Materialfaktoren, die die Lagerlebensdauer beeinflussen

Zu den frühen Ausfallarten von Lagern gehören hauptsächlich Rissbildung, plastische Verformung, Verschleiß, Korrosion und Ermüdung. Unter normalen Bedingungen ist ein Lagerausfall hauptsächlich auf Kontaktermüdung zurückzuführen. Neben den Betriebsbedingungen wird der Lagerausfall hauptsächlich durch die Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und den inneren Spannungszustand des Stahls begrenzt. Die Hauptursachen für Ausfälle aufgrund von Lagermaterialien sind folgende.

Inhaltsverzeichnis

Lagerstahl beeinflusst die Lagerlebensdauer

Lagerstahl (AISI 52100 und GCr15） ist einer der Hauptfaktoren, die die Lebensdauer von Lagern beeinflussen. Es nutzt hauptsächlich Materialauswahl, Materialgarantie und Wärmebehandlung, um die Verbesserung sicherzustellen Lagerleben. Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus kohlenstoffreichem Chromlagerstahl und ihre chemische Zusammensetzung bleibt nahezu unverändert. Allerdings führen unterschiedliche Schmelzmethoden zu unterschiedlicher Reinheit der Materialien, was einen großen Einfluss auf die Lebensdauer hat. Unter den gleichen Kontaktbelastungsbedingungen beträgt die Kontaktermüdungslebensdauer Keramiklager ist besser als die von Stahllagern; Bei hoher Geschwindigkeit, geringer Belastung und geringer Stoßbelastung können Keramikkugellager bevorzugt werden. Es ist ersichtlich, dass der Einfluss der Materialien auf die Ermüdungslebensdauer von Lagern sehr groß ist.

Martensitzustand von Wälzlagerstahl

Wenn die ursprüngliche Struktur von kohlenstoffreichem Chromstahl körniger Perlit ist, beeinflusst der Kohlenstoffgehalt des abgeschreckten Martensits im Niedertemperatur-Anlasszustand nach dem Abschrecken die mechanischen Eigenschaften des Stahls erheblich. Die Festigkeit und Zähigkeit liegen bei etwa 0.5 %, die Kontaktermüdungslebensdauer bei etwa 0.55 % und die Druckfestigkeit bei etwa 0.42 %. Wenn der Kohlenstoffgehalt von GCr15 Stahl vergüteter Martensit beträgt 0.5 % bis 0.56 %, wodurch die stärkste Ausfallfestigkeit und umfassende mechanische Eigenschaften erzielt werden können.

Der dabei erhaltene Martensit ist kryptokristalliner Martensit und der gemessene Kohlenstoffgehalt ist der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt. Tatsächlich ist der Kohlenstoffgehalt im Martensit innerhalb der Mikroregion nicht einheitlich. Die Kohlenstoffkonzentration in der Nähe des Karbids ist höher als die des ursprünglichen Ferrits weit entfernt vom Karbid. Daher sind die Temperaturen, bei denen die martensitische Umwandlung beginnt, unterschiedlich. Dies hemmt das Wachstum von Martensitkörnern und die Darstellung mikroskopischer Morphologie und wird zu kryptokristallinem Martensit. Es kann Mikrorisse vermeiden, die beim Abschrecken von Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt leicht auftreten, und seine Unterstruktur besteht aus Streifenmartensit mit hoher Festigkeit und Zähigkeit. Daher können Lagerteile nur dann den besten Zustand der Bruchfestigkeit erreichen, wenn beim Abschrecken von Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt kryptokristalliner Martensit mit mittlerem Kohlenstoffgehalt erhalten wird.

