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高性能渗碳轴承钢超长寿命机制与组织性能控制

作　者: 赵国防
导　师: 刘东雨；杨卯生
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 材料学
关键词: 渗碳轴承钢力学性能微观组织接触疲劳寿命旋转弯曲疲劳强度
分类号: TG156.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

轴承是各种机械部件的支承,其工作环境可能是超高温、超低温、强腐蚀以及超高真空,也可能是强冲击、高磨损和超高转速等。轴承的结构特点和工作条件要求轴承零件必须具备高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度、良好的韧性、尺寸稳定性、耐蚀和冷热加工性能。本文以真空感应熔炼和真空电弧重熔双真空超纯净熔炼的20CrNi4Mo轴承钢作为试验材料,对比研究了不同热处理制度对渗碳轴承钢组织、力学性能的影响规律,得到试验钢最佳的热处理工艺。在此基础上进行渗碳热处理,获得高的表面硬度、细小的马氏体和细小均匀弥散的碳化物,并控制残余奥氏体的等级和含量,以满足试验钢超长接触疲劳寿命和高的旋转弯曲疲劳强度的需求。研究表明,随着淬回火温度升高和回火次数增加以及深冷工艺采用,渗碳轴承钢的强度与硬度增加,冲击韧性值下降。采用910℃淬火和180℃二次回火,轴承钢材料性能可达到硬度HRC45.2,抗拉强度Rm～1450MPa,屈服强度Rp0.2～1240MPa,KU2～105J,残余奥氏体的量控制在1%以下。试验钢良好的强韧性配合主要来自于晶粒的细化、超细马氏体板条和均匀弥散的细小碳化物的析出；尺寸稳定性的效果主要是残余奥氏体量的控制。渗碳热处理采用丙烷(C3H8)作为渗碳剂,在910℃、1.2%C碳势下强渗4h,之后在0.9～1.0%C碳势下扩散6h。获得的渗层组织为隐晶马氏体+残余奥氏体+少量碳化物,芯部组织为板条马氏体；渗层深度为1.68mm,马氏体和碳化物的等级均为2级,残余奥氏体的等级为1-2,表面硬度为HV743。试验钢渗碳后优良的组织分布和渗层特性,是保证轴承材料良好的接触疲劳和旋弯疲劳性能的关键。试验钢渗碳后接触疲劳试验表明,试验钢接触疲劳额定寿命L1o为0.86x 107,中值寿命L50为5.01×107。对接触疲劳滚道和疲劳坑的组织形貌分析表明,试验钢接触破坏主要起源于表层和次表层处的氧化物夹杂和大颗粒的碳化物。研究表明,试验钢高的表面硬度、均匀的组织、细小弥散的碳化物分布,是高性能渗碳轴承钢超长寿命的关键。试验钢旋转弯曲疲劳试验显示,试验钢渗碳后疲劳极限为901MPa。对疲劳断口研究表明,试验钢的疲劳裂纹起裂主要是由钢表面及亚表面的氧化物夹杂引起的,通过优化钢的冶金工艺,严格控制钢中的夹杂物的尺寸和数量,可以提高钢的旋转弯曲疲劳寿命。

高性能渗碳轴承钢超长寿命机制与组织性能控制

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