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高氮轴承材料钢组织演变与疲劳行为的研究

时间:2018-05-04 19:49来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇材料工程论文,材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。
本文是一篇材料工程论文,材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇材料工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
1.1 引言
轴承作为车辆、机床、传动机械以及其他高速转动机械设备的重要部件,被广泛应用到航空航天、机械制造、海洋船舶和车辆运输等重大领域[1-3]。为保证机械的正常工作以及安全稳定运行,轴承的使用性能及疲劳寿命等起着至关重要的作用。目前,我国的高端精密轴承生产制造技术仍处于低级发展阶段,尚无法满足制造业发展需要,严重制约着整个国家重大装备技术的发展。随着科学技术的发展与进步,轴承钢越来越面临着高负荷、高速和高温等苛刻工作环境和使用要求。轴承钢需具备较好的抗高温氧化性、高温尺寸稳定性和较高的接触疲劳性能等优异性能才能满足应用过程中苛刻的使用要求。19 世纪后期,随着轴承行业开始发展起来,高碳铬钢和 1%碳钢开始作为主要轴承材料。随后,欧美等轴承强国开始建立并不断完善轴承钢的相关检验标准进一步提高轴承钢生产质量水平[4-6]。后来,航空航天、海洋船舶和原子能等工业快速发展,各国开始研制开发能够适应高负荷、高温和高速等苛刻工况环境的新型钢种,并逐步形成了高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等轴承材料。早期美国研究开发的 AISI52100 钢(与中国的 GCr15 相近),凭借着优异的综合性能、易于生产以及价格低廉等优点得到世界各国广泛认可[7-8]。当时德国、日本、美国等国的轴承钢生产水平和发展方向处于世界领先地位[9-10]。20 世纪后期,军工装备的开发与应用、高新科学技术和经济等快速发展,对轴承工业的发展起到了促进作用;经济全球化、贸易自由化更推动了轴承钢标准的国际化。随着轴承钢开始专业化生产后,美国、日本、瑞典等国轴承钢质量水平和疲劳寿命得到了极大地提高。在世界轴承钢水平不断向前发展的过程中,中国轴承钢行业也迎来了其高速发展阶段。电渣重熔(ESR)、真空脱气(VD)等新技术以及连续式热处理等新工艺为轴承钢的生产发展奠定了基础[11],主要在轴承钢偏析、夹杂和氧化物等控制方面得以不断提高,尤其在夹杂物控制方面与世界轴承强国基本上没有差距。轴承钢的洁净度有了一定提高,碳化物均匀分布问题也得到了明显改善,使得我国轴承钢在氧含量控制和接触疲劳寿命等方面进一步缩短与欧美等轴承强国的差距。近年来,我国轴承钢生产已趋于专业化生产以来,轴承钢年均产量约占世界总产量的 60%,位居世界第一。但随着世界轴承市场的不断发展,各国开始提出高精度、低噪音和长寿命等高端轴承新要求,我国与世界轴承强国在高精度加工、高技术含量和高附加值轴承产品方面仍存在较大差距,主要是高端精密仪器设备和应用于特殊工况条件下使用的专用轴承仍不能自主生产[12]。我国的轴承钢面临着专业化生产程度较低、种类较少、规格不全、质量水平和性能稳定性较差等主要问题[13]。当前,面对日本 NSK、瑞典 SKF、美国 Timken 和德国 WST 等世界顶尖轴承生产公司的冲击,对于国内轴承制造行业来说,此时机遇与挑战并存[14-15]。政府高度重视、社会进步和经济发展等都将极大地促进轴承钢行业的发展。《全国轴承行业“十三五”发展规划》[16]中指出,必须努力突破轴承钢技术质量“瓶颈”,全面推动轴承钢发展,将国际先进标准引入到本国的轴承制造行业,推动特钢企业以实施“强基工程”示范项目为契机实现转变升级。到 2020 年,率先实现轴承行业在我国制造行业中由大到强的战略转变,到2025年成为世界轴承强国这一目标而努力奋斗。
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1.2 高氮轴承钢的发展及研究现状
目前,国际组织、专家等对于高氮钢的定义尚未统一[17]。国际知名高氮钢专家 Speidel[18]认为:在铁素体或者马氏体中氮含量≥0.08%或者氮在奥氏体中的质量分数≥0.4%,则可称之为高氮钢。Gavriljuk 和 Berns[19]根据钢种类的不同进行划分,认为工模具类钢中的氮含量≥2.0%、不锈钢类中的氮含量≥0.9%或者抗蠕变钢中氮含量≥0.1%,可称之为高氮钢。2004 年 12 月在美国召开国际先进材料加工、生产和技术会议上对高氮钢进行了定义,即在一定压力作用下或者通过某种方法加入的氮浓度比液态时标准溶解度高的钢种[20]。氮作为合金元素加入到钢中,可获得强度高、塑韧性好、耐河水、海水腐蚀和无磁性等优异的性能,广泛应用于军工制造、交通运输、海洋船舶和石油化工等行业的各个领域。近年来,随着国际组织对高氮钢研究的重视程度不断提高以及定期召开高氮钢国际会议进行交流等,极大地促进了高氮钢的研究发展。目前,欧美等轴承工业强国研发出多种含氮不锈钢及其改进型,如美国阿姆科材料公司研制 ARMCO Nitronic40 系列、美国 Latrobe 公司研制的 LNS 系列、德国 FAG 公司研制 Cronidur 系列和日本研制的 ES1 系列等。Cronidur 系列高氮钢的主要化学成分见表 1-1。当前,基于航海船舶、航空航天以及低温工程等领域对高氮钢性能提出更高的要求,在材料中用 N 代替 Ni 进行合金化,越来越被国际组织所认可。此外,Ni 为致癌物质,用 N 代替 Ni 符合环保要求。因此,为建设安全环保型社会,高氮钢必将进入一个高速发展的时代[21]。
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第 2 章 试验材料及方法
 
