ベアリングの寿命に影響を与える材料要因

ベアリングの寿命に影響を与える材料要因

ベアリングの初期故障モードには、主に亀裂、塑性変形、摩耗、腐食、疲労が含まれます。 通常の状態では、ベアリングの故障は主に接触疲労が原因です。 使用条件に加えて、ベアリングの故障は主に鋼の硬度、強度、靱性、耐摩耗性、耐食性、内部応力状態によって制限されます。 軸受の材質による故障の主な要因は以下のとおりです。

軸受鋼は軸受の寿命に影響を与える

軸受鋼(AISI 52100 & GCr15)はベアリングの寿命に影響を与える主な要因の一つです。 主に材料の選択、材料保証、熱処理を使用して、品質の向上を保証します。 ベアリングの寿命。 転がり軸受は一般に高炭素クロム軸受鋼で作られており、その化学組成はほとんど変化しません。 ただし、製錬方法が異なると材料の純度も異なり、寿命に大きな影響を与えます。 同じ接触応力条件下では、接触疲労寿命は セラミックベアリング スチールベアリングよりも優れています。 高速、軽荷重、小さな衝撃荷重の場合には、セラミックボールベアリングが適しています。 ベアリングの疲労寿命に対する材料の影響は非常に大きいことがわかります。

AISI-52100-軸受鋼

軸受鋼のマルテンサイト状態

高炭素クロム鋼の元の組織が粒状パーライトである場合、焼入れ後の低温焼戻し状態では、焼入れマルテンサイトの炭素量が鋼の機械的性質に大きな影響を与えます。 強度と靱性は約0.5%、接触疲労寿命は約0.55%、耐圧壊性は約0.42%です。 炭素含有量が GCr15 鋼の焼入れマルテンサイトは0.5%〜0.56%であり、最も強力な耐破壊性が得られ、総合的な機械的特性が得られます。

この場合に得られるマルテンサイトは隠微結晶マルテンサイトであり、測定された炭素含有量は平均炭素含有量である。 実際、マルテンサイトの炭素含有量はミクロ領域内で均一ではありません。 炭化物に近い炭素濃度は、炭化物から遠く離れた元のフェライトの炭素濃度よりも高くなります。 したがって、マルテンサイト変態が始まる温度が異なります。 これにより、マルテンサイト粒子の成長と顕微鏡的形態の表示が阻害され、隠微結晶マルテンサイトになります。 高炭素鋼の焼入れ時に発生しやすい微小亀裂を回避でき、その基礎組織は強度と靭性に優れた帯状マルテンサイトです。 したがって、高炭素鋼の焼入れ中に中炭素の隠微結晶マルテンサイトが得られた場合にのみ、軸受部品は最高の耐破損性状態を達成することができます。

軸受鋼のマルテンサイト状態

軸受鋼の残留オーステナイト

高炭素クロム鋼は焼入れ後、8%~20%のAr(残留オーステナイト)を含むことがあります。 軸受部品のArにはメリットとデメリットがあります。 最良の状態に調整するには、Ar 含有量を適切にする必要があります。 Arの量は主に焼入れと加熱のオーステナイト化条件に関係するため、その量は焼入れマルテンサイトの炭素量や未溶解炭化物の量にも影響します。 Ar 量が機械的特性に与える影響を正確に反映することは困難です。 この目的を達成するために、オーステナイト条件を固定し、オーステナイト化熱安定化プロセスを使用してさまざまな量の Ar を取得しました。 焼入れおよび低温後のGCr15鋼の硬度および接触疲労寿命に及ぼすAr含有量の影響を研究した。 オーステナイト含有量が増加すると硬度と接触疲労寿命は増加し、ピークに達した後は減少しますが、ピークのAr含有量は異なります。 硬度のピークはAr 17%付近に現れ、接触疲労寿命のピークはAr 9%付近に現れます。

軸受鋼の残留オーステナイト

試験荷重が減少すると、Ar 含有量の増加による接触疲労寿命への影響が減少します。これは、Ar量が少ないと強度低下への影響は少ないが、強化効果は明ら​​かだからである。その理由は、荷重が小さい場合、Ar はわずかな変形を受け、応力ピークが減少するだけでなく、加工と応力ひずみ誘起マルテンサイト変態によって変形した Ar が強化されるためです。しかし、荷重が大きいとArや母材の大きな塑性変形により局部的な応力集中が生じ、破壊が起こり寿命が低下します。 Ar の有益な効果は Ar の安定状態ででなければならないことに注意してください。自然にマルテンサイトに変態すると、鋼の靭性が急激に低下し、鋼が脆化します。

