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Fatores materiais que afetam a vida útil do rolamento
Os primeiros modos de falha dos rolamentos incluem principalmente rachaduras, deformação plástica, desgaste, corrosão e fadiga. Em condições normais, a falha do rolamento se deve principalmente à fadiga de contato. Além das condições de serviço, a falha do rolamento é restrita principalmente pela dureza, resistência, tenacidade, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e estado de tensão interna do aço. Os principais fatores que causam falhas devido aos materiais do rolamento são os seguintes.
Aço de rolamento (AISI 52100 e GCr15） é um dos principais fatores que afetam a vida útil dos rolamentos. Utiliza principalmente seleção de materiais, garantia de materiais e tratamento térmico para garantir a melhoria de carregando vida. Os rolamentos são geralmente feitos de aço para rolamentos com alto teor de carbono e cromo e sua composição química permanece quase inalterada. No entanto, diferentes métodos de fundição levam a diferentes purezas dos materiais, o que tem um grande impacto na vida útil. Sob as mesmas condições de tensão de contato, a vida de fadiga de contato de rolamentos de cerâmica é melhor que o dos rolamentos de aço; no caso de alta velocidade, carga leve e pequena carga de impacto, os rolamentos de esferas de cerâmica podem ser preferidos. Pode-se observar que o impacto dos materiais na vida à fadiga dos rolamentos é muito significativo.
Estado martensita do aço para rolamentos
Quando a estrutura original do aço com alto teor de carbono e cromo é perlita granular, no estado de revenido a baixa temperatura após a têmpera, o teor de carbono da martensita temperada afetará significativamente as propriedades mecânicas do aço. A resistência e a tenacidade estão em torno de 0.5%, a vida à fadiga de contato está em torno de 0.55% e a resistência ao esmagamento está em torno de 0.42%. Quando o teor de carbono do GCr15 a martensita temperada com aço é de 0.5% ~ 0.56%, a maior resistência à falha pode ser obtida com propriedades mecânicas abrangentes.
A martensita obtida neste caso é a martensita criptocristalina e o teor de carbono medido é o teor médio de carbono. Na verdade, o teor de carbono na martensita não é uniforme dentro da microrregião. A concentração de carbono perto do carboneto é maior do que a da ferrita original longe do carboneto. Portanto, as temperaturas nas quais começam a sofrer transformação martensítica são diferentes. Isto inibe o crescimento de grãos de martensita e a exibição da morfologia microscópica e torna-se martensita criptocristalina. Pode evitar microfissuras que ocorrem facilmente quando o aço com alto teor de carbono é temperado, e sua subestrutura é uma tira de martensita com alta resistência e tenacidade. Portanto, somente quando a martensita criptocristalina de médio carbono é obtida durante a têmpera do aço de alto carbono, as peças do rolamento podem atingir o melhor estado de resistência à falha.
Austenita residual em aço para rolamentos
Após a têmpera, o aço com alto teor de carbono e cromo pode conter 8% ~ 20% Ar (austenita retida). Ar em peças de rolamentos tem vantagens e desvantagens. Para se ajustar às melhores condições, o teor de Ar deve ser adequado. Como a quantidade de Ar está relacionada principalmente às condições de austenitização de têmpera e aquecimento, sua quantidade também afetará o teor de carbono da martensita temperada e a quantidade de carbonetos não dissolvidos. É difícil refletir com precisão o impacto da quantidade de Ar nas propriedades mecânicas. Para tanto, foram fixadas as condições austeníticas e utilizado o processo de estabilização térmica austenitizante para obtenção de diferentes quantidades de Ar. O efeito do teor de Ar na dureza e na vida à fadiga de contato do aço GCr15 após têmpera e baixa temperatura foi estudado. À medida que o teor de austenita aumenta, a dureza e a vida em fadiga de contato aumentam e depois diminuem após atingir o pico, mas o teor máximo de Ar é diferente. O pico de dureza aparece em cerca de 17% Ar, enquanto a vida em fadiga de contato O pico ocorre em torno de 9%.
