不同工艺渗碳淬火和深冷处理后20CrNi2Mo轴承钢的组织与性能

对正火态20CrNi2Mo轴承钢分别进行渗碳油淬+回火、二次渗碳油淬+回火、渗碳气淬+渗碳油淬+回火等3种渗碳淬火+回火处理以及在上述工艺的回火前增加深冷处理的渗碳淬火+深冷+回火处理,研究了不同工艺处理后轴承钢的显微组织、力学性能和耐磨性能。结果表明:渗碳淬火+回火后轴承钢的组织均为针状马氏体+残余奥氏体+碳化物,渗碳气淬+渗碳油淬+回火后的马氏体更细小,残余奥氏体更少,此工艺下轴承钢的硬度、抗拉强度和断后伸长率均高于其他2种渗碳淬火+回火工艺,磨痕宽度和深度较小;与渗碳淬火+回火相比,渗碳淬火+深冷+回火处理后轴承钢中奥氏体含量减少,硬度提高,磨痕宽度和深度减小,并且在200 N载荷下的磨损质量损失明显减少;较优的工艺是渗碳气淬+渗碳油淬+深冷+回火。

射流冲击强化改性研磨对Cronidur30轴承钢耐摩擦腐蚀性能的影响

采用第四代射流冲击强化研磨机对Cronidur30轴承钢板进行不同加工时间的射流冲击强化改性研磨处理,在3.5%NaCl溶液中利用往复式摩擦磨损试验机对该钢板试样进行摩擦腐蚀试验;通过显微硬度计测量加工后试样截面的显微硬度;利用金相显微镜测量强化层厚度和观察磨痕的表面形貌。研究表明:射流冲击强化改性研磨处理后Cronidur30轴承钢板的表面粗糙度和显微硬度增大,晶粒细化,表面出现组织均匀的致密强化层;加工时间越长,钢板表面的显微硬度越高,表面强化层越厚;在相同的载荷条件下,射流冲击强化改性研磨加工时间越长,试样摩擦系数和磨损量越小,耐摩擦腐蚀性能越高。

高铁轴承钢的技术质量特性识别及重点研制方向

从相关标准规范、主要故障模式及在用轴承技术状态等多个维度对高铁轴箱轴承用钢的技术性能要求进行了梳理,进而对其核心技术质量特性进行了识别,即“强韧性、抗疲劳、耐磨性”,并对自主化研制高铁轴承钢的技术路线及改进方向给出了建议。在现阶段,集成渗碳钢与“真空脱气+电渣重熔”冶炼方法的优势,是最具合理性与可行性的解决方案。

脉冲磁场对GCr15轴承钢网状碳化物的影响

在GCr15轴承钢的球化退火过程中施加脉冲磁场,研究脉冲磁场对其组织形貌和力学性能的影响,探讨脉冲磁场作用下网状碳化物溶解的热力学和动力学机理。结果表明:随着施加脉冲磁场时间的延长,GCr15轴承钢中沿晶界分布的碳化物由封闭网转变为半网,当施加脉冲磁场时间为20 min,晶界处的网状碳化物消失。这主要是由于施加脉冲磁场后,在热力学方面网状碳化物溶解的势垒降低,动力学方面原子扩散系数增大,这都促进了网状碳化物的溶解。随着施加脉冲磁场时间的延长,GCr15轴承钢的抗拉强度(R_(m))和屈服强度(R_(p0.2))基本保持不变,伸长率(A)提高了18%(从5 min的33%提高到20 min的39%),断面收缩率(Z)提高了13%(从5 min的61%提高到20 min的69%)。

电磁冲击处理对M50轴承钢显微组织与强韧性的影响

建立了电-磁-热多场耦合的电磁冲击仿真模型,利用该模型预测了电磁冲击过程中试样表面的温度变化过程,分析了电磁冲击处理对材料强韧性的影响,并利用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)对材料内部微观结构和断口形貌进行了表征和分析。结果表明:该模型成功预测了电磁冲击过程中试样表面的温度变化过程,且预测值与测量值吻合良好;合适的电磁冲击处理工艺(EST2)可以使材料具有较好的综合力学性能且有效提高材料性能的一致性,在保持平均抗拉强度基本不变的前提下,试样的断后伸长率提高了17.2%,冲击韧性提高了5.5%,屈服强度和抗拉强度一致性分别提高了52.8%和59.9%,冲击韧性一致性提高了42.6%。

