CN106222569A - 一种自润滑合金高硬度轴承 - Google Patents

一种自润滑合金高硬度轴承 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.2～0.5％，Si：0.3～0.6％，B：0.04～0.07％，V：0.1～0.3％，Ni：0.05～0.08％，Mo：0.2～0.3％，Nb：0.13～0.17％，Al：0.2～0.4％，Cr：3.2～4.0％，Zr：0.07～0.1％，Sc：0.05～0.08％，Y：0.07～0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。本发明的自润滑合金高硬度轴承，摩擦力小，磨损少，硬度大，韧性优异，接触疲劳性能好，使用寿命长。

Description

一种自润滑合金高硬度轴承
技术领域
本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及一种自润滑合金高硬度轴承。
背景技术
轴承是用以支承轴颈或轴上回转件的常用的机械零件用于确定旋转轴与其它零件相对运动位置，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度，它的质量及承载能力直接影响机械整机的工作性能。
根据轴承的工作原理可分为滚动摩擦轴承(滚动轴承)和滑动摩擦轴承(滑动轴承)。滚动轴承主要是滚珠轴承，滚珠轴承为通用零件，但其中的滚珠硬度不足，磨损较大。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种自润滑合金高硬度轴承，摩擦力小，磨损少，硬度大，韧性优异，接触疲劳性能好，使用寿命长。
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.2～0.5％，Si：0.3～0.6％，B：0.04～0.07％，V：0.1～0.3％，Ni：0.05～0.08％，Mo：0.2～0.3％，Nb：0.13～0.17％，Al：0.2～0.4％，Cr：3.2～4.0％，Zr：0.07～0.1％，Sc：0.05～0.08％，Y：0.07～0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
优选地，Cr元素、Ni元素、Mo元素、Nb元素的含量满足如下关系：100×nCr＝[100×(nNi+nMo+nNb)]2+3.2，其中nCr、nNi、nMo、nNb分别表示Cr元素、Ni元素、Mo元素、Nb元素在滚珠的组分中所占重量百分比。
优选地，Al元素、Zr元素、Sc元素、Y元素的含量满足如下关系：100×nAl＝100×(nZr+nSc+nY)+0.1，其中nAl、nZr、nSc、nY分别表示Al元素、Zr元素、Sc元素、Y元素在滚珠的组分中所占重量百分比。
优选地，滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
优选地，奥氏体化处理的温度为920～950℃，奥氏体化处理的时间为2～3h。
优选地，奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注后物料以3～4℃/min的速率升温至530～560℃，保温6～8h，接着以1.5～2.5℃/min的速率升温至720～750℃，保温3～4h，再以1～2℃/min的速率升温至840～870℃，然后以0.5～0.8℃/min的速率升温至920～950℃，保温2～3h。
优选地，等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至400～450℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温28～38min，硝酸盐盐浴的温度为300～350℃，然后空冷。
优选地，回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至232～235℃，保温2.5～3h。
本发明中各元素作用如下：
碳(C)：作为形成石墨球的主要元素，可以有效的控制石墨个数及石墨大小，同时，适当的碳当量可以使铁液易于流动，增加铁液的充型能力，减少缩松缩孔，提高铸件的致密性，但是碳含量过高，容易产生石墨漂浮，影响铸铁的性能，还会降低钢的耐大气腐蚀能力，增加钢的冷脆性和时效敏感性。
硅(Si)：作为强烈促进石墨化的元素，又能起到孕育的效果。较高的含硅量对铸件的浇注及自补缩都有很大的好处，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅含量高些，对形成球状石墨有利，但硅含量超过3.0％时，冲击韧性会急剧降低，还能降低钢的焊接性能。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用。
硼(B)：硼在钢中的主要作用是增加钢的淬透性，从而节约其他较稀贵的金属；钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度；硼和氮及氧有强的亲和力，沸腾钢中加入0.007％的硼，可以消除钢的时效现象。
钒(V)：作为钢的优良脱氧剂，可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
镍(Ni)：在钢中强化铁素体并细化珠光体，在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小；对于中碳钢，由于镍降低珠光体转变温度，使珠光体变细；又由于镍降低共析点的含碳量，因而和相同的碳含量的碳素钢比，其珠光体数量较多，使含镍的珠光体铁素体钢的强度较相同碳含量的碳素钢高；还能提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性；同时可以提高钢的耐酸碱能力，对大气及盐都有抗蚀能力。
钼(Mo)：能细化晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，提高机械性能；还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。
铌(Nb)：可部分溶入固溶体，起固溶强化作用；溶入奥氏体时显著提高钢的淬透性；能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量铌可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度；由于具有细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度；当含量大于碳的8倍时，几乎可以固定钢中所有的碳，使钢具有良好的抗氢性能；在奥氏体钢中可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀；由于固定碳和沉淀硬化作用，能提高热强钢的高温性能，如蠕变强度等。
