōu)先發(fā)生在原始晶界上，呈橢圓形不規(guī)則形態(tài)。這多發(fā)生在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及其周圍的輔助設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、皮帶輪）用軸承中，該類軸承工作溫度、速度及載荷均較高，且有電流或電荷存在。較常規(guī)型組織變化發(fā)生的疲勞剝落而言，其疲勞壽命大幅度下降，約為計(jì)算壽命的1／10。有研究認(rèn)為：該類白色組織剝落是由氫引起的，是一種氫致脆性剝落。其產(chǎn)生機(jī)理如圖4所示［2］。處于接觸面間的潤(rùn)滑劑或潤(rùn)滑油在高溫高壓下或受電流（電荷）的放電的影響，并受接觸金屬的催化作用，發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)分解而產(chǎn)生氫原子或離子，氫原子吸附于接觸面并向金屬內(nèi)擴(kuò)散，在最大剪應(yīng)力區(qū)的微小缺陷處聚集，使局部材料的強(qiáng)度減弱，最終形成白色組織剝落。原奧氏體晶界為氫擴(kuò)散和聚集的優(yōu)先部位，故白色組織優(yōu)先在該處形成。

值得注意的是，這兩類組織變化型剝落有時(shí)會(huì)在同一軸承中出現(xiàn)，不少研究均把兩者統(tǒng)稱為組織變化型剝落，但兩者從產(chǎn)生的機(jī)理到對(duì)軸承壽命的影響有著很大的區(qū)別。另外，在水混入的潤(rùn)滑條件下，關(guān)于水的作用尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有的研究認(rèn)為，混入潤(rùn)滑劑中的水降低了潤(rùn)滑劑的黏度，使?jié)櫥瑺顟B(tài)劣化，并且水分解產(chǎn)生氫原子，引發(fā)氫致脆性剝落；有的研究認(rèn)為，水削弱了滾動(dòng)表面金屬的強(qiáng)度，在表面的非金屬夾雜物處形成疲勞源，并沿原奧氏體晶界向內(nèi)擴(kuò)展，為表面起源型剝落，與氫引起的白色組織次表面剝落不同，機(jī)理見圖5［3］。

圖3 特異型組織變化剝落

圖4 特異型組織變化剝落機(jī)理

圖5 水混入潤(rùn)滑條件下的剝落

2 材料及熱處理長(zhǎng)壽命技術(shù)

根據(jù)軸承的工況條件不同，其失效形式不同，所采用的材料及熱處理長(zhǎng)壽命措施各異。

2.1 次表面起源型剝落的長(zhǎng)壽命技術(shù)

2.1.1 提高鋼的潔凈度，改善夾雜物的分布

對(duì)于易發(fā)生次表面起源型剝落的軸承，如潔凈潤(rùn)滑及密封良好的軸承，其壽命主要取決于材料中夾雜物的類型、數(shù)量及尺寸。其中，氧化物型（Al2O3，SiO2等）和Ti型（TiN）非金屬夾雜物是有害的，其縮短軸承壽命，尤其是粗大的硬脆夾雜物對(duì)接觸疲勞的壽命影響最大，夾雜物的尺寸越大，與基體的硬度差別越大，其危害越大。因而，為了延長(zhǎng)軸承壽命，有效的方法是減少非金屬夾雜物量，其中最有效的方法是降低鋼中的Ti和氧含量。通過(guò)鋼包精煉、真空脫氣、改善制鋼條件降低非金屬夾雜物等雜質(zhì)和氧含量，可有效提高鋼的潔凈度和疲勞壽命。當(dāng)氧含量由30×10-6降低到10×10-6以下時(shí)，軸承壽命提高20～30倍以上。如NSK開發(fā)的Z鋼、KOYO生產(chǎn)的高精煉鋼HRS（high refining steel），其軸承的壽命為標(biāo)準(zhǔn)鋼制軸承的3倍，等同于特殊重熔鋼的壽命（如VAR，ESR）。

近年來(lái)的研究還發(fā)現(xiàn)：即使是鋼的氧含量降至10×10-6以下，甚至是6×10-6以下，其疲勞壽命仍具有分散性，即少數(shù)的軸承壽命仍很低，影響了軸承的可靠性；同時(shí)，進(jìn)一步降低氧含量將大大增加成本。其原因是盡管鋼的整體氧含量很低、非金屬夾雜物的總量很少，但仍存在極少量的大尺寸非金屬夾雜物，在一定的條件下導(dǎo)致軸承的早期疲勞剝落。為此，最近日本采用了一些新的夾雜物評(píng)定控制方法，如極限法統(tǒng)計(jì)（The statistics of extremes method）、NSK-ISD法（NSK-inclusion size distribution discriminating method）等。采用這些評(píng)估方法可以改善煉鋼工藝和條件來(lái)減少非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸，控制夾雜物的尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夾雜物的數(shù)量。如NSK在采用NSK-ISD法評(píng)定夾雜物的試驗(yàn)基礎(chǔ)上確立SNRP（SANYO New Refining Process）煉鋼方法，生產(chǎn)出EP鋼。該鋼的氧含量為5×10-6左右，夾雜物分布及尺寸均勻，壽命長(zhǎng)（L10為Z鋼的5倍以上）、壽命分散性大大減小，使可靠性大大提高。