2.1 试验材料
本试验采用 40Cr15Mo2VN 高氮轴承钢作为实验材料,通过非真空冶炼+电渣重熔双联冶炼工艺进行冶炼,后锻造成直径约为 Ф120mm 棒料,其主要化学成分(质量分数,wt%)见表 2-1。随后将 Ф120mm 试验棒料进行退火处理,工艺如图 2-1 所示。
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2.2 试验仪器及试验方法
 
2.2.1 试样的制备及热处理工艺
在 Ф120mm 棒料上通过线切割加工成冲击、拉伸试样毛坯和疲劳试验毛坯。试样表面涂一层防止试样表面脱碳的抗高温氧化涂料,后按照图 2-2 所示进行热处理。待加热到指定温度后,放入试样透保一定时间后进行淬火处理后立即取出,以油淬方式冷却至室温。对试样表面油渍进行清洗后,放入冷柜中进行冷处理,然后取出试样放置空气中恢复到室温,后高温回火处理后以空冷方式冷却至室温。再重复进行一次冷处理和回火工艺。本试验所用箱式电阻炉和冷柜如图 2-3 所示。
 
2.2.2 试验钢的力学性能试验
本试验过程中主要进行洛氏硬度、室温及高温拉伸和室温冲击等常规力学性能检测。其具体步骤如下:(1) 硬度试验 洛氏硬度试验按照 GB/T230.1-2004《洛氏硬度试验方法》进行。采用TH300型洛氏硬度计作为本试验测试设备如图2-4所示。载荷大小设定为150kg,加载时间设定为 10s。其中第一点作为试样校准点不参与计算,后续三点平均值作为试样硬度最终测试值。显微硬度试验采用 FM-300 数字显微硬度计,按照GB/T4340.1-1999《金属显微硬度试验方法》进行本试验硬度试验操作。显微硬度载荷通常选取为 100g,加载时间设定为 10s。(2) 拉伸试验 对热处理后粗加工试样进行精加工成标准拉伸试样如图 2-5 所示,然后按照 GB/T228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》进行本试验测试操作。拉伸试验机型号为 WE300B 型,拉伸试验测试主要是测定试验材料的抗拉强度 Rm和屈服强度 Rp0.2等。(3)冲击试验 将热处理后粗加工试样精加工成 10×10×55mm 标准 U 型缺口冲击试样如图 2-6 所示。后按照 GB/T229-2007《金属夏比缺口冲击试验方法》进行本试验测试操作,测量室温下试样冲击功值。冲击试验机采用 JBN-300B 型摆钟式冲击试验机。
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第 3 章 高氮轴承钢冶金质量与回火组织特征...... 19
3.1 引言 ........... 19
3.2 试验内容及方法 ......... 19
3.3 试验钢中的非金属夹杂物 ........... 20
3.4 试验钢高温回火后组织特征 ....... 19
3.5 本章小结 ............ 26
第 4 章 高氮轴承钢碳化物演变规律及球化机制的研究........ 27
4.1 引言 ........... 27
4.2 试验内容及方法 ......... 27
4.3 析出过程中的热力学计算 ........... 27
4.4 钢中碳化物演变规律及球化机制初探 ......... 29
4.5 本章小结 ............ 37
第 5 章 高氮轴承钢室温滚动接触疲劳性能的研究....... 39
5.1 引言 ........... 39
5.2 试验方法及内容 ......... 39
5.3 接触疲劳性能测试分析 ...... 39
5.4 钢的接触疲劳剥落坑形貌分析 ............ 41
5.5 钢的接触疲劳裂纹形成与扩展 ............ 42
5.6 本章小结 ............ 47
 
