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Factores materiales que afectan la vida útil del rodamiento
Los primeros modos de falla de los rodamientos incluyen principalmente agrietamiento, deformación plástica, desgaste, corrosión y fatiga. En condiciones normales, la falla de los rodamientos se debe principalmente a la fatiga del contacto. Además de las condiciones de servicio, la falla de los rodamientos está restringida principalmente por la dureza, resistencia, tenacidad, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión y estado de tensión interna del acero. Los principales factores que causan fallas debido a los materiales de los rodamientos son los siguientes.
El acero para rodamientos afecta la vida útil del rodamiento
Acero para rodamientos (AISI 52100 y GCr15） es uno de los principales factores que afecta la vida útil de los rodamientos. Utiliza principalmente selección de materiales, garantía de materiales y tratamiento térmico para garantizar la mejora de vida del rodamiento. Los rodamientos generalmente están hechos de acero para rodamientos con alto contenido de carbono y su composición química permanece casi sin cambios. Sin embargo, los diferentes métodos de fundición dan lugar a diferentes purezas de los materiales, lo que tiene un gran impacto en la vida útil. Bajo las mismas condiciones de tensión de contacto, la vida de fatiga de contacto de rodamientos cerámicos es mejor que el de los rodamientos de acero; en el caso de alta velocidad, carga ligera y carga de impacto pequeña, se pueden preferir los rodamientos de bolas cerámicos. Se puede observar que el impacto de los materiales sobre la vida a fatiga de los rodamientos es muy significativo.
Estado martensita del acero para rodamientos.
Cuando la estructura original del acero al cromo con alto contenido de carbono es perlita granular, en el estado de templado a baja temperatura después del temple, el contenido de carbono de la martensita templada afectará significativamente las propiedades mecánicas del acero. La resistencia y la tenacidad son de alrededor del 0.5%, la vida útil de la fatiga por contacto es de alrededor del 0.55% y la resistencia al aplastamiento es de alrededor del 0.42%. Cuando el contenido de carbono de GCr15 La martensita templada de acero es de 0.5% ~ 0.56%, se pueden obtener propiedades mecánicas integrales con la mayor resistencia a fallas.
La martensita obtenida en este caso es martensita criptocristalina y el contenido de carbono medido es el contenido de carbono medio. De hecho, el contenido de carbono en la martensita no es uniforme dentro de la microrregión. La concentración de carbono cerca del carburo es mayor que la de la ferrita original lejos del carburo. Por tanto, las temperaturas a las que comienzan a sufrir la transformación martensítica son diferentes. Esto inhibe el crecimiento de los granos de martensita y la visualización de la morfología microscópica y se convierte en martensita criptocristalina. Puede evitar las microfisuras que se producen fácilmente cuando se templa el acero con alto contenido de carbono y su subestructura es una tira de martensita con alta resistencia y tenacidad. Por lo tanto, sólo cuando se obtiene martensita criptocristalina de medio carbono durante el enfriamiento de acero con alto contenido de carbono, las piezas del rodamiento pueden alcanzar el mejor estado de resistencia a fallas.
Austenita residual en acero para rodamientos.
Después del templado, el acero al cromo con alto contenido de carbono puede contener entre un 8% y un 20% de Ar (austenita retenida). Ar en piezas de rodamientos tiene ventajas y desventajas. Para ajustarse a las mejores condiciones, el contenido de Ar debe ser apropiado. Dado que la cantidad de Ar está relacionada principalmente con las condiciones de austenitización de enfriamiento y calentamiento, su cantidad también afectará el contenido de carbono de la martensita apagada y la cantidad de carburos no disueltos. Es difícil reflejar con precisión el impacto de la cantidad de Ar en las propiedades mecánicas. Para ello se fijaron las condiciones austeníticas y se utilizó el proceso de estabilización térmica austenitizante para obtener diferentes cantidades de Ar. Se estudió el efecto del contenido de Ar sobre la dureza y la vida a fatiga por contacto del acero GCr15 después del temple y baja temperatura. A medida que aumenta el contenido de austenita, la dureza y la fatiga de contacto aumentan y luego disminuyen después de alcanzar el pico, pero el contenido máximo de Ar es diferente. El pico de dureza aparece en aproximadamente el 17% de Ar, mientras que la vida de fatiga por contacto El pico se produce en alrededor del 9%.