大尺寸均质化M50轴承钢坯的构筑成形

针对大尺寸M50轴承钢锭中液析碳化物粗大的问题,提出采用金属构筑成形技术制备大尺寸均质化M50轴承钢坯的新思路。通过基元加工、真空封焊、高温变形、保温扩散和多向锻造工艺制备了80 mm×80 mm×1000 mm的M50轴承钢构筑坯料。拉伸和疲劳性能的试验结果表明,M50轴承钢构筑界面实现了完全冶金结合,其力学性能达到与基体相当的水平,通过构筑成形技术制备的均质化M50轴承钢坯的疲劳性能显著优于采用一体化冶炼工艺制备的大尺寸M50轴承钢坯。

GCr15轴承钢连铸坯冷却速度与入炉温度对其组织和性能的影响

内容导读轴承被称为“工业的心脏”,轴承钢由于工作环境恶劣需具有较高的力学性能,尤其是疲劳寿命,影响轴承钢疲劳寿命的主要因素起源于连铸。高碳铬轴承钢是使用最广,应用最久的轴承钢,其中GCr15轴承钢是一种典型的高碳低合金结构钢。本文以GCr15轴承钢连铸坯为研究对象,研究不同冷却速度和入炉温度对连铸方坯的微观组织的影响,同时结合有限元方法对不同冷却速度下连铸方坯的热应力进行了分析。结果表明:GCr15轴承钢连铸坯冷却速度控制在3~4℃/min时,可抑制网状碳化物产生,降低热应力,减少裂纹缺陷,提高轴承钢的组织性能;热装与冷装对材料的金相组织没有显著影响,实际生产中建议采用热装的入炉方式。

航空发动机轴承钢滚动接触疲劳模拟及寿命预测

主轴轴承是航空发动机中重要的安全部件,由综合性能优良的轴承钢制备,材料须具备高表面硬度、高断裂韧度、耐高温、抗疲劳、抗腐蚀等特点。然而,严苛的运行条件使轴承钢因滚动接触疲劳(RCF)而失效,严重影响飞行安全,因此,准确预测轴承钢的RCF寿命是保证航空发动机可靠性的关键。本文综述了航空发动机轴承钢RCF和寿命预测方面的重要研究成果和进展,并且展望了该领域未来的研究方向。文章首先介绍了轴承滚动体和滚道间赫兹接触导致的特殊应力场,其中剪切应力分量在次表面达到峰值,这解释了轴承钢次表面RCF复杂机理的原因,提出在理想条件下次表面起源的RCF是轴承钢的重要失效模式,同时,随着接触应力的增加,材料的响应方式从弹性向塑性演进;此外,由于航空发动机轴承实际服役环境恶劣,表面起源的RCF也会发生,因此存在两者之间的竞争。接着,总结对比了三种对RCF寿命的理论预测思路,即概率模型、机理模型和数值模型,并分析了这三种模型各自的优缺点:概率模型发展成熟,工业界应用广泛,但本质是一类统计学模型,缺少RCF机理,科学性较低;决定性模型通过对物理过程的描述预测RCF寿命,科学性高但模型过于简化,精确性不高;数值模型兼顾了工程实际和科学性,是针对RCF寿命预测问题的有力手段,但精确性有待进一步提升。最后,基于当前的研究现状,建议在未来从解决RCF过程中关键科学问题、通过嵌入RCF机理优化寿命预测模型和发展人工智能在RCF寿命预测的应用这三个方面进行研究。

250 mm×250 mm轴承钢大方坯压下工艺优化及质量提升

建立了250 mm×250 mm轴承钢大方坯的凝固传热模型,并根据凝固平方根定律验证了模型的准确性。讨论了拉速和过热度对凝固终点的影响,并制定新的压下制度。运用不同压下制度进行了工业试验,试验结果表明:优化后的压下制度基本消除大方坯的中心缩孔,使得中心偏析比由1.1降低至1.0,同时使得V形偏析线上最高碳含量由1.391%降至1.184%,V形偏析线上和非偏析线上的平均碳含量极差由0.113%降至0.07%。

