田 沛,李晨浩,白 潔,李建峰

(陜西法士特汽車傳動集團有限責(zé)任公司,陜西 西安 710119)

隨著商用車市場競爭的白熱化,除前端產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的技術(shù)和成本優(yōu)勢需要重點考慮外,后市場對三包壽命要求也越發(fā)嚴(yán)苛。在小型化、輕量化和高效化的發(fā)展趨勢推動下,軸承作為底盤傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件,其性能要求也越來越高。

滾動軸承在商用車傳動系統(tǒng)中主要起到支撐和旋轉(zhuǎn)作用,需滿足在重載荷、高轉(zhuǎn)速和極限溫度等特殊工況下使用。對于軸承,疲勞壽命是主要目標(biāo),疲勞剝落是主要失效形式。軸承的結(jié)構(gòu)特點和工作條件要求其具備高硬度、高耐磨性、高接觸疲勞強度和良好的抗沖擊韌性。作為較早出現(xiàn)在歷史環(huán)境中的旋轉(zhuǎn)部件,軸承結(jié)構(gòu)發(fā)展已趨于完善。但隨著科學(xué)技術(shù)的進步及研究的逐步深入,軸承套圈材料成分含量和套圈鍛壓方式對軸承壽命的影響也逐漸凸顯。

本文研究了軸承材料的化學(xué)成分及毛坯成形工藝對軸承壽命的影響,并結(jié)合商用車變速器用滾動軸承實際應(yīng)用效果進行探討。

1 滾動軸承使用壽命及可靠性

商用車變速器滾動軸承主要在沖擊、拉伸和彎曲等復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下連續(xù)工作,其工作環(huán)境較為惡劣,要求軸承在制造時必須具有較好的塑形變形能力、優(yōu)良的耐磨性能、良好的旋轉(zhuǎn)精度及較長的使用壽命。除設(shè)計選型因素之外,軸承自身材料、熱處理和加工方式對軸承使用壽命及可靠性影響較大[1]。

其中關(guān)鍵影響因素有以下幾方面:①高的接觸疲勞強度。軸承在使用過程中,滾道表面及滾子受到循環(huán)應(yīng)力作用,易發(fā)生起源性剝落。主要表現(xiàn)在接觸區(qū)域有小片金屬剝落,在循環(huán)應(yīng)力下,剝落點將擴大,導(dǎo)致磨損加劇、發(fā)熱,進而影響正常運轉(zhuǎn)。②高的硬度及耐磨性能。軸承在實際工作中,滾動摩擦及滑動摩擦并存,套圈滾道及滾子的磨損量將影響游隙,且磨損雜質(zhì)也會降低潤滑性能,間接降低疲勞強度,導(dǎo)致早期失效。③高的彈性極限及韌性。使用過程中軸承的承載較大,部分工況下需承受一定的沖擊負荷,但套圈和滾動體接觸面積較小,滾子及滾道將受到較大的接觸應(yīng)力,易產(chǎn)生較大塑性變形,故需具有良好的彈性極限及韌性。④良好工藝性能,實際測試及應(yīng)用表明,良好的冷、熱成型性能和切削性能可有效地提升軸承壽命。

2 軸承材料的應(yīng)用發(fā)展及影響

軸承鋼作為重要的特殊鋼之一,其性能質(zhì)量很大程度反映著一個國家的冶金水平和工業(yè)實力,汽車軸承鋼使用量占年產(chǎn)軸承鋼的50%左右,用量極大。軸承的可靠性固然與設(shè)計選型、加工制造等存在一定關(guān)系,但原材料也是關(guān)鍵[2]。

2.1 材料種類

目前行業(yè)內(nèi)主要使用的軸承鋼牌號有:德國100Cr6、100CrMo,瑞典SKF3、SKF3L,美國52100.3、52100.4,日本SUJ2～SUJ5等。這些軸承鋼不僅適用于馬氏體淬火,也適用于軸承零件的貝氏體淬火[3],其化學(xué)成分略有差異。

2.2 材料的不足

國內(nèi)軸承鋼主要以GCr15鋼為主,標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016根據(jù)鋼中殘余化學(xué)成分的不同,將鋼材分為優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼。由于GCr15軸承鋼的生產(chǎn)廠家眾多,在生產(chǎn)工藝和技術(shù)力量等方面存在較大差異,導(dǎo)致市場上GCr15軸承鋼的質(zhì)量水平參差不齊。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016未規(guī)定不同等級軸承鋼對應(yīng)的軸承壽命和可靠性要求,也未設(shè)定不同的質(zhì)量控制指標(biāo)。而國內(nèi)軸承廠商基于應(yīng)用經(jīng)驗及技術(shù)實力所限,也無法明確給出軸承材料對應(yīng)軸承壽命及可靠性的計算關(guān)系。因此,在實際使用中無法強制使用優(yōu)質(zhì)或者高級軸承鋼,但國外著名軸承廠商已經(jīng)在高端車型或者關(guān)鍵部位推廣使用長壽命、高可靠性的軸承材料。