Restaustenit im Lagerstahl

Nach dem Abschrecken kann kohlenstoffreicher Chromstahl 8–20 % Ar (Restaustenit) enthalten. Ar in Lagerteilen hat Vor- und Nachteile. Um den besten Zustand einzustellen, sollte der Ar-Gehalt angemessen sein. Da die Ar-Menge hauptsächlich von den Austenitisierungsbedingungen beim Abschrecken und Erhitzen abhängt, beeinflusst ihre Menge auch den Kohlenstoffgehalt des abgeschreckten Martensits und die Menge an ungelösten Karbiden. Es ist schwierig, den Einfluss der Ar-Menge auf die mechanischen Eigenschaften genau wiederzugeben. Zu diesem Zweck wurden die austenitischen Bedingungen festgelegt und der austenitisierende thermische Stabilisierungsprozess verwendet, um unterschiedliche Mengen an Ar zu erhalten. Der Einfluss des Ar-Gehalts auf die Härte und Kontaktermüdungslebensdauer von GCr15-Stahl nach Abschrecken und niedriger Temperatur wurde untersucht. Mit zunehmendem Austenitgehalt nehmen die Härte und die Kontaktermüdungslebensdauer zu und nehmen nach Erreichen des Spitzenwerts wieder ab, der maximale Ar-Gehalt ist jedoch unterschiedlich. Der Härtepeak erscheint bei etwa 17 % Ar, während die Kontaktermüdungslebensdauer bei etwa 9 % liegt.

Wenn die Prüflast abnimmt, nimmt der Einfluss auf die Kontaktermüdungslebensdauer aufgrund des Anstiegs des Ar-Gehalts ab. Dies liegt daran, dass eine geringe Ar-Menge nur geringe Auswirkungen auf die Festigkeitsreduzierung hat, der Zähigkeitseffekt jedoch offensichtlich ist. Der Grund dafür ist, dass Ar bei geringer Belastung eine geringe Verformung erfährt, was nicht nur die Spannungsspitze verringert, sondern auch das verformte Ar durch Verarbeitung und spannungs-dehnungsinduzierte martensitische Umwandlung festigt. Wenn die Belastung jedoch groß ist, führt die große plastische Verformung von Ar und der Matrix zu einer lokalen Spannungskonzentration und einem Bruch, wodurch die Lebensdauer verkürzt wird. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die positive Wirkung von Ar im stabilen Zustand von Ar erfolgen muss. Bei einer spontanen Umwandlung in Martensit nimmt die Zähigkeit des Stahls stark ab und der Stahl wird versprödet.

Ungelöste Karbide im Wälzlagerstahl

Menge, Morphologie, Größe und Verteilung der ungelösten Karbide in abgeschrecktem Stahl werden nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und der ursprünglichen Struktur vor dem Abschrecken beeinflusst, sondern auch von den Austenitisierungsbedingungen. Bezüglich des Einflusses ungelöster Karbide auf die Lagerlebensdauer gibt es weniger Studien zu den Auswirkungen. Hartmetall ist eine harte und spröde Phase. Dies wirkt sich nicht nur positiv auf die Verschleißfestigkeit aus, sondern führt auch zu einer Spannungskonzentration in der Matrix während der Lastaufnahme (insbesondere, wenn das Karbid nicht kugelförmig ist) und zu Rissen, die die Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verringern. Zusätzlich zu ihrem eigenen Einfluss auf die Eigenschaften des Stahls beeinflussen die abgeschreckten ungelösten Karbide auch den Kohlenstoffgehalt und den Ar-Gehalt sowie die Verteilung des abgeschreckten Martensits und haben dadurch einen zusätzlichen Einfluss auf die Eigenschaften des Stahls.

Um den Einfluss ungelöster Karbide auf die Leistung aufzuzeigen, wurde Stahl mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten verwendet. Nach dem Abschrecken waren der Martensit-Kohlenstoffgehalt und der Ar-Gehalt gleich, der Gehalt an ungelöstem Karbid war jedoch unterschiedlich. Da Martensit nach dem Anlassen bei 150 °C den gleichen Kohlenstoffgehalt und eine höhere Härte aufweist, erhöht ein geringer Anstieg der ungelösten Karbide die Härte nicht wesentlich. Die Druckbelastung, die Festigkeit und Zähigkeit widerspiegelt, nimmt ab, aber die Kontaktermüdungslebensdauer, die empfindlich auf Spannungskonzentrationen reagiert, nimmt deutlich zu. reduzieren. Daher ist ein übermäßiges Abschrecken ungelöster Karbide schädlich für die umfassenden mechanischen Eigenschaften und die Ausfallfestigkeit von Stahl. Die entsprechende Reduzierung des Kohlenstoffgehalts von Wälzlagerstahl ist eine Möglichkeit, die Lebensdauer von Lagern zu erhöhen.