Cuando la carga de prueba disminuye, disminuye el impacto en la vida de fatiga del contacto debido al aumento en el contenido de Ar. Esto se debe a que cuando la cantidad de Ar es pequeña, tiene poco efecto sobre la reducción de la resistencia, pero el efecto de endurecimiento es obvio. La razón es que cuando la carga es pequeña, Ar sufre una pequeña cantidad de deformación, lo que no solo reduce el pico de tensión, sino que también fortalece el Ar deformado mediante el procesamiento y la transformación martensítica inducida por tensión-deformación. Sin embargo, si la carga es grande, la gran deformación plástica del Ar y la matriz provocará concentración de tensión local y ruptura, reduciendo así la vida útil. Cabe señalar que el efecto beneficioso de Ar debe darse en el estado estable de Ar. Si se transforma espontáneamente en martensita, la tenacidad del acero se reducirá drásticamente y el acero se volverá quebradizo.
Carburos no disueltos en acero para rodamientos.
La cantidad, morfología, tamaño y distribución de los carburos no disueltos en el acero templado se ven afectados no sólo por la composición química del acero y la estructura original antes del templado, sino también por las condiciones de austenitización. En cuanto al impacto de los carburos no disueltos en la vida útil de los rodamientos, existen menos estudios sobre el impacto. El carburo es una fase dura y quebradiza. Además de ser beneficioso para la resistencia al desgaste, provocará una concentración de tensiones en la matriz durante la carga (especialmente si el carburo no es esférico) y provocará grietas, lo que reducirá la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Además de su propio impacto en las propiedades del acero, los carburos templados no disueltos también afectan el contenido de carbono y el contenido de Ar y la distribución de la martensita templada, teniendo así un impacto adicional en las propiedades del acero.
Para revelar el impacto de los carburos no disueltos en el rendimiento, se utilizó acero con diferentes contenidos de carbono. Después del enfriamiento, el contenido de carbono de martensita y el contenido de Ar fueron los mismos pero el contenido de carburo no disuelto fue diferente. Después de templar a 150°C, dado que la martensita tiene el mismo contenido de carbono y mayor dureza, un pequeño aumento de carburos no disueltos no aumentará mucho la dureza. La carga de presión que refleja la resistencia y la tenacidad disminuirá, pero la vida de fatiga por contacto, que es sensible a la concentración de tensión, aumentará significativamente. reducir. Por lo tanto, el enfriamiento excesivo de carburos no disueltos es perjudicial para las propiedades mecánicas integrales y la resistencia a fallas del acero. Reducir adecuadamente el contenido de carbono del acero para rodamientos es una de las formas de aumentar la vida útil de los rodamientos.
Equipos avanzados de tratamiento térmico de Aubearing
Además de que la cantidad de carburos templados no disueltos afecta las propiedades del material, el tamaño, la morfología y la distribución también afectan las propiedades del material. Para evitar el daño de los carburos no disueltos en el acero para rodamientos, se requiere que los carburos no disueltos sean pequeños (pequeña cantidad), pequeños (tamaño pequeño), uniformes (la diferencia de tamaño es muy pequeña entre sí y están distribuidos uniformemente), redondo (cada carburo es esférico). Cabe señalar que una pequeña cantidad de carburos no disueltos en el acero para rodamientos después del templado es necesaria no sólo para mantener suficiente resistencia al desgaste, sino también para obtener criptomartensita de grano fino.
Tensión residual después del templado y revenido.