轴承钢滚动接触疲劳诱发白蚀区的研究进展

白蚀区是轴承钢在滚动接触疲劳条件下出现的一种由夹杂物和碳化物诱发的特殊且重要的显微组织变化,与轴承钢的寿命密切相关。白蚀区已经被深入研究了70多年且取得了相当的进展,但关于白蚀区仍有许多关键科学问题有待解答。对白蚀区形成的应力环境进行了阐释,并对白蚀区中纳米晶粒、碳化物溶解、整体贫碳等显微结构特点和基于剧烈塑性变形的显微组织演变机理的研究进展进行了总结,基于当前的研究进展,认为应减少对白蚀区进行过量的显微组织表征,更多关注白蚀区形成过程的若干关键科学问题和悖论。白蚀区的研究对轴承钢加工制造及热处理过程具有重要指导意义,通过优化轴承钢的生产工艺,调控抑制白蚀区形成的显微组织,从而实现轴承钢的长寿命目标。

稀土Y对GCr15轴承钢力学性能的影响

为探究稀土Y对GCr15轴承钢力学性能的影响,采用真空感应炉冶炼了不同Y含量的GCr15轴承钢,利用MC010-HV-30Z维氏硬度计、SANS-ZBC2752A型冲击试验机、CSS-88500型电子万能试验机、JSM-6510型扫描电子显微镜和Sigma-300场发射电子显微镜等设备,研究Y对GCr15轴承钢硬度、冲击性能、拉伸性能及夹杂物的影响。结果显示:Y含量为0.005%时,试验钢具有较好的综合力学性能;Y略微降低了GCr15轴承钢的硬度,由258.7 HV降低到254.4 HV;冲击功提高了17.9%,由17.9 J提高到21.1 J;抗拉强度提高了6.50%,由903.8 MPa提高到963.3 MPa;最大拉应力提高了6.50%,由17.75 kN提高到18.91 kN;断后伸长率提高了16.80%;试验钢的断裂模式由沿晶断裂向穿晶断裂过度;Y处理后,夹杂物尺寸由3μm左右减小为1μm左右。试验钢的硬度略微降低,冲击功、抗拉强度、断后伸长率均有所提高,夹杂物尺寸减小。

基于损伤力学的轴承钢旋弯疲劳寿命预测

基于连续损伤力学理论,提出了考虑真空化学热处理工艺影响的疲劳损伤模型及数值计算方法,研究了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳损伤分析及寿命预测方法。给出了本构模型、疲劳损伤演化方程和理论模型中的材料参数标定方法,基于ABAQUS平台,通过编写UMAT子程序,实现了基于硬化层影响的疲劳损伤分析的损伤力学-有限元数值计算方法;对淬火回火、渗碳及碳氮复渗2种真空化学热处理的M50NiL轴承钢,开展了旋弯疲劳试验,分析了热处理工艺对疲劳性能的影响;基于提出的疲劳损伤模型及数值计算方法,预测了M50NiL轴承钢的旋弯疲劳寿命,并与试验结果进行对比,验证了所提方法的适用性。

G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢重载滚动接触疲劳损伤演化及失效行为研究

G13Cr4Mo4Ni4V高温轴承钢在航发主轴轴承中广泛应用,具有优异的接触疲劳强度.采用球棒式疲劳试验机研究其在重载润滑条件下的滚动接触疲劳(RCF)损伤演化及失效行为.通过对测试棒接触轨迹三维形貌的测量,结合混合弹流润滑分析,获取了接触区润滑行为的演变规律及其对表层和近表层疲劳失效行为的影响.通过对次表层材料微观结构组分和组织形貌的分析,研究了材料组织结构的累积损伤行为,探讨了微区润滑行为与近表层夹杂和次表层材料累积损伤之间的映射关系.研究结果表明:接触轨迹表面磨损、微点蚀和塑性变形造成接触表面润滑状态变化,润滑状态变化、近表层夹杂和次表层材料组织结构累积损伤之间的竞争机制和相互作用是造成不同疲劳失效形式的主要因素.该研究中首次对G13Cr4Mo4Ni4V轴承钢疲劳损伤演化及失效行为进行了详细分析,为轴承制造筛选材料和工艺提供数据.

