國(guó)內(nèi)外軸承質(zhì)量對(duì)比和分析

田 沛，吳 偉

(陜西法士特汽車(chē)傳動(dòng)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119)

滾動(dòng)軸承是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)使用廣泛、要求嚴(yán)格的配套件和基礎(chǔ)件。近幾年，隨著應(yīng)用條件的不斷提高，對(duì)軸承承載能力、壽命、耐極端環(huán)境等性能也提出更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外軸承行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)差異較小。然而，針對(duì)不同使用工況的基礎(chǔ)材料性能和熱處理技術(shù)方面卻存在較大差距。在嚴(yán)苛的工況條件下，國(guó)內(nèi)部分軸承產(chǎn)品難以滿(mǎn)足實(shí)際使用性能要求，需進(jìn)口國(guó)外價(jià)格昂貴的軸承產(chǎn)品。

眾所周知，軸承的性能很大一部分取決于其材料和微觀組織結(jié)構(gòu)。因此，研究與分析國(guó)內(nèi)外軸承在材料和微觀組織上的差異性，對(duì)指導(dǎo)國(guó)內(nèi)軸承的研究與發(fā)展具有重要的意義。本文利用金相顯微鏡、硬度計(jì)、光譜儀、殘余應(yīng)力儀等測(cè)試設(shè)備，分析日本N公司軸承與國(guó)內(nèi)G公司、W公司、H公司的質(zhì)量差異，并提出部分改進(jìn)建議。

1 樣品和質(zhì)量檢測(cè)內(nèi)容與方法

1.1 比對(duì)樣品

樣品選用某款箱型用6207深溝球軸承，生產(chǎn)廠(chǎng)家分別為日本N公司和國(guó)內(nèi)G公司、H公司、W公司，對(duì)比分析軸承套圈質(zhì)量，但對(duì)滾子暫不作分析。

1.2 硬度和耐回火性能

使用洛氏硬度計(jì)檢測(cè)套圈端面的硬度，每個(gè)套圈檢測(cè)不少于5個(gè)點(diǎn)，且檢測(cè)位置均勻分布，結(jié)果取平均值。

套圈硬度檢測(cè)完成后放置烘箱內(nèi)進(jìn)行回火，回火溫度為160、200 ℃，回火時(shí)間均為2 h；回火后檢測(cè)套圈端面硬度，計(jì)算回火后硬度的下降量，用于評(píng)價(jià)耐回火性能。

1.3 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀檢測(cè)各軸承套圈的化學(xué)成分。

1.4 金相組織

沿套圈切取軸向金相試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，觀察碳化物帶狀、屈氏體、馬氏體的組織，并按標(biāo)準(zhǔn)JB/T 1255—2014要求進(jìn)行評(píng)級(jí)。

1.5 碳化物

金相試樣深腐蝕后，選擇有代表性的視場(chǎng)，放大1000倍后拍照；對(duì)金相圖片進(jìn)行二值化處理，將其中白亮的顆粒狀碳化物分離，并使用超景深三維顯微鏡的顆粒分析功能，統(tǒng)計(jì)碳化物顆粒面積占比、顆粒個(gè)數(shù)、最大尺寸及尺寸分布。

1.6 殘余應(yīng)力

采用X射線(xiàn)殘余應(yīng)力衍射儀測(cè)定軸承外圈滾道、內(nèi)圈滾道軸向和徑向的殘余應(yīng)力。軸承經(jīng)過(guò)磨削后，表面已無(wú)氧化層等異常組織，故測(cè)定殘余應(yīng)力時(shí)不需要腐蝕。

1.7 鍛造流線(xiàn)

切取軸向試樣，打磨、拋光后在50%鹽酸溶液中浸蝕約60 min，浸蝕溫度80 ℃；浸蝕后將試樣沖洗、吹干，通過(guò)肉眼或低倍顯微鏡即可觀察套圈的鍛造流線(xiàn)。

2 結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分

各公司軸承套圈的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，軸承套圈的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中GCr15特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼的要求[1]。

