SKF航空滾動軸承技術
2009-09-02 一、航空發動機軸承新材料
1.M50NiL軸承鋼
從1955年到1980年25年間，航空發動機軸承的轉速穩定增長，dn值已達到近2.5百萬。進入九十年代，航空發動機的高速和高溫對滾動軸承提出了更高的要求。然而，現有的軸承鋼，即使是專用的耐高溫軸承鋼，如M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各種派生鋼種，如CRB-7和GB-42，在明顯高于目前發動機軸承的溫度下仍能正常工作。但還有一個重要的制約因素，這就是淬透鋼軸承套圈在超高速條件下的易斷裂性，這種故障發生時很少或根本沒有前兆。
為了找出一種既有M50軸承鋼所具有的性能，且斷裂性更好的軸承鋼，SKF的MRC軸承公司在美國空軍的支持下開展了一系列研究工作，Z終選擇了M50NiL。
M50NiL除斷裂韌性有所提高外，與其它高溫淬透軸承材料相比，顯微組織和疲勞強度也都很好。其原因之一是M50iL中沒有大顆粒碳化物，因此，這種鋼對碳化物引起的疲勞裂紋不敏感。
盡管M50NiL原料的勘探比M50容易，且材料的軋制和鍛造更方便，但要想得到所需的理想淬透層、芯部顯微組織和一定的材料特性，必須精確控制淬火和熱處理工藝。為研究M50NiL處理方法，SKF付出了很大的努力，投入了大量的資金。MRC技術人員認為，通過熱處理可使這種材料在鄰近滾道表面處產生殘余壓應力，在高dn值條件下，該應力區可抵消圓周應力的作用，從而提高軸承壽命。采用SKF相奕控制工藝，可得到較高的壓應力，而且淬硬深度比傳統工藝高三倍。SKF曾用傳統的方法對M50NiL做過熱處理試驗，得出的材料斷裂韌性值為275~350MPa-m1/2，在軸承傳速達到dn=3百萬時，具有良好的止裂特性。要提高軸承轉速和/或產生更大的表面缺陷，斷裂韌性值就必需接近700MPa-m1/2。為了提高芯部韌性，SKF開發了一種工藝，可使熱處理后的M50NiL在不喪失表面特性的情況下得到一個特定的芯部韌性。SKF研究人員發現，該工藝還可提高殘留壓應力，從而進一步提高軸承的性能及可靠性。這種工藝包括將工件從奧氏體化溫度冷卻到芯部和表層馬氏體開始形成的溫度之間的一個溫度，然后將工件加熱到一個較高的溫度，并在表層（淬硬層）冷卻和相變之前回火芯部。通過選擇適當的芯部回火循環，可將芯部熱處理到所需的韌度和強度，而不會對表層特性有太大的影響。業已證明，根據所選擇的芯部回火溫度，芯部硬度應控制在30~45HRC。這種芯部韌性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到，現在SKF的熱處理工藝使具有良好的耐高溫性能的M50NiL也具有芯部韌性。此外，SKF研究人員還發現這種表面淬硬鋼還具有其它一些特點。一是表面處理。像滲氮鐵（FCN）這樣的表面處理對M50NiL具有有利的影響，它可在不含碳化物顯微組織的表面產生高壓應力區（＞1000MPa）。預期這種處理方法可提高抗腐蝕性、耐磨性和抗表面引起疲勞的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低，因此，在需要將軸承與法蘭或其它相類似的部件或材料連接起來制造單元軸承和復合結構部件時，可使用這種材料以降低成本。
目前，用M50NiL制造的軸承正在世界上12種不同的飛機發動機上進行試驗或應用，SKF公司處于世界領先地位。
2.陶瓷材料
為飛機提供動力的燃氣渦輪發動機效率極高，可使飛機速度達到3馬赫以上。發動機主軸軸承的工作條件要求非常高，預計主軸轉速要超過30000轉/分，軸承Z高極限溫度約800~900℃。從研究可以看出，在650℃以上的工作溫度以使用高溫合金材料，要想得到長壽命，希望渺茫，而陶瓷材料為軸承工作溫度提高到明顯高于650℃帶來了希望。