一种高强耐热轴承钢的微观组织及力学性能

利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉伸试验和洛氏硬度计等研究了一种新型成分优化的超高强度轴承钢经不同工艺热处理后的微观组织及力学性能。结果表明,在1040~1080℃范围内,随着固溶温度的升高,试验钢的抗拉强度逐渐升高,屈服强度逐渐降低。试验钢经1060℃固溶1 h后油淬及两次(-73℃冷处理2 h+540℃回火2 h)处理后,抗拉强度达到1997 MPa,屈服强度达到1600 MPa,断后伸长率达到12%,断面收缩率为55%,具有优异的强韧性能;随固溶温度的升高,试验钢的原始奥氏体晶粒尺寸逐渐增大,从19μm增加到50.9μm,未溶碳化物含量明显减少,残留奥氏体含量逐渐增多,其中,残留奥氏体含量增多是导致屈服强度逐渐降低的主要原因;试验钢中大量存在M_(6)C和Laves两种不同种类的析出相,其中M_(6)C碳化物在固溶阶段起到细化晶粒作用,Laves相在回火过程弥散析出,是试验钢获得超高强度的主要强化机制。

热加工过程中M50轴承钢一次碳化物的形成与演化

针对M50轴承套圈生产过程中的真空感应熔炼、真空自耗重熔、锻造、轧制、辗环五个环节,利用OM、SEM、EDS及X射线三维成像技术分析了一次碳化物在整个生产流程中的演化。结果表明:真空感应熔炼后粗大的一次碳化物M2C和MC沿晶间呈网状析出,真空自耗重熔可减少一次碳化物的析出,自耗锭边缘处析出的一次碳化物尺寸较小,体积分数最少,为2.614%。锻造过程中网状一次碳化物被部分破碎,轧制和辗环可进一步破碎一次碳化物并使其沿加工流线分布,但并不能完全改变一次碳化物分布不均匀的情况。热变形在破碎细化碳化物的同时也会在一次碳化物内部及周围形成孔洞。

轴承钢滚动接触疲劳亚表面夹杂处损伤分析

轴承钢在滚动接触疲劳(RCF)中失效的主要原因之一是亚表面白蚀区(WEA)的形成.本文中从塑性应变累积引起剪切局域化新的角度对WEA进行了研究.通过耦合晶体塑性和相场损伤理论建立了损伤演化本构模型,研究了非金属夹杂处塑性应变累积和损伤演化.研究表明,接触疲劳载荷引起的塑性应变局域化导致了剪切带的形成.剪切带的形貌、取向和应变与WEA的一致,表明WEA实际上是应变局域化的剪切带.晶体取向对WEA损伤的形成和发展有很大的影响,WEA仅在择优的晶体取向下形成.与软夹杂周围的剪切带和损伤演化不同,硬夹杂处的剪切带与夹杂相切,形成的4条剪切变形带将夹杂“包围”.剪切带内部处于高应变和低应力的状态,带中心处应变达到最大,随带宽两侧急剧减小,而中心处应力却最小,几乎为零,沿带宽两侧增大,这说明裂纹在剪切带内萌生和扩展.该结论阐明了裂纹和WEA形成的关系,即裂纹是在WEA形成过程中因应变不协调产生,而非裂纹先产生,裂纹上下表面相互摩擦导致WEA形成.