表1 軸承化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

比較日本N公司與國(guó)產(chǎn)軸承的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)：1)C、S、Cr等元素均在標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，四個(gè)廠(chǎng)家的差異很小，但日本N公司軸承內(nèi)、外圈的元素含量一致性較好；2)日本N公司軸承含P量較低。

GCr15鋼中的C元素用于保證軸承的硬度，C、Cr、Si、Mn等元素決定了軸承的淬透性和抗回火性能。由于使用的軸承截面尺寸較小，C、Cr等元素處于要求下限即可保證軸承的表面和心部硬度均符合要求。S為有害雜質(zhì)元素，一般認(rèn)為S元素與Mn結(jié)合生成MnS夾雜，成為疲勞源，因此軸承鋼的疲勞壽命隨著S含量的提高而降低[2]。P為鋼中的有害雜質(zhì)元素，一般認(rèn)為會(huì)降低鋼材的塑性和熱加工性能。P在軸承鋼中是否有特別的危害，目前尚無(wú)文獻(xiàn)詳細(xì)報(bào)道。

2.2 硬度和耐回火性能

四個(gè)廠(chǎng)家的軸承套圈硬度及耐回火性能見(jiàn)表2。由表2可知，軸承套圈的硬度均在60.8～63.2 HRC之間，處于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求60～65 HRC的中下限；同一廠(chǎng)家的軸承內(nèi)、外套圈硬度比較接近，最大差異僅為0.6 HRC，但日本N公司軸承的內(nèi)、外套圈硬度一致性較高；同一廠(chǎng)家的軸承套圈的硬度差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其中國(guó)內(nèi)H公司軸承外圈硬度差達(dá)到0.9 HRC，接近要求上限；日本N公司軸承的耐回火性能最佳，其次為國(guó)內(nèi)G公司；國(guó)內(nèi)H公司和W公司軸承經(jīng)200 ℃回火后硬度降低超過(guò)1.5 HRC。

表2 軸承套圈硬度及耐回火性能(HRC)

一般認(rèn)為，鋼材的硬度越高，則其接觸疲勞壽命越高。但對(duì)于軸承鋼，較高的硬度表明其馬氏體基體的碳含量高、淬火強(qiáng)度高，必然會(huì)導(dǎo)致馬氏體針狀組織粗大，韌性降低，從而使軸承疲勞性能下降[3]。因此，軸承的硬度一般控制在技術(shù)要求的中下限。同一軸承套內(nèi)、外圈的硬度差越小，說(shuō)明其質(zhì)量穩(wěn)定、性能均勻，有利于提高軸承的疲勞壽命。因此，日本N公司軸承質(zhì)量較國(guó)內(nèi)G公司、H公司和W公司高。

軸承在使用過(guò)程中，滾子和套圈摩擦產(chǎn)生熱量，軸承的整體溫度升高，組織中的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積膨脹，導(dǎo)致軸承硬度和尺寸精度發(fā)生變化。軸承再次回火硬度的變化稱(chēng)為耐回火性能，硬度降低越少，說(shuō)明軸承在較高溫度下工作時(shí)組織、尺寸穩(wěn)定，能夠保證足夠的疲勞性能。為了提高耐回火性能，在軸承生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常采用淬火后深冷處理或者高溫回火工藝來(lái)穩(wěn)定組織，稱(chēng)為穩(wěn)定化處理[4]。根據(jù)四個(gè)廠(chǎng)家的軸承耐回火性能檢測(cè)結(jié)果，推測(cè)日本N公司軸承可能進(jìn)行了深冷穩(wěn)定化處理，國(guó)內(nèi)G公司軸承可能進(jìn)行了高溫回火穩(wěn)定化處理。

2.3 殘余應(yīng)力

各軸承套圈殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，應(yīng)力值在-300～-700 MPa之間，日本N公司與國(guó)內(nèi)軸承的殘余應(yīng)力并無(wú)明顯差異。

表2 軸承套圈殘余應(yīng)力 (MPa)