Fortschrittliche Wärmebehandlungsausrüstung von Aubearing

Neben der Menge der abgeschreckten, ungelösten Karbide, die sich auf die Materialeigenschaften auswirken, beeinflussen auch Größe, Morphologie und Verteilung die Materialeigenschaften. Um den Schaden ungelöster Karbide im Lagerstahl zu vermeiden, ist es erforderlich, dass die ungelösten Karbide klein (geringe Menge), klein (kleine Größe), gleichmäßig (der Größenunterschied ist sehr gering voneinander und gleichmäßig verteilt) sind. rund (jedes Hartmetall ist kugelförmig). Es ist darauf hinzuweisen, dass eine geringe Menge ungelöster Karbide im Lagerstahl nach dem Abschrecken nicht nur zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Verschleißfestigkeit, sondern auch zur Gewinnung von feinkörnigem Kryptomartensit erforderlich ist.

Restspannung nach dem Abschrecken und Anlassen

Lagerteile weisen nach dem Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur immer noch große innere Spannungen auf. Eigene Eigenspannungen in Teilen haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Nach der Wärmebehandlung von Wälzlagerstahl erhöht sich mit zunehmender Restdruckspannung an der Oberfläche die Ermüdungsfestigkeit des Stahls. Im Gegenteil: Wenn die Eigenspannung an der Oberfläche abnimmt, nimmt die Dauerfestigkeit des Lagerstahls ab. Dies liegt daran, dass es zu einem Ermüdungsversagen des Lagers kommt, wenn es einer übermäßigen Zugbeanspruchung ausgesetzt ist. Wenn eine große Druckspannung auf der Oberfläche verbleibt, gleicht sie die Zugspannung mit dem gleichen Wert aus, und der tatsächliche Zugspannungswert des Lagerstahls wird verringert, was zu Ermüdung führt. Wenn der Festigkeitsgrenzwert ansteigt, wenn eine große Zugspannung verbleibt an der Oberfläche überlagert sich diese mit der Zugspannungsbelastung und die tatsächliche Zugspannung des Wälzlagerstahls erhöht sich deutlich, selbst wenn der Ermüdungsfestigkeitsgrenzwert gesenkt wird. Daher ist das Belassen einer großen Druckspannung auf der Oberfläche der Lagerteile nach dem Abschrecken und Anlassen auch eine der Maßnahmen zur Verbesserung der Lebensdauer (natürlich kann eine übermäßige Restspannung zu Lagerverformungen oder sogar Rissen führen, daher sollte ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt werden). .