SKF通過研究，選出了一組可以滿足超高溫軸承工作要求的高性能陶瓷材料，在1100℃以上高溫條件下，這些陶瓷材料中，有一種性能Z佳，這就是過去十年里人們研制出的熱壓氮化硅或等壓氮化硅（Si3N4）。氮化硅之所以是理想的材料，是因為它具有良好的高溫強度和硬度，以及有利的強度/重量關系。當潤滑充分時，還具有極佳的抗滾動疲勞特性。1984年，SKF就在美國用固體潤滑劑對該材料進行了500℃以上高溫下的長期試驗。
然而，氮化硅也有缺點，其中包括抗拉強度低，止裂韌性差和熱膨脹系數極低等。因此，要制造和應用陶瓷軸承，還需要做大量的研究工作。
目前，SKF研究人員正在對碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）和氧化氮硅鋁（SiAlON）等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的適用性進行評定，SKF已將碳化硅用于40000轉/分的軸承試驗。碳化硅作為高溫軸承的有利性能是良好的熱傳導率、熱擴散性和抗氧化性以及材料的高純度（幾乎不存在因雜質造成的影響），其不利因素之一是彈性模數高，約高出熱壓氮化硅50%，這一點被認為是一個潛在的問題，因為它有產生高赫茲接觸應力的危險。SKF研究人員曾試圖考慮過通過調整滾道的曲率比來減少這方面的影響，但這樣做又會導致摩擦升熱的加劇。
3.固體潤滑劑
由于未來飛機發動機的計算工作溫度很高，要對這種工作條件下的軸承進行有效的潤滑，目前現有的各種合成潤滑劑都無能為力。眾所周知，在溫度超過液體潤滑劑所允許的極限時，可使用含有各種不同化學元素的氧化物、硫化物和氟化物等耐高溫、性能穩定的固體化合物。
許多普通的固體潤滑劑之所以成為有效的潤滑劑，是由于其晶格很容易被斷開，如石墨和二硫化鉬就是這樣。在空氣中，石墨潤滑的溫度極限范圍取決于其氧化程度。通過添加氧化劑或金屬鹽，可明顯提高氧化極限，從而改善軸承表面石墨膜的性能。
SKF的試驗表明，氮化硅用含有高溫添加劑的石墨來潤滑，其表面可形成一層耐摩擦化學膜，它可降低氮化硅的摩擦系數，使摩擦溫升降至Z小。
SKF還對其它一些可承受550℃以上高溫的固體潤滑劑進行了研究，它們的熱穩定性比石墨和二硫化鉬還好。目前，MRC軸承公司正在對一氧化鉛（PbO）、一種共晶氟化鈣/氟化鋇（CaF/BaF）混合物和一種銫鉬化合物進行試驗。一種耐高溫、且潤滑性能良好的固體潤滑劑可望在不久的將來問世。
二.軸承材料熱處理新工藝
目前航空發動機軸承的標準材料是在溫度高達300℃的條件下具有很好的疲勞強度的高速鋼。但當軸承以高速或超高速運轉時，這種材料的斷裂韌性、硬度和抗裂紋產生及擴展性等材料特性都不能滿足要求。為了改善材料組織，提高材料性能，滿足飛機發動機技術發展對軸承的要求，SKF對現有三種不同的軸承材料進行了研究，并通過實驗說明了材料組織性能之間的相互關系。這三種材料是，一種鑄造熱軋鋼（M2），一種粉末冶金材料（ASP23）和一種含碳0.65（重量百分比）、合金元素含量低的高速鋼派生材料。
1.斷裂韌性
在飛機發動機中，由于軸承轉速極高，并由此產生強大的離心力，因此軸承材料的斷裂韌性尤為重要。
在淬硬的高速鋼中，斷裂過程包括起始碳化物裂紋引起的縫隙出現，或裂紋末端的彈性區中由于馬氏體基體組織造成的減聚力產生。SKF對這三種材料的研究表明，隨著材料韌性的提高，材料硬度降低，而且淬火溫度下降。這主要是由于馬氏體含量較低和半生的基體組織彈性的提高所至。鋼中大部分碳化物由較低的溫度淬硬，它們擇斷裂韌性產生不利的影響。在硬度低的情況下，由于材料屈服強度的降低，低硬度鋼斷裂植之間的差別取給取決于碳化物的具體分布情況，在硬度高的情況下，碳化物所占的體積下降，碳化物之間的間隙和彈性的大小約相同，此時，斷裂韌性就不再主要取決于碳化物的分布，而且基體組織彈性也Z小。所以這三種材料的斷裂韌性值集中在750HV和更高的硬度。在硬度低、彈性區大的情況下，通過提高碳化物直徑或在硬度不變的條件下減少碳化物的比值可提高斷裂韌性。而且，當硬度提高時，斷裂韌性值的變化速度便下降。當彈性區小而碳化物之間間隙大時，基體組織對斷裂韌性影響Z大。
