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長(zhǎng)壽命燃機(jī)軸承鋼球表面強(qiáng)化技術(shù)

長(zhǎng)壽命燃機(jī)軸承鋼球表面強(qiáng)化技術(shù)


燃機(jī)用三點(diǎn)接觸球軸承承受較大的轉(zhuǎn)子軸向推力載荷,鋼球在工作中承受較高的接觸應(yīng)力和交變載荷,在使用中會(huì)偶發(fā)鋼球表面剝落,影響軸承使用壽命和可靠度。國(guó)內(nèi)燃機(jī)軸承鋼球疲勞壽命與國(guó)外有一定的差距,有必要研究如何提高鋼球抗疲勞性能。


鋼球抗疲勞性能與鋼球表面、次表面應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),鋼球表面承受最大剪切力位置在次表層,提高鋼球表層硬度,增加表面和次表面壓應(yīng)力,可以提高鋼球抗疲勞性能和耐磨性能。


鋼球表面強(qiáng)化是在鋼球表面塑性變形范圍內(nèi),采取鋼球相互碰撞的方式,使其表面發(fā)生宏觀彈性變形和微觀塑性變形,致使鋼球表層硬度提高,鋼球表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)分布。為滿足燃機(jī)軸承長(zhǎng)壽命、高可靠性的需求,在鋼球加工時(shí)增加表面強(qiáng)化處理工藝。


常規(guī)進(jìn)行強(qiáng)化處理的鋼球尺寸較小,且材料為普通軸承鋼。燃機(jī)軸承零件多選用高溫鋼和高速鋼等特殊鋼材料,且鋼球尺寸較大。故有必要對(duì)燃機(jī)軸承鋼球強(qiáng)化處理技術(shù)進(jìn)行研究。


1、鋼球表面強(qiáng)化試驗(yàn)

1.1 樣件

鋼球直徑為22.225mm,材料為M50鋼。


1.2 強(qiáng)化試驗(yàn)

取2000粒鋼球,采用鋼球表面強(qiáng)化機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)確定工藝參數(shù)為:滾筒轉(zhuǎn)速15r/min,強(qiáng)化時(shí)間100~ 210min。強(qiáng)化液(煤油和20#機(jī)油按一定比例)為100~150mL。


1.3 檢測(cè)結(jié)果

1.3.1應(yīng)力

鋼球強(qiáng)化前、后的表層應(yīng)力如圖1所示,由圖可知:1)未強(qiáng)化球的應(yīng)力峰值約為-450MPa,在距表面0.1mm處;2)強(qiáng)化2.5h球的應(yīng)力峰值為-900MPa,在距表面0.4mm處,強(qiáng)化層深度約為0.75mm;3)強(qiáng)化4h球的應(yīng)力峰值為-1100MPa,在距表面0.5 mm處,強(qiáng)化層深度約0.8mm。強(qiáng)化后的鋼球表層應(yīng)力大幅提高,且強(qiáng)化時(shí)間不同,鋼球表面應(yīng)力變化及強(qiáng)化層深度也不同。

1.3.2 硬度

鋼球強(qiáng)化前、后的表層硬度如圖2所示,強(qiáng)化后的鋼球表層硬度明顯增加,平均硬度由731HV0.1提高到785HV0.1 。

1.3.3 表面變質(zhì)層檢測(cè)

在某公司失效分析中心采用組織和硬度法對(duì)強(qiáng)化后的鋼球進(jìn)行變質(zhì)層檢測(cè),沒(méi)有明顯變質(zhì)層。


1.3.4 小結(jié)

強(qiáng)化后的鋼球表層應(yīng)力增加70%~88%,表層硬度明顯提高,表面沒(méi)有明顯變質(zhì)層。


2、強(qiáng)化工藝

通過(guò)試驗(yàn)和檢測(cè),最終確定鋼球加工工藝為:成形→退火→光球→軟磨→熱處理→硬磨1→表面強(qiáng)化處理→硬磨2→初研→補(bǔ)充回火→精研→穩(wěn)定→超精研→終檢→涂油包裝。并對(duì)成品鋼球進(jìn)行了檢測(cè),消除應(yīng)力處理后壓應(yīng)力僅降低約100 MPa,對(duì)強(qiáng)化效果影響較小。


3、疲勞壽命試驗(yàn)

軸承鋼球失效屬于滾動(dòng)接觸疲勞失效,采用圖3所示的方法對(duì)其壽命進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試球在一定加載力的作用下同時(shí)與4個(gè)陪試球接觸,當(dāng)主軸夾具帶動(dòng)測(cè)試球高速旋轉(zhuǎn)時(shí),4個(gè)陪試球在摩擦力的作用下隨之發(fā)生純滾動(dòng)。鋼球間的接觸應(yīng)力5.83GPa,主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min。普通工藝鋼球取9粒,強(qiáng)化處理的鋼球取6粒。強(qiáng)化前、后的鋼球疲勞壽命如圖4所示,強(qiáng)化后的鋼球疲勞壽命明顯提高。

4、結(jié)束語(yǔ)

采用表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)燃機(jī)軸承鋼球強(qiáng)化,并經(jīng)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證,強(qiáng)化后的鋼球疲勞試驗(yàn)壽命明顯提高,說(shuō)明了特殊材料鋼球表面強(qiáng)化技術(shù)的正確性。

(來(lái)源:《軸承》2020年11期)



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