Quando a carga de teste diminui, o impacto na vida à fadiga do contato devido ao aumento no teor de Ar diminui. Isso ocorre porque quando a quantidade de Ar é pequena, tem pouco efeito na redução da resistência, mas o efeito de endurecimento é óbvio. A razão é que quando a carga é pequena, o Ar sofre uma pequena deformação, o que não apenas reduz o pico de tensão, mas também fortalece o Ar deformado por meio do processamento e da transformação martensítica induzida por tensão-deformação. Porém, se a carga for grande, a grande deformação plástica do Ar e da matriz causará concentração de tensões locais e ruptura, reduzindo assim a vida útil. Deve-se salientar que o efeito benéfico do Ar deve estar no estado estável do Ar. Se se transformar espontaneamente em martensita, a tenacidade do aço será drasticamente reduzida e o aço ficará fragilizado.
Carbonetos não dissolvidos em aço para rolamentos
A quantidade, morfologia, tamanho e distribuição de carbonetos não dissolvidos no aço temperado são afetados não apenas pela composição química do aço e pela estrutura original antes da têmpera, mas também pelas condições de austenitização. Em relação ao impacto dos carbonetos não dissolvidos na vida útil dos rolamentos, há menos estudos sobre o impacto. O carboneto é uma fase dura e quebradiça. Além de ser benéfico para a resistência ao desgaste, causará concentração de tensão na matriz durante o suporte de carga (especialmente se o metal duro for não esférico) e causará trincas, o que reduzirá a tenacidade e a resistência à fadiga. Além do seu próprio impacto nas propriedades do aço, os carbonetos não dissolvidos temperados também afetam o teor de carbono e o teor de Ar e a distribuição da martensita temperada, tendo assim um impacto adicional nas propriedades do aço.
Para revelar o impacto dos carbonetos não dissolvidos no desempenho, foi utilizado aço com diferentes teores de carbono. Após a têmpera, o teor de carbono da martensita e o teor de Ar foram os mesmos, mas o teor de carboneto não dissolvido foi diferente. Após o revenido a 150°C, como a martensita tem o mesmo teor de carbono e maior dureza, um pequeno aumento nos carbonetos não dissolvidos não aumentará muito a dureza. A carga de pressão que reflete a resistência e a tenacidade diminuirá, mas a vida útil da fadiga de contato, que é sensível à concentração de tensão, aumentará significativamente. reduzir. Portanto, a têmpera excessiva de carbonetos não dissolvidos é prejudicial às propriedades mecânicas abrangentes e à resistência à falha do aço. Reduzir adequadamente o teor de carbono do aço para rolamentos é uma das maneiras de aumentar a vida útil dos rolamentos.
Equipamento avançado de tratamento térmico da Aubearing
Além da quantidade de carbonetos não dissolvidos temperados que afetam as propriedades do material, o tamanho, a morfologia e a distribuição também afetam as propriedades do material. Para evitar os danos dos carbonetos não dissolvidos no aço para rolamentos, é necessário que os carbonetos não dissolvidos sejam pequenos (pequena quantidade), pequenos (tamanho pequeno), uniformes (a diferença de tamanho é muito pequena entre si e distribuída uniformemente), redondo (cada carboneto é esférico). Deve-se ressaltar que uma pequena quantidade de carbonetos não dissolvidos no aço do rolamento após a têmpera é necessária não apenas para manter resistência ao desgaste suficiente, mas também para obter criptomartensita de granulação fina.