另外，除非金屬夾雜物外，粗大的碳化物同樣也是疲勞剝落的優(yōu)先源區(qū)，尤其是在高純度鋼中，其對(duì)壽命和可靠性的影響更加突出。因此，國(guó)外公司在煉鋼時(shí)采用了多種措施來(lái)改善碳化物的分布，如澆注時(shí)采用電磁攪拌、采用大尺寸的連鑄等。此外，結(jié)合鍛造，采用等溫球化退火也可進(jìn)一步細(xì)化均勻碳化物。

2.1.2 改進(jìn)合金成分提高基體強(qiáng)度

在潔凈潤(rùn)滑條件下，次表面起源的剝落也可由最大切應(yīng)力處基體的疲勞而引起。在這種情況下，延長(zhǎng)疲勞壽命的有效途徑是通過(guò)合金元素的最佳化來(lái)強(qiáng)化材料的基體，防止基體疲勞的發(fā)生。如KOYO開發(fā)的GT鋼，其是在SUJ2的基礎(chǔ)上添加Si，Ni，提高了基體強(qiáng)度、韌性，同時(shí)提高了抗回火穩(wěn)定性，在潔凈潤(rùn)滑條件下其軸承的疲勞壽命約為標(biāo)準(zhǔn)SUJ2的6倍以上。GT鋼用于制造在重載、潤(rùn)滑條件下或小型輕量化條件下使用的軸承。NSK開發(fā)的SHJ5是在GCr15的基礎(chǔ)上增加了鉻含量。

2.2 表面起源型剝落的長(zhǎng)壽命技術(shù)

表面起源型剝落主要發(fā)生在潤(rùn)滑油膜形成不充分或潤(rùn)滑劑污染的條件下，如變速系統(tǒng)軸承、輪轂軸承等。有效的方法是改善潤(rùn)滑條件，如使用能夠確保潤(rùn)滑油膜充分形成的高黏度潤(rùn)滑劑，或利用良好的密封阻止異物混入潤(rùn)滑劑，或增加潤(rùn)滑劑過(guò)濾系統(tǒng)等，使表面起源型剝落轉(zhuǎn)換為壽命較長(zhǎng)的次表面起源型剝落。但這些措施有時(shí)受到諸多限制，如增加潤(rùn)滑劑黏度意味著攪拌阻力及相應(yīng)的功耗增大，軸承安裝部位不允許設(shè)置密封或過(guò)濾裝置等。只有從材料及熱處理方面采取措施，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命化。

對(duì)于常見污染潤(rùn)滑條件下發(fā)生表面起源型剝落，其壽命的降低程度取決于表面壓痕的尺寸及邊緣的形狀。壓痕尺寸越大，邊緣曲率越小，應(yīng)力集中越大，壽命越低。提高壽命的有效途徑是減小壓痕尺寸，增大壓痕邊緣曲率。一方面可通過(guò)合金化提高基體強(qiáng)度或通過(guò)表面覆膜材料提高表面硬度，減小壓痕尺寸，但增加了材料成本和制造成本。另一方面是增加殘余奧氏體的含量，減小壓痕邊緣的應(yīng)力集中。圖6為殘余奧氏體量與壽命的關(guān)系［4］。壽命隨殘余奧氏體的增加而增加，殘余奧氏體到達(dá)30%～40%時(shí)，壽命最高。提高殘余奧氏體含量的方法有兩類：一類方法是調(diào)整GCr15鋼的合金成分或進(jìn)行特殊的淬回火熱處理，使熱處理后的軸承零件中保留一定量的穩(wěn)定的殘余奧氏體，利用易變形的殘余奧氏體降低壓痕的邊緣效應(yīng)，使起源于壓痕邊沿的表面疲勞源不易形成和擴(kuò)展。NSK的NSJ2鋼及KOYO的SH技術(shù)正是基于這一理論開發(fā)的。另一類方法是采取表面碳氮共滲處理。首先，對(duì)鋼的成分進(jìn)行調(diào)整，提高Si，Mn含量以提高殘余奧氏體的穩(wěn)定性，加入Mo以細(xì)化碳化物、碳氮化物。其次是嚴(yán)格控制滲碳或碳氮共滲工藝，使零件處理后在其表面得到較多的殘余奧氏體（約30%～35%）和大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物。一方面，大量細(xì)小的碳化物、碳氮化物可保證表面的硬度和耐磨性使壓痕不易形成；另一方面，即使形成壓痕，較多的穩(wěn)定的殘余奧氏體也可降低其邊緣效應(yīng)，阻止疲勞源的形成和擴(kuò)展?；谶@一理論，NSK，KOYO分別開發(fā)了對(duì)軸承鋼進(jìn)行碳氮共滲的UR技術(shù)及KE技術(shù)；NSK開發(fā)了采用中碳合金鋼碳氮共滲的TF系列技術(shù)（HTF，STF，NTF）。這些技術(shù)大大提高了軸承在污染潤(rùn)滑條件下的壽命，如NSK采用HTF技術(shù)生產(chǎn)的圓錐滾子軸承在污染潤(rùn)滑條件下的疲勞壽命為普通軸承的10倍。