軸受鋼中の未溶解炭化物

焼入れされた鋼中の未溶解炭化物の量、形態、サイズおよび分布は、鋼の化学組成および焼入れ前の元の組織だけでなく、オーステナイト化条件にも影響されます。 未溶解炭化物が軸受寿命に及ぼす影響については、研究例が少ない。 炭化物は硬くて脆い相です。 耐摩耗性に有利であることに加えて、荷重負荷中に母材に応力集中を引き起こし(特に炭化物が非球状の場合)、亀裂を発生させ、靱性と耐疲労性を低下させます。 鋼の特性に対するそれ自体の影響に加えて、焼入れされた未溶解炭化物は、炭素含有量、Ar 含有量、および焼入れマルテンサイトの分布にも影響を及ぼし、それによって鋼の特性にさらなる影響を及ぼします。

軸受鋼中の未溶解炭化物

未溶解炭化物の性能への影響を明らかにするために、異なる炭素含有量の鋼が使用されました。 焼入れ後のマルテンサイト炭素量とAr量は同じであったが、未溶解炭化物量は異なっていた。 150℃で焼戻し後、マルテンサイトは炭素含有量が同じで硬度が高いため、未溶解炭化物が多少増加しても硬度はあまり上昇しません。 強度と靭性を反映する圧力荷重は減少しますが、応力集中に敏感な接触疲労寿命は大幅に増加します。 減らす。 したがって、過剰な焼入れ未溶解炭化物は、鋼の総合的な機械的特性と耐破壊性に対して有害です。 軸受鋼の炭素含有量を適切に低減することは、軸受の寿命を延ばす方法の XNUMX つです。

暑さ対策
ベアリング原材料
熱処理1

Aubearing の高度な熱処理装置

材料特性に影響を与える焼入れ未溶解炭化物の量に加えて、サイズ、形態、および分布も材料特性に影響を与えます。 軸受鋼中の未溶解炭化物の害を避けるためには、未溶解炭化物が少ない(量が少ない)、小さい(サイズが小さい)、均一(サイズの差が非常に小さく、均一に分布している)であることが必要です。丸い(各炭化物は球状です)。 焼入れ後の軸受鋼中の少量の未溶解炭化物は、十分な耐摩耗性を維持するだけでなく、細粒のクリプトマルテンサイトを得るために必要であることを指摘しておく必要がある。

焼入れ焼戻し後の残留応力

軸受部品は、焼入れおよび低温焼戻し後も大きな内部応力が残っています。 部品の残留内部応力にはメリットとデメリットの両方があります。 軸受鋼の熱処理後、表面の残留圧縮応力が増加すると、鋼の疲労強度が増加します。 逆に、表面の残留内部応力が減少すると、軸受鋼の疲労強度は低下します。 これは、軸受に過度の引張応力がかかると疲労破壊が発生するためです。 表面に大きな圧縮応力が残ると、同じ値の引張応力と相殺され、実際の軸受鋼の引張応力値が低下して疲労が発生します 強度限界値が大きくなると、大きな引張応力が残ると表面上には引張応力荷重が重畳され、たとえ疲労強度限界値が低下したとしても、実際の軸受鋼の引張応力は大幅に増加します。 したがって、焼入れ・焼戻し後に軸受部品の表面に大きな圧縮応力を残しておくことも寿命向上対策の一つです(もちろん、過剰な残留応力は軸受の変形やクラックの原因となることがありますので、十分な注意が必要です)。 。

軸受鋼の不純物含有量

軸受鋼中の不純物には、非金属介在物や有害元素(酸可溶性)成分が含まれます。それらによるパフォーマンスへの悪影響は、しばしば相互に強化されます。たとえば、酸素含有量が高くなると、酸化物が含まれます。軸受鋼中の不純物が部品の機械的特性や耐破損性に及ぼす影響は、不純物の種類、性質、量、サイズ、形状に関係しますが、通常は靱性、可塑性、疲労寿命を低下させる影響があります。
介在物が大きくなると疲労強度は低下し、軸受鋼の引張強さが高くなるほど低下する傾向が大きくなります。軸受鋼の酸素含有量が増加すると(酸化物介在物が増加すると)、高応力の作用下では曲げ疲労寿命と接触疲労寿命も低下します。したがって、高応力下で動作する軸受部品の場合、製造時に使用される軸受鋼の酸素含有量を低減する必要があります。いくつかの研究では、鋼中の MnS 介在物は楕円体の形状をしており、有害な酸化物介在物を包み込むことができるため、疲労寿命の短縮に与える影響が少なく、むしろ有益である可能性があるため、寛大に制御できることが示されています。