總之，高速鋼的斷裂韌性主要取決于基體組織的彈性，而基體組織彈性又在很大程度上受馬氏體組織和其含碳量的影響。SKF研究人員同時指出，其中當然也不能排除起始碳化物、殘余應力、殘留奧氏體和回火中從馬氏體析出的碳化物等其它因素對斷裂韌性的影響。
2.疲勞裂紋的發展過程
SKF研究人員將裂紋的發展過程分為以下幾個階段：
階段，裂紋開始擴展。雖然高速鋼的臨界應力強度可通過熱處理改變，但其值的變化范圍并不大，在3~5MPa/m2之間。
第二階段，裂紋擴展。高速鋼的裂紋擴展速度也相類似，如在10Mpa/m2情況下，約為5×10-6mm/循環。但用韌性較大的鋼材可減慢裂紋擴展的速度。
第三階段，裂紋迅速擴展。當裂紋達到這一階段時，軸承馬上就會失效。
3.表面處理工藝
根據對斷裂韌性和其它的關系及材料裂紋發展過程的研究分析，我們不難看出在dn值高且存在圓周應力的情況下，高速鋼的表面處理和含碳量低的高速鋼硬化表面深度的變化具有重要的意義。為此，SKF研制了材料表面處理工藝，可增強表面硬度，并產生壓應力。經表面處理的材料具有以下特點：有較好的抗疲勞裂紋性，第二階段，已有裂紋的擴展速度較低和淬火不足或含碳量低導致的芯部材料的斷裂韌性值較高等。
SKF開發的這種表面處理加工方法包括：
（1）用激光、電子束或感應淬火等方法對淬火不足的普通高速鋼進行局部熱處理，以得到表面淬硬層。這里需要指出的是淬火不足是為了提高斷裂韌性。
（2）用化學熱處理方法得到表面淬硬層。這種方法包括將碳或氮滲透到普通高速鋼顯微組織中，或小程度改變含碳量。
總之，SKF公司認為在為下一代航空發動機制定新的鋼材分析方法或改進熱處理工藝時，可以從表面處理得到的效應中獲得相當的益處。可以說，如果用熱處理手段開發的這種顯微組織和有關機械特性一旦被人們完全掌握，淬透鋼和高速鋼必將在航空發動機軸承中得到充分的利用。
1.M50NiL軸承鋼
從1955年到1980年25年間，航空發動機軸承的轉速穩定增長，dn值已達到近2.5百萬。進入九十年代，航空發動機的高速和高溫對滾動軸承提出了更高的要求。然而，現有的軸承鋼，即使是專用的耐高溫軸承鋼，如M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各種派生鋼種，如CRB-7和GB-42，在明顯高于目前發動機軸承的溫度下仍能正常工作。但還有一個重要的制約因素，這就是淬透鋼軸承套圈在超高速條件下的易斷裂性，這種故障發生時很少或根本沒有前兆。
為了找出一種既有M50軸承鋼所具有的性能，且斷裂性更好的軸承鋼，SKF的MRC軸承公司在美國空軍的支持下開展了一系列研究工作，Z終選擇了M50NiL。
M50NiL除斷裂韌性有所提高外，與其它高溫淬透軸承材料相比，顯微組織和疲勞強度也都很好。其原因之一是M50iL中沒有大顆粒碳化物，因此，這種鋼對碳化物引起的疲勞裂紋不敏感。
盡管M50NiL原料的勘探比M50容易，且材料的軋制和鍛造更方便，但要想得到所需的理想淬透層、芯部顯微組織和一定的材料特性，必須精確控制淬火和熱處理工藝。為研究M50NiL處理方法，SKF付出了很大的努力，投入了大量的資金。MRC技術人員認為，通過熱處理可使這種材料在鄰近滾道表面處產生殘余壓應力，在高dn值條件下，該應力區可抵消圓周應力的作用，從而提高軸承壽命。采用SKF相奕控制工藝，可得到較高的壓應力，而且淬硬深度比傳統工藝高三倍。SKF曾用傳統的方法對M50NiL做過熱處理試驗，得出的材料斷裂韌性值為275~350MPa-m1/2，在軸承傳速達到dn=3百萬時，具有良好的止裂特性。要提高軸承轉速和/或產生更大的表面缺陷，斷裂韌性值就必需接近700MPa-m1/2。為了提高芯部韌性，SKF開發了一種工藝，可使熱處理后的M50NiL在不喪失表面特性的情況下得到一個特定的芯部韌性。