2.3 材料性能的影響因素

軸承鋼性能主要與材料純度和化學(xué)成分有關(guān),降低鋼的含氧量、減少氧化物雜質(zhì)、提高鋼的純度可以顯著提升軸承的壽命。目前,采用真空冶煉、鋼包真空脫氣和真空自耗重熔等方法,能使軸承鋼中氧含量大幅降低,控制在5×10-6以下。但軸承鋼中含氧量降低至一定程度后,繼續(xù)降低含氧量將大大增加鋼材生產(chǎn)成本。另外,在降低氧含量的同時還需嚴(yán)格控制夾雜物的均勻性[4]。

軸承鋼中合金元素的作用見表1。實驗證明,當(dāng)Cr含量增加至10%時,軸承壽命明顯提高;隨Cr含量繼續(xù)增加,壽命反而降低。這是由于Cr含量超過10%時,形成了大的碳化物晶粒,從而構(gòu)成了應(yīng)力集中源。Si元素的抗回火軟化性能(耐熱性)優(yōu)良,在高溫下也不易降低硬度,可有效提高軸承壽命[5]。

表1 軸承鋼中合金元素作用

3 軸承套圈加工方式

軸承套圈常見的加工方式有兩種。一種采用棒料鍛打或鐓粗為環(huán)狀或餅狀,然后進行熱擠、輾擴成形,最后進行車加工、磨加工及熱處理等工序;另一種采用管材進行拋丸、磷化及冷擠成形,然后進行車加工、磨加工及熱處理等工序。后者減少了鍛打、鐓粗等工序,且原材料利用率較棒料提高了20%～30%,大大降低了加工生產(chǎn)成本。同時選用管材加工還有毛坯件變形量較少、加工余量較大等優(yōu)勢。

4 對比驗證分析

4.1 材料對比

選用M公司高級軸承鋼及特級軸承鋼生產(chǎn)制造的管材、棒料,再分別使用冷擠壓及熱鍛工藝加工制造6207深溝球軸承標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,鋼球及保持架均相同。材料成分表見表2。

表2 不同等級軸承材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

管材冷加壓成型工藝為:管材切割為小件→拋丸→磷化→中和清洗→冷擠成形。棒料熱鍛成型工藝為:熱軋棒料加熱→落料→鐓粗→熱擠成型→切底→輾擴成形→退火[6]。

由表2可知,M公司高級和特級軸承鋼的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016要求,其中高級軸承鋼與特級軸承鋼中C、Si和Cr等主要元素含量相近,特級軸承鋼中S和P等有害雜質(zhì)元素含量較少。由于S與Mn會生成MnS夾雜物,容易在鋼基體中成為疲勞源,因此軸承鋼的疲勞壽命隨著S含量的提高而降低[7];P元素會降低鋼材的塑性和熱加工性能。特級軸承鋼中含氧量控制在5×10-6以下,低于高級軸承鋼,是目前軸承鋼中的最優(yōu)水平。

4.2 金屬流線對比

由材料理論可知,鋼材軋制方向(縱向)的力學(xué)性能要高于橫向[8]。分別取管材冷擠壓和棒料熱鍛的軸承套圈,平行于軸向切取試樣,按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》中關(guān)于低倍組織的實驗方法,以50%工業(yè)鹽酸配比,加熱至60～80 ℃,試樣熱蝕25～40 min,清洗干凈后觀察截面流線分布。管材冷擠和棒料熱鍛試樣軸承套圈端面金屬流線如圖1所示。由圖1可知,管材冷擠件在加工過程中材料纖維平行于工作面,且被大量切斷,進而降低了軸承的抗疲勞性能;棒料熱鍛件的材料纖維在套圈滾道形狀處存在變形、彎曲,金屬流線整體分布完整,使得材料在縱向上的性能優(yōu)勢得到充分利用。

(a)軸承A;(b)軸承B;(c)軸承C;(d)軸承D圖1 軸承套圈金屬流線圖(a) bearing A; (b) bearing B; (c) bearing C; (d) bearing DFig.1 Metal flow diagram of bearing ring

4.3 疲勞壽命對比

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》對不同材料及毛坯成形工藝的軸承進行疲勞壽命試驗,試驗測試條件及測試結(jié)果見表3,以8件軸承為樣本進行完全試驗。采用BLT-MGT型試驗機上進行疲勞強化試驗。

表3 軸承疲勞壽命試驗結(jié)果

由表3可知,軸承A中5#樣本的疲勞壽命小于181 h,軸承A的疲勞試驗失效;軸承B的測試結(jié)果均滿足基本壽命要求,最低壽命為2.6倍L10,最高壽命為4.9倍L10;軸承C的測試結(jié)果均滿足基本壽命要求,最低壽命為1.8倍L10,最高壽命為4.3倍L10;軸承D的測試結(jié)果均滿足基本壽命要求,最低壽命為3.6倍L10,最高壽命為6倍L10?？芍?棒料加工生產(chǎn)的軸承的疲勞壽命優(yōu)于管材;特級軸承鋼生產(chǎn)的軸承的疲勞壽命優(yōu)于高級軸承鋼。

5 結(jié)論和建議

1)材料等級及成分對軸承壽命表現(xiàn)存在差異,含氧量對軸承壽命影響較大,特級軸承鋼的疲勞壽命明顯高于高級軸承鋼。

2)毛坯選用管材較棒料成本更優(yōu),但棒料加工的軸承在理化性能及耐久性上表現(xiàn)更為突出。