軸受鋼の不純物含有量

軸受の寿命に影響を与える材料要因の制御

軸受の寿命に影響を与える上記の材料要因を最良の状態に保つためには、まず焼入れ前の鋼の元の組織を制御する必要があります。 技術的手段としては、高温(1050℃)でのオーステナイト化と630℃までの等温焼ならしにより擬似共析微細パーライト組織を得たり、420℃で等温処理してベイナイト組織を得たりすることが挙げられる。 鍛造と圧延の廃熱を利用した急速焼きなましを使用して、細粒パーライト構造を取得し、鋼中の炭化物が細かく均一に分布していることを確認することもできます。 この状態の元の組織を焼入れ加熱によりオーステナイト化すると、オーステナイト中に固溶した炭化物に加え、未固溶の炭化物が凝集して微細な粒子となる。

鋼中の元の組織が一定である場合、焼入れマルテンサイトの炭素量(つまり、焼入れ加熱後のオーステナイトの炭素量)、残留オーステナイト量、未溶解炭化物の量は主に焼入れ加熱温度と、待ち時間。 、焼入れ加熱温度が高くなると(一定時間)、鋼中の未溶解炭化物が減少し(焼入れマルテンサイトの炭素量が増加し)、残留オーステナイト量が増加し、焼入れの増加とともに硬さがまず増加します。温度。 ピーク値に達した後は、温度が上昇するにつれて減少します。 焼入れ加熱温度が一定の場合、オーステナイト化時間が長くなるにつれて未溶解炭化物量が減少し、残留オーステナイト量が増加して硬さが増加する。 時間が長くなると、この傾向は鈍化します。 元の組織の炭化物が微細であると、炭化物がオーステナイトに固溶しやすいため、焼入れ後の硬さのピークは低温に移動し、より短いオーステナイト化時間で現れます。

新しい約5

要約すると、GCrI5 鋼の焼入れ後の最適な構造組成は、約 7% の未溶解炭化物と約 9% の残留オーステナイトです (隠微結晶マルテンサイトの平均炭素含有量は約 0.55%)。 さらに、元の構造の炭化物が小さく均一に分布している場合、上記のレベルの微細構造組成が確実に制御されている場合、高い総合的な機械的特性が得られるため、長い耐用年数が得られます。 なお、微細な炭化物が分散した元の組織を焼入れ、加熱、保温すると、未溶解の微細な炭化物が凝集・成長して粗大化する。 したがって、この独自の構造を持つ軸受部品の焼き入れおよび加熱時間は長くなりすぎてはなりません。 急速加熱オーステナイト焼入れプロセスを使用すると、より総合的な機械的特性が得られます。

焼入れ・焼戻し後の軸受部品の表面に大きな圧縮応力を残すために、焼入れ・加熱時に浸炭または窒化雰囲気を導入し、短時間で表面浸炭または窒化を行うことができます。 この種の鋼が焼入れされて加熱されるときのオーステナイトの実際の炭素含有量は高くなく、状態図に示される平衡濃度よりもはるかに低いため、炭素(または窒素)を吸収する可能性があります。 オーステナイトに多くの炭素または窒素が含まれると、その Ms は減少します。 焼入れ中に、内層とコアの背後で表層がマルテンサイト変態を受け、その結果、より大きな残留圧縮応力が発生します。 GCrl5鋼を浸炭雰囲気と非浸炭雰囲気で加熱焼入れ(いずれも低温焼戻し)した後の接触疲労試験の結果、表面浸炭鋼の寿命は非浸炭鋼の1.5倍であることがわかりました。 その理由は、浸炭部品の表面には大きな残留圧縮応力が存在するためです。

要約

高炭素クロム鋼転がり軸受部品の耐用年数に影響を与える主な材料要因と制御の程度は次のとおりです。

(1)焼入れ前の鋼本来の組織中の炭化物は微細かつ分散していることが必要である。 これは、1℃または630℃の高温オーステナイト化を使用するか、鍛造および圧延の廃熱を利用して急速焼鈍することによって達成できます。

(2)GCr15鋼を焼入れした後、平均炭素含有量約0.55%、Ar約9%、未溶解炭化物約7%の均一で丸い状態の隠微結晶マルテンサイトの微細組織を得る必要がある。 このような組織は、焼入れ加熱の温度と時間を制御することにより得ることができる。

(3) 部品を低温で焼き入れ焼き戻しした後は、表面に大きな残留圧縮応力が必要となり、耐疲労性の向上に役立ちます。 焼入れ加熱時に短時間で表面が浸炭または窒化することがあり、表面に大きな圧縮応力が残留します。

(4) 軸受部品の製造に使用される鋼は、主に O2、N2、P、酸化物、リン化物の含有量を低減するために、高純度が必要です。 エレクトロスラグ再溶解、真空精錬、その他の技術的手段を使用して、材料の酸素含有量が 15PPM 以下であることを確認できます。