Tensão residual após têmpera e revenido
As peças do rolamento ainda apresentam grande tensão interna após têmpera e revenido em baixa temperatura. A tensão interna residual nas peças tem vantagens e desvantagens. Após o tratamento térmico do aço do rolamento, à medida que a tensão de compressão residual na superfície aumenta, a resistência à fadiga do aço aumenta. Pelo contrário, quando a tensão interna residual na superfície diminui, a resistência à fadiga do aço do rolamento diminui. Isso ocorre porque a falha por fadiga do rolamento ocorre quando ele é submetido a uma tensão de tração excessiva. Quando uma grande tensão de compressão permanece na superfície, ela compensará a tensão de tração do mesmo valor, e o valor real da tensão de tração do aço do rolamento será reduzido, causando fadiga Quando o valor limite de resistência aumenta, quando uma grande tensão de tração permanece na superfície, ela será sobreposta à carga de tensão de tração e a tensão de tração real do aço do rolamento aumentará significativamente, mesmo que o valor limite da resistência à fadiga seja reduzido. Portanto, deixar uma grande tensão de compressão na superfície das peças do rolamento após têmpera e revenido também é uma das medidas para melhorar a vida útil (é claro, tensão residual excessiva pode causar deformação do rolamento ou até mesmo rachaduras, portanto, atenção suficiente deve ser dada) .
Conteúdo de impurezas do aço para rolamentos
As impurezas no aço para rolamentos incluem inclusões não metálicas e conteúdo de elementos nocivos (solúveis em ácido). Seus danos ao desempenho muitas vezes se reforçam mutuamente. Por exemplo, quanto maior o teor de oxigênio, mais inclusões de óxidos. O impacto das impurezas no aço para rolamentos nas propriedades mecânicas e na resistência à falha das peças está relacionado ao tipo, natureza, quantidade, tamanho e forma das impurezas, mas geralmente tem o efeito de reduzir a tenacidade, a plasticidade e a vida em fadiga.
À medida que o tamanho das inclusões aumenta, a resistência à fadiga diminui, e quanto maior a resistência à tração do aço do rolamento, maior será a tendência de diminuição. À medida que o teor de oxigênio no aço do rolamento aumenta (aumentam as inclusões de óxido), a fadiga por flexão e a vida por fadiga de contato também diminuem sob a ação de altas tensões. Portanto, para peças de rolamento que operam sob alta tensão, é necessário reduzir o teor de oxigênio do aço do rolamento utilizado na fabricação. Alguns estudos mostraram que as inclusões de MnS no aço têm uma forma elipsoidal e podem envolver inclusões de óxidos prejudiciais, por isso têm menos impacto na redução da vida à fadiga e podem até ser benéficas, para que possam ser controladas com tolerância.
Controle de fatores materiais que afetam a vida útil do rolamento
Para manter no melhor estado os fatores materiais mencionados acima que afetam a vida útil do rolamento, primeiro é necessário controlar a estrutura original do aço antes da têmpera. As medidas técnicas que podem ser tomadas incluem: austenitização em alta temperatura (1050°C) e resfriamento rápido a 630°C, normalização isotérmica para obter estrutura de perlita fina pseudo eutetóide, ou tratamento isotérmico a 420°C para obter estrutura de bainita. O recozimento rápido usando o calor residual de forjamento e laminação também pode ser usado para obter uma estrutura de perlita de granulação fina para garantir que os carbonetos no aço sejam finos e uniformemente distribuídos. Quando a estrutura original neste estado é austenitizada por têmpera e aquecimento, além dos carbonetos dissolvidos na austenita, os carbonetos não dissolvidos se agregarão em partículas finas.
Quando a estrutura original do aço é constante, o teor de carbono da martensita temperada (ou seja, o teor de carbono da austenita após têmpera e aquecimento), a quantidade de austenita retida e a quantidade de carbonetos não dissolvidos dependem principalmente da temperatura de aquecimento da têmpera e tempo de espera. , à medida que a temperatura de aquecimento de têmpera aumenta (por um certo tempo), o número de carbonetos não dissolvidos no aço diminui (o teor de carbono da martensita temperada aumenta), a quantidade de austenita retida aumenta e a dureza aumenta primeiro com o aumento da têmpera temperatura. Depois de atingir o valor de pico, diminui à medida que a temperatura aumenta. Quando a temperatura de aquecimento de têmpera é constante, à medida que o tempo de austenitização aumenta, a quantidade de carbonetos não dissolvidos diminui, a quantidade de austenita retida aumenta e a dureza aumenta. Quando o tempo é maior, essa tendência desacelera. Quando os carbonetos na estrutura original são finos, os carbonetos são fáceis de dissolver em austenita, de modo que o pico de dureza após a têmpera se move para uma temperatura mais baixa e aparece em um tempo de austenitização mais curto.