Verunreinigungsgehalt von Wälzlagerstahl

Zu den Verunreinigungen im Lagerstahl gehören nichtmetallische Einschlüsse und der Gehalt an schädlichen Elementen (säurelöslich). Ihre Leistungseinbußen verstärken sich oft gegenseitig. Je höher beispielsweise der Sauerstoffgehalt, desto mehr Oxideinschlüsse bilden sich. Der Einfluss von Verunreinigungen im Wälzlagerstahl auf die mechanischen Eigenschaften und die Ausfallfestigkeit von Teilen hängt von der Art, Art, Menge, Größe und Form der Verunreinigungen ab, führt jedoch in der Regel zu einer Verringerung der Zähigkeit, Plastizität und Ermüdungslebensdauer.
Mit zunehmender Größe der Einschlüsse nimmt die Ermüdungsfestigkeit ab, und je höher die Zugfestigkeit des Wälzlagerstahls ist, desto größer ist die Abnahmetendenz. Mit zunehmendem Sauerstoffgehalt im Wälzlagerstahl (Oxideinschlüsse nehmen zu) sinkt auch die Biegeermüdung und Kontaktermüdungslebensdauer unter Einwirkung hoher Beanspruchung. Daher ist es für hochbelastete Lagerteile erforderlich, den Sauerstoffgehalt des bei der Herstellung verwendeten Lagerstahls zu reduzieren. Einige Studien haben gezeigt, dass MnS-Einschlüsse in Stahl eine ellipsoide Form haben und schädliche Oxideinschlüsse umhüllen können, sodass sie weniger Einfluss auf die Verkürzung der Ermüdungslebensdauer haben und sogar vorteilhaft sein können, sodass sie sanft kontrolliert werden können.

Kontrolle der Materialfaktoren, die die Lagerlebensdauer beeinflussen

Um die oben genannten Materialfaktoren, die die Lagerlebensdauer beeinflussen, im besten Zustand zu halten, ist es zunächst notwendig, die ursprüngliche Struktur des Stahls vor dem Abschrecken zu kontrollieren. Zu den technischen Maßnahmen, die ergriffen werden können, gehören: Austenitisierung bei hoher Temperatur (1050 °C) und schnelles Abkühlen auf 630 °C, isotherme Normalisierung, um eine pseudoeutektoide Feinperlitstruktur zu erhalten, oder isotherme Behandlung bei 420 °C, um eine Bainitstruktur zu erhalten. Auch durch schnelles Glühen mit der Abwärme des Schmiedens und Walzens lässt sich ein feinkörniges Perlitgefüge erzeugen, das dafür sorgt, dass die Karbide im Stahl fein und gleichmäßig verteilt sind. Wenn die ursprüngliche Struktur in diesem Zustand durch Abschrecken und Erhitzen austenitisiert wird, aggregieren zusätzlich zu den im Austenit gelösten Karbiden auch die ungelösten Karbide zu feinen Partikeln.

Wenn die ursprüngliche Struktur im Stahl konstant ist, hängen der Kohlenstoffgehalt des abgeschreckten Martensits (d. h. der Kohlenstoffgehalt des Austenits nach dem Abschrecken und Erhitzen), die Menge des Restaustenits und die Menge der ungelösten Karbide hauptsächlich von der Abschreck- und Erwärmungstemperatur ab Haltezeit. Wenn die Abschrecktemperatur (für eine bestimmte Zeit) ansteigt, nimmt die Anzahl der ungelösten Karbide im Stahl ab (der Kohlenstoffgehalt des abgeschreckten Martensits nimmt zu), die Menge an Restaustenit nimmt zu und die Härte nimmt zunächst mit zunehmender Abschreckung zu Temperatur. Nach Erreichen des Spitzenwerts nimmt er mit steigender Temperatur ab. Bei konstanter Abschreckerwärmungstemperatur nimmt mit zunehmender Austenitisierungszeit die Menge an ungelösten Karbiden ab, die Menge an Restaustenit nimmt zu und die Härte nimmt zu. Mit zunehmender Zeit verlangsamt sich dieser Trend. Wenn die Karbide in der ursprünglichen Struktur fein sind, lösen sich die Karbide leicht in Austenit auf, so dass sich der Härtepeak nach dem Abschrecken zu einer niedrigeren Temperatur verschiebt und in einer kürzeren Austenitisierungszeit auftritt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nach dem Abschrecken von GCrI5-Stahl die optimale Strukturzusammensetzung etwa 7 % ungelöste Karbide und etwa 9 % Restaustenit beträgt (der durchschnittliche Kohlenstoffgehalt von kryptokristallinem Martensit beträgt etwa 0.55 %). Wenn darüber hinaus die Karbide in der ursprünglichen Struktur klein und gleichmäßig verteilt sind und die mikrostrukturelle Zusammensetzung auf dem oben genannten Niveau zuverlässig kontrolliert wird, ist es von Vorteil, hohe umfassende mechanische Eigenschaften zu erhalten und somit eine hohe Lebensdauer zu haben. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass beim Abschrecken, Erhitzen und Warmhalten der ursprünglichen Struktur mit fein dispergierten Karbiden die ungelösten feinen Karbide aggregieren und wachsen, wodurch sie grob wird. Daher sollte die Abschreck- und Erwärmungszeit für Lagerteile mit dieser ursprünglichen Struktur nicht zu lang sein. Durch die Verwendung eines austenitisierenden Abschreckprozesses mit schneller Erwärmung werden umfassendere mechanische Eigenschaften erzielt.