基于非线性超声表面波的轴承钢激光损伤程度表征

【目的】针对轴承钢在激光加工过程中易出现表面损伤的情况,研究利用非线性超声表面波对轴承钢激光加工损伤程度进行表征的方法。【方法】利用不同工艺参数的激光对轴承钢GCr15试件进行表面处理,形成不同程度的表面损伤;搭建非线性超声表面波检测系统,测量不同损伤程度下的轴承钢超声表面波的非线性系数,分析损伤程度与表面波非线性系数的关系。【结果】经激光表面处理后,轴承钢的表面波非线性系数变大且与损伤程度成正相关关系,当出现重度损伤时,非线性系数变化更为剧烈;与传统的线性声学参数相比,表面波非线性系数对轴承钢的表面损伤程度更加敏感。对常规线性与非线性声学参数进行归一化处理后,发现波速几乎不受表面损伤程度的影响,声衰减系数随损伤程度的变化率仅为0.25,而表面波非线性系数随损伤程度的变化率为0.98。【结论】利用表面波非线性系数可以对轴承钢表面的激光损伤程度进行有效表征。

高碳铬轴承钢球化退火碳化物尺寸评级标准的对比讨论

本文对比分析制造业现行以下各标准关于高碳铬轴承钢碳化物尺寸规定:GB/T 18254-2016高碳铬轴承钢第5级别图退火组织,SEP 1520-1998钢中碳化物图谱系列显微检验法(斯凯孚公司D33标准总则采用同一标准),ASTM A892-09(2020)高碳轴承钢显微组织的定义和等级的标准导引及其附录金相图谱,舍弗勒公司轴承钢100Cr6球化退火显微组织标准(图谱)S 261010。对于球化退火碳化物尺寸评级,可见我国标准比国外标准级数少,且碳化物尺寸级差不均匀;我国企业通常要求第2级合格,碳化物尺寸偏大,并且显示偏聚程度较大和存在个别大颗粒;没有对超细球化退火组织碳化物级别的界定。需要结合我国轴承企业发展现状并参照国际先进标准,适当修订相关标准。

轴承钢表面电弧离子镀氮化物涂层的抗冲击性能和耐磨性能

采用电弧离子镀工艺在GCr15轴承钢表面分别沉积了TiN和TiAlN 2种氮化物涂层,对比研究了涂层的微观结构、硬度、结合性能、抗冲击性能和耐磨性能。结果表明:制备的TiN涂层和TiAlN涂层表面平整,均以(200)晶面择优生长;TiN涂层和TiAlN涂层的硬度分别为2060.3,3390.8 HV,为基体(689.5 HV)的3.0倍和4.9倍。TiN和TiAlN涂层与轴承钢的结合性能良好,结合等级为HF1~HF2,40次冲击试验后TiN和TiAlN涂层表面均未发生剥落和开裂,抗冲击性能良好。TiN涂层和TiAlN涂层与轴承钢对磨时的平均摩擦因数分别为0.42,0.36,体积磨损量分别为1.26×10^(-3),0.54×10^(-3 )mm^(3),均低于基体,涂层表面均形成了较浅的犁沟,磨损机制为磨粒磨损,其中TiAlN涂层表面犁沟更浅,磨损程度更轻。TiAlN涂层的结合性能和抗冲击性能与TiN涂层相当,硬度和耐磨性能均高于TiN涂层,更适用于改善轴承钢的表面耐磨性能。

La-Ce对GCr15轴承钢中夹杂物的改质效果及机理

为了探究稀土La-Ce对GCr15轴承钢中夹杂物的改质效果,采用了公称容量为1 kg的高温管式炉,冶炼了6炉不同La-Ce含量的GCr15轴承钢钢锭,借助光学显微镜、扫描电镜等表征手段,并结合Fact Sage热力学软件对不同La-Ce含量的GCr15钢中夹杂物的转化规律进行研究。结果表明,未添加La-Ce的GCr15轴承钢中典型夹杂物为不规则状的Al_(2)O_(3)和MnS,La-Ce的添加会将其改质为类型较为复杂的稀土夹杂物,随着La-Ce含量的提高,1600℃下钢中夹杂物的转化规律为Al_(2)O_(3)→REAl O_(3)→RE_(2)O_(3)→RE_(2)O_(2)S→RE_(2)O_(2)S+RE_(x)S^(y)(RE为La-Ce)。当La-Ce含量为96×10^(-6)时,Al_(2)O_(3)和Mn S均被改质为球状的RE_(2)O_(2)S·RE_(x)S^(y)复合稀土夹杂物,钢中夹杂物的数量处于较低水平且夹杂物的整体形貌控制较好。