SKF研究人員發現，該工藝還可提高殘留壓應力，從而進一步提高軸承的性能及可靠性。這種工藝包括將工件從奧氏體化溫度冷卻到芯部和表層馬氏體開始形成的溫度之間的一個溫度，然后將工件加熱到一個較高的溫度，并在表層（淬硬層）冷卻和相變之前回火芯部。通過選擇適當的芯部回火循環，可將芯部熱處理到所需的韌度和強度，而不會對表層特性有太大的影響。業已證明，根據所選擇的芯部回火溫度，芯部硬度應控制在30~45HRC。這種芯部韌性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到，現在SKF的熱處理工藝使具有良好的耐高溫性能的M50NiL也具有芯部韌性。此外，SKF研究人員還發現這種表面淬硬鋼還具有其它一些特點。一是表面處理。像滲氮鐵（FCN）這樣的表面處理對M50NiL具有有利的影響，它可在不含碳化物顯微組織的表面產生高壓應力區（＞1000MPa）。預期這種處理方法可提高抗腐蝕性、耐磨性和抗表面引起疲勞的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低，因此，在需要將軸承與法蘭或其它相類似的部件或材料連接起來制造單元軸承和復合結構部件時，可使用這種材料以降低成本。
目前，用M50NiL制造的軸承正在世界上12種不同的飛機發動機上進行試驗或應用，SKF公司處于世界領先地位。
2.陶瓷材料
為飛機提供動力的燃氣渦輪發動機效率極高，可使飛機速度達到3馬赫以上。發動機主軸軸承的工作條件要求非常高，預計主軸轉速要超過30000轉/分，軸承Z高極限溫度約800~900℃。從研究可以看出，在650℃以上的工作溫度以使用高溫合金材料，要想得到長壽命，希望渺茫，而陶瓷材料為軸承工作溫度提高到明顯高于650℃帶來了希望。
SKF通過研究，選出了一組可以滿足超高溫軸承工作要求的高性能陶瓷材料，在1100℃以上高溫條件下，這些陶瓷材料中，有一種性能Z佳，這就是過去十年里人們研制出的熱壓氮化硅或等壓氮化硅（Si3N4）。氮化硅之所以是理想的材料，是因為它具有良好的高溫強度和硬度，以及有利的強度/重量關系。當潤滑充分時，還具有極佳的抗滾動疲勞特性。1984年，SKF就在美國用固體潤滑劑對該材料進行了500℃以上高溫下的長期試驗。
然而，氮化硅也有缺點，其中包括抗拉強度低，止裂韌性差和熱膨脹系數極低等。因此，要制造和應用陶瓷軸承，還需要做大量的研究工作。
目前，SKF研究人員正在對碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）和氧化氮硅鋁（SiAlON）等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的適用性進行評定，SKF已將碳化硅用于40000轉/分的軸承試驗。碳化硅作為高溫軸承的有利性能是良好的熱傳導率、熱擴散性和抗氧化性以及材料的高純度（幾乎不存在因雜質造成的影響），其不利因素之一是彈性模數高，約高出熱壓氮化硅50%，這一點被認為是一個潛在的問題，因為它有產生高赫茲接觸應力的危險。SKF研究人員曾試圖考慮過通過調整滾道的曲率比來減少這方面的影響，但這樣做又會導致摩擦升熱的加劇。
3.固體潤滑劑
由于未來飛機發動機的計算工作溫度很高，要對這種工作條件下的軸承進行有效的潤滑，目前現有的各種合成潤滑劑都無能為力。眾所周知，在溫度超過液體潤滑劑所允許的極限時，可使用含有各種不同化學元素的氧化物、硫化物和氟化物等耐高溫、性能穩定的固體化合物。
許多普通的固體潤滑劑之所以成為有效的潤滑劑，是由于其晶格很容易被斷開，如石墨和二硫化鉬就是這樣。在空氣中，石墨潤滑的溫度極限范圍取決于其氧化程度。通過添加氧化劑或金屬鹽，可明顯提高氧化極限，從而改善軸承表面石墨膜的性能。
SKF的試驗表明，氮化硅用含有高溫添加劑的石墨來潤滑，其表面可形成一層耐摩擦化學膜，它可降低氮化硅的摩擦系數，使摩擦溫升降至Z小。