Um nach dem Abschrecken und Anlassen eine große Druckspannung auf der Oberfläche der Lagerteile zu belassen, kann beim Abschrecken und Erhitzen eine Aufkohlungs- oder Nitrierungsatmosphäre eingeführt und für kurze Zeit eine Oberflächenaufkohlung oder Nitrierung durchgeführt werden. Da der tatsächliche Kohlenstoffgehalt von Austenit beim Abschrecken und Erhitzen dieser Art von Stahl nicht hoch ist und viel niedriger ist als die im Phasendiagramm dargestellte Gleichgewichtskonzentration, kann er Kohlenstoff (oder Stickstoff) absorbieren. Wenn Austenit mehr Kohlenstoff oder Stickstoff enthält, nimmt sein Ms ab. Beim Abschrecken erfährt die Oberflächenschicht hinter der Innenschicht und dem Kern eine martensitische Umwandlung, was zu einer größeren Druckeigenspannung führt. Nachdem GCrl5-Stahl in einer aufkohlenden Atmosphäre und einer nicht aufkohlenden Atmosphäre erhitzt und abgeschreckt wurde (beide wurden bei niedriger Temperatur angelassen), zeigte der Kontaktermüdungstest, dass die Lebensdauer von oberflächenaufgekohltem Stahl 1.5-mal länger war als die von nicht aufgekohltem Stahl. Der Grund dafür ist, dass die Oberfläche aufgekohlter Teile eine große Restdruckspannung aufweist.

Fazit

Die wichtigsten Materialfaktoren und der Grad der Kontrolle, die sich auf die Lebensdauer von Wälzlagerteilen aus Chromstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt auswirken, sind:

(1) Die Karbide in der ursprünglichen Struktur des Stahls vor dem Abschrecken müssen fein und dispergiert sein. Dies kann durch eine Hochtemperatur-Austenitisierung von 630℃ oder 420℃ oder durch die Nutzung der Abwärme des Schmiedens und Walzens zum schnellen Glühen erreicht werden.

(2) Nach dem Abschrecken von GCr15-Stahl muss eine Mikrostruktur aus kryptokristallinem Martensit mit einem durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt von etwa 0.55 %, etwa 9 % Ar und etwa 7 % ungelösten Karbiden in einem gleichmäßigen und runden Zustand erhalten werden. Diese Mikrostruktur kann durch Steuerung der Abschreckerwärmungstemperatur und -zeit erreicht werden.

(3) Nachdem Teile bei niedriger Temperatur abgeschreckt und angelassen wurden, ist eine große Restdruckspannung auf der Oberfläche erforderlich, was zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit beiträgt. Während des Abschreckens und Erhitzens kann die Oberfläche kurzzeitig aufgekohlt oder nitriert werden, so dass eine große Druckspannung auf der Oberfläche verbleibt.

(4) Der zur Herstellung von Lagerteilen verwendete Stahl erfordert eine hohe Reinheit, hauptsächlich um den Gehalt an O2, N2, P, Oxiden und Phosphiden zu reduzieren. Durch Elektroschlacke-Umschmelzen, Vakuumschmelzen und andere technische Maßnahmen kann sichergestellt werden, dass der Sauerstoffgehalt des Materials ≤15PPM beträgt.