Las piezas de los rodamientos todavía tienen una gran tensión interna después del temple y revenido a baja temperatura. La tensión interna residual en las piezas tiene ventajas y desventajas. Después del tratamiento térmico del acero para rodamientos, a medida que aumenta la tensión de compresión residual en la superficie, aumenta la resistencia a la fatiga del acero. Por el contrario, cuando disminuye la tensión interna residual sobre la superficie, disminuye la resistencia a la fatiga del acero del soporte. Esto se debe a que la falla por fatiga del rodamiento ocurre cuando se somete a un esfuerzo de tracción excesivo. Cuando permanece una gran tensión de compresión en la superficie, compensará la tensión de tracción del mismo valor y el valor real de la tensión de tracción del acero del soporte se reducirá, causando fatiga Cuando el valor límite de resistencia aumenta, cuando permanece una gran tensión de tracción en la superficie, se superpondrá a la carga de tensión de tracción y la tensión de tracción real del acero del soporte aumentará significativamente, incluso si se reduce el valor límite de resistencia a la fatiga. Por lo tanto, dejar una gran tensión de compresión en la superficie de las piezas del rodamiento después del templado y revenido también es una de las medidas para mejorar la vida útil (por supuesto, una tensión residual excesiva puede causar deformación o incluso agrietamiento del rodamiento, por lo que se debe prestar suficiente atención). .
Contenido de impurezas del acero para rodamientos.
Las impurezas en el acero para rodamientos incluyen inclusiones no metálicas y contenido de elementos nocivos (solubles en ácido). Su daño al desempeño a menudo se refuerza mutuamente. Por ejemplo, cuanto mayor es el contenido de oxígeno, más aparecen las inclusiones de óxido. El impacto de las impurezas en el acero para rodamientos sobre las propiedades mecánicas y la resistencia a fallas de las piezas está relacionado con el tipo, naturaleza, cantidad, tamaño y forma de las impurezas, pero generalmente tiene el efecto de reducir la tenacidad, la plasticidad y la vida a fatiga.
A medida que aumenta el tamaño de las inclusiones, la resistencia a la fatiga disminuye y cuanto mayor es la resistencia a la tracción del acero para rodamientos, mayor es la tendencia a la disminución. A medida que aumenta el contenido de oxígeno en el acero para rodamientos (aumentan las inclusiones de óxido), la fatiga por flexión y la vida útil de la fatiga por contacto también disminuyen bajo la acción de una tensión elevada. Por lo tanto, para piezas de rodamientos que funcionan bajo tensión elevada, es necesario reducir el contenido de oxígeno del acero del rodamiento utilizado en la fabricación. Algunos estudios han demostrado que las inclusiones de MnS en el acero tienen forma elipsoidal y pueden envolver inclusiones de óxido dañinas, por lo que tienen menos impacto en la reducción de la vida a fatiga e incluso pueden ser beneficiosas, por lo que pueden controlarse con indulgencia.
Control de factores materiales que afectan la vida útil del rodamiento.
Para mantener en el mejor estado los factores materiales mencionados anteriormente que afectan la vida útil del rodamiento, primero es necesario controlar la estructura original del acero antes del templado. Las medidas técnicas que se pueden tomar incluyen: austenitización a alta temperatura (1050°C) y enfriamiento rápido a 630°C, normalización isotérmica para obtener una estructura de perlita fina pseudo eutectoide, o tratamiento isotérmico a 420°C para obtener una estructura de bainita. También se puede utilizar el recocido rápido utilizando el calor residual de la forja y el laminado para obtener una estructura de perlita de grano fino para garantizar que los carburos del acero estén finos y distribuidos uniformemente. Cuando la estructura original en este estado se austeniza mediante enfriamiento y calentamiento, además de los carburos disueltos en la austenita, los carburos no disueltos se agregarán en partículas finas.
Cuando la estructura original del acero es constante, el contenido de carbono de la martensita templada (es decir, el contenido de carbono de la austenita después del temple y calentamiento), la cantidad de austenita retenida y la cantidad de carburos no disueltos dependen principalmente de la temperatura de calentamiento del temple y tiempo de espera. , a medida que aumenta la temperatura de calentamiento de enfriamiento (durante un cierto tiempo), la cantidad de carburos no disueltos en el acero disminuye (el contenido de carbono de la martensita enfriada aumenta), la cantidad de austenita retenida aumenta y la dureza primero aumenta con el aumento del enfriamiento temperatura. Después de alcanzar el valor máximo, disminuye a medida que aumenta la temperatura. Cuando la temperatura de calentamiento y enfriamiento es constante, a medida que aumenta el tiempo de austenitización, disminuye la cantidad de carburos no disueltos, aumenta la cantidad de austenita retenida y aumenta la dureza. Cuando el tiempo es más largo, esta tendencia se desacelera. Cuando los carburos en la estructura original están bien, los carburos son fáciles de disolver en austenita, por lo que el pico de dureza después del enfriamiento se mueve a una temperatura más baja y aparece en un tiempo de austenitización más corto.