Resumindo, após a têmpera do aço GCrI5, a composição estrutural ideal é de cerca de 7% de carbonetos não dissolvidos e cerca de 9% de austenita retida (o teor médio de carbono da martensita criptocristalina é de cerca de 0.55%). além disso, quando os carbonetos na estrutura original são pequenos e distribuídos uniformemente, quando a composição microestrutural no nível acima é controlada de forma confiável, é benéfico obter propriedades mecânicas abrangentes e elevadas e, assim, ter uma vida útil elevada. Deve-se ressaltar que quando a estrutura original com carbonetos finos dispersos é temperada, aquecida e mantida quente, os carbonetos finos não dissolvidos se agregam e crescem, tornando-os grosseiros. Portanto, o tempo de têmpera e aquecimento para peças de rolamento com esta estrutura original não deve ser muito longo. Usar um processo de têmpera de austenitização por aquecimento rápido alcançará propriedades mecânicas mais abrangentes.
Para deixar uma grande tensão de compressão na superfície das peças do rolamento após a têmpera e o revenido, uma atmosfera de cementação ou nitretação pode ser introduzida durante a têmpera e o aquecimento, e a cementação ou nitretação da superfície pode ser realizada por um curto período de tempo. Como o teor real de carbono da austenita não é alto quando esse tipo de aço é temperado e aquecido, o que é muito inferior à concentração de equilíbrio mostrada no diagrama de fases, ele pode absorver carbono (ou nitrogênio). Quando a austenita contém maior teor de carbono ou nitrogênio, sua Ms diminui. Durante a têmpera, a camada superficial sofre transformação martensítica atrás da camada interna e do núcleo, resultando em maior tensão de compressão residual. Depois que o aço GCrl5 foi aquecido e temperado em atmosfera de cementação e atmosfera não-cementadora (ambos foram revenidos em baixa temperatura), o teste de fadiga de contato mostrou que a vida útil do aço cementado superficial era 1.5 vezes maior que a do aço não-cementado. A razão é que a superfície das peças carburadas apresenta grande tensão de compressão residual.
Conclusão
Os principais fatores materiais e o grau de controle que afetam a vida útil das peças de rolamentos de aço com alto teor de carbono e cromo são:
(1) Os carbonetos na estrutura original do aço antes da têmpera devem ser finos e dispersos. Isso pode ser alcançado usando austenitização em alta temperatura de 630°C ou 420°C, ou usando o calor residual de forjamento e laminação para recozimento rápido.
(2) Após a têmpera do aço GCr15, é necessário obter uma microestrutura de martensita criptocristalina com teor médio de carbono de cerca de 0.55%, cerca de 9% de Ar e cerca de 7% de carbonetos não dissolvidos em um estado uniforme e redondo. Esta microestrutura pode ser obtida controlando a temperatura e o tempo de aquecimento da têmpera.
(3) Depois que as peças são temperadas e revenidas em baixa temperatura, uma grande tensão residual de compressão é necessária na superfície, o que ajuda a melhorar a resistência à fadiga. A superfície pode ser cementada ou nitretada por um curto período de tempo durante a têmpera e o aquecimento, de modo que uma grande tensão de compressão permaneça na superfície.
(4) O aço utilizado na fabricação de peças de rolamentos requer alta pureza, principalmente para reduzir o teor de O2, N2, P, óxidos e fosfetos. A refusão por eletroescória, fundição a vácuo e outras medidas técnicas podem ser usadas para garantir que o teor de oxigênio do material seja ≤15PPM.