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長壽命燃機軸承鋼球表面強化技術(shù)

燃機用三點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，在使用中會偶發(fā)鋼球表面剝落，影響軸承使用壽命和可靠度。國內(nèi)燃機軸承鋼球疲勞壽命與國外有一定的差距，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。為滿足燃機軸承長壽命、高可靠性的需求，在鋼球加工時增加表面強化處理工藝。

常規(guī)進行強化處理的鋼球尺寸較小，且材料為普通軸承鋼。燃機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。故有必要對燃機軸承鋼球強化處理技術(shù)進行研究。

1、鋼球表面強化試驗

1.1 樣件

鋼球直徑為22.225mm，材料為M50鋼。

1.2 強化試驗

取2000粒鋼球，采用鋼球表面強化機進行強化試驗。通過試驗確定工藝參數(shù)為：滾筒轉(zhuǎn)速15r/min，強化時間100~ 210min。強化液（煤油和20#機油按一定比例）為100~150mL。

1.3 檢測結(jié)果

1.3.1應(yīng)力

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

1.3.2 硬度

鋼球強化前、后的表層硬度如圖2所示，強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

在某公司失效分析中心采用組織和硬度法對強化后的鋼球進行變質(zhì)層檢測，沒有明顯變質(zhì)層。

1.3.4 小結(jié)

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

2、強化工藝

通過試驗和檢測，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→表面強化處理→硬磨2→初研→補充回火→精研→穩(wěn)定→超精研→終檢→涂油包裝。并對成品鋼球進行了檢測，消除應(yīng)力處理后壓應(yīng)力僅降低約100 MPa，對強化效果影響較小。

3、疲勞壽命試驗

軸承鋼球失效屬于滾動接觸疲勞失效，采用圖3所示的方法對其壽命進行評估。測試球在一定加載力的作用下同時與4個陪試球接觸，當(dāng)主軸夾具帶動測試球高速旋轉(zhuǎn)時，4個陪試球在摩擦力的作用下隨之發(fā)生純滾動。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，強化處理的鋼球取6粒。強化前、后的鋼球疲勞壽命如圖4所示，強化后的鋼球疲勞壽命明顯提高。