軸承在工作時(shí)承受拉應(yīng)力，若表面有殘余壓應(yīng)力，則可抵消一部分工作應(yīng)力，從而顯著提高疲勞壽命。

軸承套圈的殘余壓應(yīng)力來(lái)源于軸承淬火及后續(xù)的磨削工藝、后處理工藝，其中后處理工藝包括噴丸強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化等手段，對(duì)軸承殘余壓應(yīng)力影響較大[5]。根據(jù)表3的檢測(cè)結(jié)果，各軸承的軸向和徑向殘余應(yīng)力差異均不顯著，由此可推測(cè)各軸承在制造過(guò)程中均未使用強(qiáng)化工藝。

2.4 金相組織

四個(gè)廠(chǎng)家的軸承金相組織評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，屈氏體、馬氏體及碳化物帶狀組織均控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)[6]。

表4 金相組織檢測(cè)結(jié)果

2.5 碳化物

碳化物是提高軸承耐磨性的主要組織。顆粒狀碳化物的外形較為圓滑，能減少應(yīng)力集中，提高產(chǎn)生裂紋所需的應(yīng)力和裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力，從而可減緩裂紋擴(kuò)展，提高軸承的疲勞壽命[7]。但過(guò)高的碳化物數(shù)量會(huì)使基體碳含量不足，可能會(huì)導(dǎo)致基體硬度偏低。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定碳化物的數(shù)量和尺寸，各個(gè)廠(chǎng)家主要根據(jù)自身工藝特點(diǎn)來(lái)控制碳化物數(shù)量和尺寸。

表5為各軸承碳化物數(shù)量和尺寸分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表5可知，各軸承的碳化物面積占比、顆粒數(shù)量、最大尺寸和碳化物比例均無(wú)明顯差異。此外，各軸承中也未發(fā)現(xiàn)有粗大、條狀或網(wǎng)狀碳化物。

表5 碳化物檢測(cè)結(jié)果

2.6 鍛造流線(xiàn)

四個(gè)廠(chǎng)家的軸承套圈的鍛造流線(xiàn)，如圖1所示。從圖中可以看出，日本N公司軸承套圈流線(xiàn)具有明顯的變形和回流，為鍛造變形痕跡；而國(guó)內(nèi)三家軸承套圈流線(xiàn)呈軸向平行分布，這可能是管料直接車(chē)削加工，而未經(jīng)鍛造變形所致[8]。

金屬材料在鑄坯時(shí)不可避免地會(huì)存在疏松、偏析、夾雜等缺陷，經(jīng)過(guò)鍛造變形后，材料會(huì)更加致密，疏松會(huì)減少，偏析會(huì)減輕，夾雜物破碎、尺寸減小。目前，試驗(yàn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)顯示，在常規(guī)工況條件下，與管件直接車(chē)削加工相比，軸承套圈經(jīng)鍛造加工的壽命至少會(huì)提高兩倍。

(a)N公司；(b)G公司；(c)W公司；(d)H公司圖1 軸承套圈流線(xiàn)圖(a)N company; (b) G company; (c) W company; (d) H CompanyFig.1 Streamline of bearing rings

3 結(jié)論和建議

根據(jù)上述分析和討論，日本N公司軸承與國(guó)內(nèi)軸承相比，其主要差異如下：

1)日本N公司軸承的化學(xué)成分含量一致性較好，且有害元素S、P等含量較低；

2)日本N公司軸承的耐回火性能好，經(jīng)160 ℃回火后硬度未降低，200 ℃回火后硬度降低小于1 HRC，推測(cè)日本N公司的軸承可能經(jīng)過(guò)了深冷穩(wěn)定化處理；

3)日本N公司軸承套圈為鍛造成形，國(guó)內(nèi)軸承均為管料直接車(chē)削成形。鍛造成形的套圈組織更致密，軸承的疲勞壽命會(huì)顯著提高。

建議在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，考慮產(chǎn)品價(jià)格成本的同時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況條件，有針對(duì)性考慮軸承原材料性能等級(jí)；有針對(duì)性選擇穩(wěn)定化處理工藝，以期提高軸承使用壽命。