铝(Al)：作为钢中常用的脱氧剂，可细化晶粒，提高冲击韧性，还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，与铬、硅合用可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力；但会影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
铬(Cr)：可提高淬透性，能显著提高强度、硬度和耐磨性，还能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，但会降低塑性和韧性，同时也是碳化物形成元素，在球墨铸铁中，它能与碳生成M3C型碳化物可以作为有效的硬质点弥散分布在基体上，提高材料的硬度及耐磨度。经试验发现证实：含Cr0.5％，碳化物约占15～20％，满足实际需求。
锆(Zr)：作为强碳化物形成元素，在钢中的作用与铌、钽、钒相似，可以脱气、净化和细化晶粒，有利于钢的低温性能，改善冲压性能。
钪(Sc)和钇(Y)：影响钢中非金属夹杂物的类型、数量和形态，净化钢质，减少了Al2O3对疲劳性能的危害，对高周疲劳和低周疲劳都很有利，促进钢中的组织转变，可吸附在正在长大的固态晶核表面，形成薄的富集层，降低表面能，阻碍晶体生长，从而降低了晶体长大速率，细化树枝状晶体，抑制柱状晶生长，进而减少枝晶偏析和区域偏析，细化晶粒，抑制回火脆性，提高钢的热塑性、热强性、疲劳性能、耐磨性、抗氢致脆性、抗氧化性。
本发明所得轴承耐磨性能和韧性优异，硬度高，接触疲劳性能良好，使用寿命长；铬元素、镍元素、钼元素、铌元素固溶于奥氏体中，降低了碳的扩散速度，从而延缓奥氏体的转变，细化珠光体，延长贝氏体转变的孕育期，因此便于增加贝氏体型铁素体的数量，在奥氏体化过程中阻碍了晶界的移动和晶粒的长大，细化了奥氏体的晶粒，从而为贝氏体提供了更多的有利形核位置，使得在等温淬火过程中贝氏体的数量增加，并细化了贝氏体组织，使滚珠中残余奥氏体的量逐渐减少，针状铁素体的量逐渐增加且变得细小致密，且碳化物的数量也随之增多，大幅提高本发明的韧性、硬度、耐磨性能和接触疲劳性能；铝元素、锆元素、钪元素、钇元素相互配合，脱除本发明中的氧元素，细化晶粒，提高冲击韧性，而且能提高铸铁共析相变点，防止了珠光体的石墨化分解，提高轴承在高温环境中的力学性能和耐腐蚀能力，提高了轴承的使用寿命，满足实际生产过程中对轴承的高要求；采用等温淬火，置于硝酸盐盐浴中保温，利用硝酸盐的高比热容进行快速降温，使奥氏体转化成贝氏体，大幅度提高滚珠的韧性，从而满足轴承的实际需求，然后通过低温回火，降低滚珠的淬火残留应力和脆性，进一步提高滚珠的硬度和耐磨性。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.2％，Si：0.6％，B：0.04％，V：0.3％，Ni：0.05％，Mo：0.3％，Nb：0.13％，Al：0.4％，Cr：3.2％，Zr：0.1％，Sc：0.05％，Y：0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
实施例2
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.5％，Si：0.3％，B：0.07％，V：0.1％，Ni：0.08％，Mo：0.2％，Nb：0.17％，Al：0.2％，Cr：4.0％，Zr：0.07％，Sc：0.08％，Y：0.07％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
实施例3
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.25％，Si：0.55％，B：0.045％，V：0.28％，Ni：0.055％，Mo：0.29％，Nb：0.135％，Al：0.38％，Cr：3.3％，Zr：0.095％，Sc：0.055％，Y：0.095％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
奥氏体化处理的温度为920℃，奥氏体化处理的时间为3h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至400℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温38min，硝酸盐盐浴的温度为300℃，然后空冷。
回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至235℃，保温2.5h。
实施例4
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.45％，Si：0.35％，B：0.065％，V：0.12％，Ni：0.075％，Mo：0.21％，Nb：0.165％，Al：0.22％，Cr：3.9％，Zr：0.075％，Sc：0.075％，Y：0.065％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
奥氏体化处理的温度为950℃，奥氏体化处理的时间为2h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至450℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温28min，硝酸盐盐浴的温度为350℃，然后空冷。
回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至232℃，保温3h。
实施例5
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.3％，Si：0.5％，B：0.05％，V：0.26％，Ni：0.06％，Mo：0.27％，Nb：0.14％，Al：0.35％，Cr：3.5％，Zr：0.09％，Sc：0.07％，Y：0.09％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注后物料以3℃/min的速率升温至560℃，保温6h，接着以2.5℃/min的速率升温至720℃，保温4h，再以1℃/min的速率升温至870℃，然后以0.5℃/min的速率升温至950℃，保温2h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至440℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温30min，硝酸盐盐浴的温度为340℃，然后空冷。
回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至233℃，保温2.9h。
实施例6
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.4％，Si：0.4％，B：0.06％，V：0.14％，Ni：0.07％，Mo：0.23％，Nb：0.16％，Al：0.25％，Cr：3.7％，Zr：0.08％，Sc：0.07％，Y：0.07％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注后物料以4℃/min的速率升温至530℃，保温8h，接着以1.5℃/min的速率升温至750℃，保温3h，再以2℃/min的速率升温至840℃，然后以0.8℃/min的速率升温至920℃，保温3h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至410℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温36min，硝酸盐盐浴的温度为310℃，然后空冷。
