軸承鋼高溫硬度測(cè)試探討

劉匯河，曾朝凡，仵永剛，李昭昆，宋華華，龔建勛

(1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039； 2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039；)

眾所周知，硬度是表征軸承耐磨性能的重要指標(biāo)[1]。硬度的高低對(duì)軸承的壽命有重要影響。目前，國(guó)內(nèi)的軸承標(biāo)準(zhǔn)軸承零件的硬度都做了相應(yīng)要求，但是無(wú)論熱處理時(shí)采用的回火溫度高低，軸承零件的硬度都是在室溫環(huán)境下測(cè)定。因此有必要對(duì)高溫下的軸承零件的硬度進(jìn)行測(cè)試，以確定高溫下的真實(shí)硬度，探討其對(duì)軸承額定壽命的影響。

本文符號(hào)說(shuō)明

L10：基本額定壽命；

C：基本額定動(dòng)載荷；

P：當(dāng)量動(dòng)載荷；

ε：壽命指數(shù)(球軸承為3、滾子軸承為3.33)

fH：硬度系數(shù)；

CH：經(jīng)硬度修正后的額定動(dòng)載荷；

1 軸承材料選擇

目前，制造軸承所用的材料主要包含高碳鉻軸承鋼、高溫軸承鋼、高碳鉻不銹鋼以及滲碳鋼等類(lèi)型。本次測(cè)試主要選用三種材料，高碳鉻軸承鋼GCr15和GCr15SiMn，高溫軸承鋼8Cr4Mo4V，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2 測(cè)試儀器、測(cè)試條件及試樣要求

用意大利AFFRI公司生產(chǎn)的WIKI 200JS SPECIAL高溫硬度計(jì)測(cè)試高溫硬度。該儀器采用特有的電子閉環(huán)加載系統(tǒng)，加載精度高，精確到0.1 HRC，加載力平穩(wěn)。測(cè)試試樣放置在爐內(nèi)加熱，最高溫度可以達(dá)1000 ℃，加熱時(shí)通入氬氣保護(hù)，防止試樣氧化。高溫硬度計(jì)形貌見(jiàn)圖1。

表1 三種材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 WIKI 200JS SPECIAL高溫硬度計(jì)

三種材料的測(cè)試溫度范圍為150～600 ℃，每隔50 ℃至少測(cè)試3個(gè)點(diǎn)的硬度。具體測(cè)試條件見(jiàn)表2。測(cè)試試樣需進(jìn)行熱處理，熱處理工藝見(jiàn)表3。

表2 測(cè)試條件

表3 熱處理工藝

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果顯示，隨著溫度的上升，三種軸承材料的硬度值逐漸下降。比較來(lái)看，高溫軸承鋼8Cr4Mo4V含有較高的Cr、Mo、V等強(qiáng)碳化物形成元素，經(jīng)高溫奧氏體化淬火后在540 ℃回火產(chǎn)生二次硬化，提高了鋼的熱強(qiáng)性和紅硬性[2-3]，300 ℃時(shí)還能保持58 HRC的硬度值，耐高溫性能明顯優(yōu)于GCr15和GCr15SiMn，硬度曲線見(jiàn)圖2。

表4 三種材料硬度值(HRC)

圖2 硬度變化曲線

圖3 國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)對(duì)比

與資料[4]顯示的國(guó)外M50鋼的高溫硬度相比，本次測(cè)試的國(guó)內(nèi)軸承材料8Cr4Mo4V鋼的高溫硬度值相對(duì)低一些，見(jiàn)圖3。上述情況可能和材料差異及熱處理工藝有關(guān)。

3.2 硬度變化對(duì)額定壽命變化影響

根據(jù)《GB/T 6391 滾動(dòng)軸承額定動(dòng)載荷和額定壽命》標(biāo)準(zhǔn)，軸承的額定壽命按式(1)計(jì)算。

L10=(C/P)ε

(1)

當(dāng)零件的表面硬度因某種原因發(fā)生變化時(shí)，需要引入硬度系數(shù)fH，修正后的基本額定動(dòng)載荷按式(2)和(3)計(jì)算[5]：

CH=fH·C

(2)

fH=(實(shí)際硬度/58 HRC)ε

(3)

根據(jù)式(3)代入實(shí)際硬度，計(jì)算出硬度系數(shù)。以球軸承為例，使用計(jì)算出的硬度系數(shù)代入式(2)計(jì)算出修正后的額定壽命和計(jì)算額定壽命的百分比。硬度高于58 HRC視為全壽命。壽命百分比和變化曲線分別見(jiàn)表5和圖4。高溫軸承鋼8Cr4Mo4V在高溫下能保持較高的硬度，其高溫下的額定壽命也明顯優(yōu)于GCr15和GCr15SiMn。

圖4 壽命百分比曲線

表5 壽命百分比

4 結(jié)果和討論

經(jīng)過(guò)對(duì)上述三種軸承材料的高溫硬度的測(cè)試及壽命計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1)三種軸承的硬度隨溫度上升逐漸降低，8Cr4Mo4V的高溫硬度優(yōu)于GCr15和GCr15SiMn；

2)同國(guó)外M50鋼高溫硬度相比，8Cr4Mo4V鋼的高溫硬度整體略低，可能與材料和熱處理工藝不同有關(guān)；

3)通過(guò)計(jì)算得出，8Cr4Mo4V鋼在300 ℃環(huán)境下還能保持全壽命。

4)本次測(cè)試建立了部分軸承材料的高溫硬度數(shù)據(jù)庫(kù)，后續(xù)將進(jìn)行更大樣本的測(cè)試，優(yōu)化完善高溫硬度數(shù)據(jù)庫(kù)。