SKF還對其它一些可承受550℃以上高溫的固體潤滑劑進行了研究，它們的熱穩定性比石墨和二硫化鉬還好。目前，MRC軸承公司正在對一氧化鉛（PbO）、一種共晶氟化鈣/氟化鋇（CaF/BaF）混合物和一種銫鉬化合物進行試驗。一種耐高溫、且潤滑性能良好的固體潤滑劑可望在不久的將來問世。
二.軸承材料熱處理新工藝
目前航空發動機軸承的標準材料是在溫度高達300℃的條件下具有很好的疲勞強度的高速鋼。但當軸承以高速或超高速運轉時，這種材料的斷裂韌性、硬度和抗裂紋產生及擴展性等材料特性都不能滿足要求。為了改善材料組織，提高材料性能，滿足飛機發動機技術發展對軸承的要求，SKF對現有三種不同的軸承材料進行了研究，并通過實驗說明了材料組織性能之間的相互關系。這三種材料是，一種鑄造熱軋鋼（M2），一種粉末冶金材料（ASP23）和一種含碳0.65（重量百分比）、合金元素含量低的高速鋼派生材料。
1.斷裂韌性
在飛機發動機中，由于軸承轉速極高，并由此產生強大的離心力，因此軸承材料的斷裂韌性尤為重要。
在淬硬的高速鋼中，斷裂過程包括起始碳化物裂紋引起的縫隙出現，或裂紋末端的彈性區中由于馬氏體基體組織造成的減聚力產生。SKF對這三種材料的研究表明，隨著材料韌性的提高，材料硬度降低，而且淬火溫度下降。這主要是由于馬氏體含量較低和半生的基體組織彈性的提高所至。鋼中大部分碳化物由較低的溫度淬硬，它們擇斷裂韌性產生不利的影響。在硬度低的情況下，由于材料屈服強度的降低，低硬度鋼斷裂植之間的差別取給取決于碳化物的具體分布情況，在硬度高的情況下，碳化物所占的體積下降，碳化物之間的間隙和彈性的大小約相同，此時，斷裂韌性就不再主要取決于碳化物的分布，而且基體組織彈性也Z小。所以這三種材料的斷裂韌性值集中在750HV和更高的硬度。在硬度低、彈性區大的情況下，通過提高碳化物直徑或在硬度不變的條件下減少碳化物的比值可提高斷裂韌性。而且，當硬度提高時，斷裂韌性值的變化速度便下降。當彈性區小而碳化物之間間隙大時，基體組織對斷裂韌性影響Z大。
總之，高速鋼的斷裂韌性主要取決于基體組織的彈性，而基體組織彈性又在很大程度上受馬氏體組織和其含碳量的影響。SKF研究人員同時指出，其中當然也不能排除起始碳化物、殘余應力、殘留奧氏體和回火中從馬氏體析出的碳化物等其它因素對斷裂韌性的影響。
2.疲勞裂紋的發展過程
SKF研究人員將裂紋的發展過程分為以下幾個階段：
階段，裂紋開始擴展。雖然高速鋼的臨界應力強度可通過熱處理改變，但其值的變化范圍并不大，在3~5MPa/m2之間。
第二階段，裂紋擴展。高速鋼的裂紋擴展速度也相類似，如在10Mpa/m2情況下，約為5×10-6mm/循環。但用韌性較大的鋼材可減慢裂紋擴展的速度。
第三階段，裂紋迅速擴展。當裂紋達到這一階段時，軸承馬上就會失效。
3.表面處理工藝
根據對斷裂韌性和其它的關系及材料裂紋發展過程的研究分析，我們不難看出在dn值高且存在圓周應力的情況下，高速鋼的表面處理和含碳量低的高速鋼硬化表面深度的變化具有重要的意義。為此，SKF研制了材料表面處理工藝，可增強表面硬度，并產生壓應力。經表面處理的材料具有以下特點：有較好的抗疲勞裂紋性，第二階段，已有裂紋的擴展速度較低和淬火不足或含碳量低導致的芯部材料的斷裂韌性值較高等。
SKF開發的這種表面處理加工方法包括：
（1）用激光、電子束或感應淬火等方法對淬火不足的普通高速鋼進行局部熱處理，以得到表面淬硬層。這里需要指出的是淬火不足是為了提高斷裂韌性。
（2）用化學熱處理方法得到表面淬硬層。這種方法包括將碳或氮滲透到普通高速鋼顯微組織中，或小程度改變含碳量。
總之，SKF公司認為在為下一代航空發動機制定新的鋼材分析方法或改進熱處理工藝時，可以從表面處理得到的效應中獲得相當的益處。可以說，如果用熱處理手段開發的這種顯微組織和有關機械特性一旦被人們完全掌握，淬透鋼和高速鋼必將在航空發動機軸承中得到充分的利用。