回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至234℃，保温2.6h。
实施例7
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.32％，Si：0.47％，B：0.052％，V：0.22％，Ni：0.064％，Mo：0.26％，Nb：0.145％，Al：0.31％，Cr：3.55％，Zr：0.088％，Sc：0.063％，Y：0.085％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注后物料以3.2℃/min的速率升温至550℃，保温6.5h，接着以2.2℃/min的速率升温至730℃，保温3.8h，再以1.4℃/min的速率升温至860℃，然后以0.6℃/min的速率升温至940℃，保温2.3h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至430℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温32min，硝酸盐盐浴的温度为330℃，然后空冷。
回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至233℃，保温2.8h。
实施例8
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.32％，Si：0.47％，B：0.052％，V：0.22％，Ni：0.064％，Mo：0.26％，Nb：0.145％，Al：0.31％，Cr：3.55％，Zr：0.088％，Sc：0.063％，Y：0.085％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注后物料以3.2℃/min的速率升温至550℃，保温6.5h，接着以2.2℃/min的速率升温至730℃，保温3.8h，再以1.4℃/min的速率升温至860℃，然后以0.6℃/min的速率升温至940℃，保温2.3h。
等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至430℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温32min，硝酸盐盐浴的温度为330℃，然后空冷。
回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至233℃，保温2.8h。
实施例9
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.5％，Si：0.3％，B：0.07％，V：0.1％，Ni：0.08％，Mo：0.2％，Nb：0.17％，Al：0.2％，Cr：3.4025％，Zr：0.07％，Sc：0.08％，Y：0.07％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
实施例10
本发明提出的一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.5％，Si：0.3％，B：0.07％，V：0.1％，Ni：0.08％，Mo：0.2％，Nb：0.17％，Al：0.32％，Cr：4.0％，Zr：0.07％，Sc：0.08％，Y：0.07％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
将实施例7-10所得自润滑合金高硬度轴承进行性能检测，其结果如下所示
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自润滑合金高硬度轴承，包括轴承外圈、滚珠和轴承内圈，其特征在于，其中轴承内圈外滚道面涂覆有聚四氟乙烯，滚珠为铁合金，其组分按重量百分比包括：C：0.2～0.5％，Si：0.3～0.6％，B：0.04～0.07％，V：0.1～0.3％，Ni：0.05～0.08％，Mo：0.2～0.3％，Nb：0.13～0.17％，Al：0.2～0.4％，Cr：3.2～4.0％，Zr：0.07～0.1％，Sc：0.05～0.08％，Y：0.07～0.1％，S≤0.015％，P≤0.02％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，Cr元素、Ni元素、Mo元素、Nb元素的含量满足如下关系：100×nCr＝[100×(nNi+nMo+nNb)]2+3.2，其中nCr、nNi、nMo、nNb分别表示Cr元素、Ni元素、Mo元素、Nb元素在滚珠的组分中所占重量百分比。
3.根据权利要求1或2所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，Al元素、Zr元素、Sc元素、Y元素的含量满足如下关系：100×nAl＝100×(nZr+nSc+nY)+0.1，其中nAl、nZr、nSc、nY分别表示Al元素、Zr元素、Sc元素、Y元素在滚珠的组分中所占重量百分比。
4.根据权利要求1-3任一项所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，滚珠的制备工艺包括：熔炼，浇注和热处理；其中热处理包括：奥氏体化处理，等温淬火，回火。
5.根据权利要求4所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，奥氏体化处理的温度为920～950℃，奥氏体化处理的时间为2～3h。
6.根据权利要求4或5所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，奥氏体化处理的具体操作如下：将浇注后物料以3～4℃/min的速率升温至530～560℃，保温6～8h，接着以1.5～2.5℃/min的速率升温至720～750℃，保温3～4h，再以1～2℃/min的速率升温至840～870℃，然后以0.5～0.8℃/min的速率升温至920～950℃，保温2～3h。
7.根据权利要求4-6任一项所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，等温淬火的具体操作如下：将奥氏体化处理后物料风冷至400～450℃，然后置于硝酸盐盐浴中保温28～38min，硝酸盐盐浴的温度为300～350℃，然后空冷。
8.根据权利要求4-7任一项所述自润滑合金高硬度轴承，其特征在于，回火的具体操作如下：将等温淬火后物料升温至232～235℃，保温2.5～3h。
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