圖6 殘余奧氏體量與表面起源型剝落壽命的關(guān)系

2.3 組織變化型剝落的長(zhǎng)壽命技術(shù)

對(duì)于常規(guī)型組織變化剝落，如采用M50類高溫用材料，則必然增加軸承的成本。提高準(zhǔn)高溫工作條件下軸承壽命的有效而廉價(jià)的途徑是在GCr15的成分基礎(chǔ)上適當(dāng)提高Cr，Si，Mo等阻止碳擴(kuò)散的元素含量，以阻止白色腐蝕區(qū)的形成來(lái)提高高溫性能。為此，NTN及KOYO分別開發(fā)了準(zhǔn)高溫軸承鋼NTJ2（SUJ2的基礎(chǔ)上提高了鉻含量），KUJ7（1.0Si，2.0Cr，0.5Mo），其在150～180℃的工作溫度下壽命、尺寸穩(wěn)定性等均優(yōu)于200℃高溫回火處理的GCr15（SUJ2）；NSK開發(fā)了SBS1（0.5 Si，0.3Mo），在130℃下L10為SUJ2的1.5～3倍。這類準(zhǔn)高溫鋼特別適合于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主軸、發(fā)電機(jī)用軸承。

對(duì)于特異型白色組織剝落，其本質(zhì)是氫致脆性，不利于潤(rùn)滑劑的分解、氫的擴(kuò)散及聚集的因素或措施均能提高壽命。主要采取的措施有：

（1）接觸面鍍鎳，利用鍍鎳膜和在滾動(dòng)接觸過(guò)程中鎳向內(nèi)部擴(kuò)散形成的富鎳層阻止氫向金屬中滲入，從而使鋼中氫含量控制在發(fā)生氫致脆性剝落的臨界氫含量Hc以下，壽命可提高4倍左右。

（2）提高鋼中鉻含量，利用鉻降低氫在鋼中的擴(kuò)散速率和在微缺陷處的聚集，原理見圖7［1］。NSK在SUJ2的成分基礎(chǔ)上適當(dāng)增加鉻含量，開發(fā)了SHJ5，在清潔脂潤(rùn)滑環(huán)境中，發(fā)生白色組織剝落的壽命為SUJ2的4倍以上。

圖7 鉻的作用機(jī)理

（3）采用特殊的碳氮共滲，一方面利用碳氮共滲在表層形成大的壓應(yīng)力，阻止氫的滲入和擴(kuò)散；另一方面利用密集細(xì)小的碳氮化物減少磨損，進(jìn)而減少新鮮的金屬表面的形成，降低金屬的催化作用，使氫不易生成。如NSK開發(fā)的含鉻較高的SHX3，施以特殊碳氮共滲（STF技術(shù)），其白色組織剝落壽命為SUJ2的10倍以上。

（4）利用其他覆膜技術(shù)，如鍍氮化鈦、離子注入等，或減少金屬的直接接觸以抑制氫的生成，或阻止氫的滲入。圖8為外圈滾道涂覆氧化物涂層的壽命試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)在滾道上形成氧化膜，避免新鮮金屬表面接觸，控制摩擦化學(xué)反應(yīng)，抑制氫的產(chǎn)生，大幅度提高壽命。

（5）在有電流或電荷存在的場(chǎng)合（如發(fā)電機(jī)軸承、電動(dòng)機(jī)軸承），一方面可采取絕緣措施，如采用陶瓷滾動(dòng)體，或在外圈外徑面上涂覆氧化鋁或樹脂，減少金屬間的接觸或阻斷電流通路，壽命明顯提高，見圖9［2］。另一方面使用加入納米碳的導(dǎo)電脂，形成通電回路，連續(xù)綜合靜電，減小內(nèi)、外圈的電位差，避免放電現(xiàn)象發(fā)生，達(dá)到限制氫產(chǎn)生的目的。其作用機(jī)理見圖10。

NSK的長(zhǎng)壽命技術(shù)如圖11所示［1］。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車中所用軸承種類較多，使用的部位及相應(yīng)的工況各異，其失效形式千變?nèi)f化，且隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和對(duì)汽車性能要求的不斷提高，軸承的工況越來(lái)越惡劣，對(duì)軸承的性能要求也越來(lái)越高、越來(lái)越多樣化。將不斷出現(xiàn)新的問(wèn)題需要去認(rèn)識(shí)、去研究和解決。每個(gè)軸承制造企業(yè)應(yīng)根據(jù)用戶的要求，針對(duì)產(chǎn)品中出現(xiàn)的問(wèn)題，尋求一套切實(shí)可行、行之有效的解決方案。

圖8 外圈滾道面涂覆氧化鋁后的壽命

圖9 采用陶瓷球后的壽命

圖10 導(dǎo)電脂的作用機(jī)理

圖11 NSK軸承長(zhǎng)壽命技術(shù)