En resumen, después de templar el acero GCrI5, la composición estructural óptima es aproximadamente un 7% de carburos no disueltos y aproximadamente un 9% de austenita retenida (el contenido promedio de carbono de la martensita criptocristalina es aproximadamente 0.55%). Además, cuando los carburos en la estructura original son pequeños y están distribuidos uniformemente, cuando la composición microestructural en el nivel anterior se controla de manera confiable, es beneficioso obtener propiedades mecánicas integrales altas y, por lo tanto, tener una vida útil alta. Cabe señalar que cuando la estructura original con carburos finos dispersos se enfría, calienta y mantiene caliente, los carburos finos no disueltos se agregarán y crecerán, volviéndolos gruesos. Por lo tanto, el tiempo de enfriamiento y calentamiento de las piezas de soporte con esta estructura original no debería ser demasiado largo. El uso de un proceso de enfriamiento y austenización por calentamiento rápido logrará propiedades mecánicas integrales más altas.
Para dejar una gran tensión de compresión en la superficie de las piezas del cojinete después del templado y revenido, se puede introducir una atmósfera de cementación o nitruración durante el templado y el calentamiento, y se puede llevar a cabo la cementación o nitruración de la superficie durante un corto período de tiempo. Dado que el contenido real de carbono de la austenita no es alto cuando este tipo de acero se enfría y calienta, que es mucho menor que la concentración de equilibrio que se muestra en el diagrama de fases, puede absorber carbono (o nitrógeno). Cuando la austenita contiene más carbono o nitrógeno, su Ms disminuye. Durante el enfriamiento, la capa superficial sufre una transformación martensítica detrás de la capa interna y el núcleo, lo que resulta en una mayor tensión de compresión residual. Después de calentar y enfriar el acero GCrl5 en una atmósfera cementada y no cementada (ambas fueron templadas a baja temperatura), la prueba de fatiga de contacto mostró que la vida útil del acero cementado superficialmente era 1.5 veces más larga que la del acero no cementado. La razón es que la superficie de las piezas carburadas tiene una gran tensión de compresión residual.
Conclusión
Los principales factores materiales y el grado de control que afectan la vida útil de las piezas de rodamientos de acero con alto contenido de cromo y carbono son:
(1) Se requiere que los carburos en la estructura original del acero antes del templado estén finos y dispersos. Se puede lograr mediante austenitización a alta temperatura de 630 ℃ o 420 ℃, o utilizando el calor residual de la forja y laminación para un recocido rápido.
(2) Después de templar el acero GCr15, se requiere obtener una microestructura de martensita criptocristalina con un contenido de carbono promedio de aproximadamente 0.55 %, aproximadamente 9 % de Ar y aproximadamente 7 % de carburos sin disolver en un estado uniforme y redondo. Esta microestructura se puede obtener controlando la temperatura y el tiempo de calentamiento de enfriamiento.
(3) Después de que las piezas se enfrían y revenen a baja temperatura, se requiere una gran tensión de compresión residual en la superficie, lo que ayuda a mejorar la resistencia a la fatiga. La superficie puede carburarse o nitrurarse durante un corto período de tiempo durante el enfriamiento y el calentamiento, de modo que permanezca una gran tensión de compresión en la superficie.
(4) El acero utilizado para fabricar piezas de rodamientos requiere una gran pureza, principalmente para reducir el contenido de O2, N2, P, óxidos y fosfuros. Se pueden utilizar refundición por electroescoria, fundición al vacío y otras medidas técnicas para garantizar que el contenido de oxígeno del material sea ≤15PPM.