第 5 章 高氮轴承钢室温滚动接触疲劳性能的研究
 
5.1 引言
接触疲劳是指轴承在长时间的循环应力作用下,易在钢中空洞、夹杂或碳化物等缺陷处产生微裂纹,裂纹逐渐扩展并最终导致轴承失效。由于较小的接触面积,导致应力一般可达 3.5-5GPa。因此轴承的主要失效形式是接触疲劳破坏,当轴承接触区域局部发生剥落时,就可能形成麻点成为裂纹源,最终导致轴承失效。接触疲劳的离散性、疲劳寿命与应力大小存在着密切相关,此外还与应力分布均匀性有一定关系。通过滚动接触疲劳加速试验方法能够测试试验钢的额定寿命 L10和中值寿命L50,并通过对接触疲劳剥落坑形貌和剥落坑剖面图观察分析,主要研究了高氮轴承钢的接触疲劳破坏的内在机理。
 
5.2 试验方法及内容
将试验钢加工成旋转弯曲疲劳毛坯试样后,对其进行淬火(1050 ℃× 30min油淬)+深冷(-73 ℃× 2h空冷)+回火(440℃  ×2h空冷)后重复一次深冷回火工艺。将热处理之后毛坯试样进行精加工如图 2-9 所示。实验设备采用国产 BG-M10 轴承材料接触疲劳试验机如图 2-8 所示,主轴转速一般为 8000r/min,润滑条件为航空高温齿轮油润滑,试验在室温下进行。试验钢球为标准 GCr15 钢球,试验采用接触应力 4.0GPa 的对比试验,试样发生疲劳失效后,试验机自动停机并保存试验数据。通过计算得出额定寿命 L10和中值寿命 L50(其中 L10是指 90%的试样在疲劳失效前所能够达到或超过的运转总数;L50是指 50%的试样在疲劳失效前所能够达到或超过的运转总数)以及斜率。主要通过扫描电镜对疲劳剥落和滚道形貌进行观察分析,研究试验钢疲劳破坏的内在机理。试样在接触疲劳失效后,主要通过光学显微镜对疲劳剥落坑形貌进行观察如图5-2 所示。滚动轴承工作时受到长时间周期性高接触应力作用,表面或次表面缺陷处产生微裂纹,随着微裂纹进一步扩展,轴承表面产生划痕、点蚀和麻点等机械损伤,进而产生分层和剥落,最终导致疲劳失效。表面损伤过程中还受到润滑油中的杂质、磨削以及运转偏差等因素影响。
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结 论
 
高氮轴承钢是我国轴承发展中的关键领域之一,具有很高的经济价值和应用前景。随着有关高氮轴承钢的理论研究及实践不断取得巨大进步,必将使得高氮轴承钢进入一个高速发展的时代。本文拟通过热处理工艺研究了 40Cr15Mo2VN 高氮轴承钢其组织特征以及碳氮化物演变规律与硬度之间的关系,并对室温滚动接触疲劳性能和室温、200℃条件下的旋转弯曲疲劳性能等进行了分析研究,得到以下主要结论:高氮轴承钢预备组织中 M23C6型碳化物主要沿晶界分布,碳化物尺寸多数集中在 0.4-0.8μm。低于 750℃保温过程中,随着温度的升高碳化物视场面积个数逐渐减少而视场面积百分数逐渐增加。碳化物粗化特征值 r*=0.8μm,尺寸在此之上的碳化物随着保温时间增加而进一步长大;800℃保温时,M23C6和 Cr2N 型碳化物同时析出;900℃保温时,钢中碳化物视场面积个数和视场面积百分数减少、质量分数下降,碳化物形成元素回溶到基体中。高氮轴承钢在低于 750℃保温过程中,长棒状碳化物以自身球化方式球化长大。钢中碳化物圆整度频数最大值由 0.65 增加到 0.80,在 700℃保温 10h 后碳化物球化效果较明显。高氮轴承钢高温回火热处理后组织为回火马氏体,碳化物主要沿晶界分布,板条间有纳米级碳化物析出,板条宽度基本上处于 180-260nm 之间。碳化物类型主要为 M23C6型和 VC 型。非金属夹杂物类型主要为 Al2O3、Al2O3-SiO2-CaO(硅酸盐类)、MnS、MnS-Al2O3复合型和少量的 CaS 等,非金属夹杂物尺寸主要集中在 6μm 以下,夹杂物多呈不规则形状。在回火过程中高氮轴承钢碳化物发生粗化长大,合金元素 Mo、V 溶入碳化物中造成晶体结构产生畸变,进而达到强化碳化物提高硬度的目的。但随着碳化物的长大、粗化,碳、氮原子与合金元素之间的原子配比将会逐渐达到平衡,析出强化效果将减弱。在回火过程中随着温度的升高,小于 1.2μm 碳化物逐渐粗化长大,碳化物视场面积个数基本维持不变,而碳化物视场面积百分数由 6.2%增至 7.47%。当碳化物尺寸达到 2.0μm,析出强化效果开始减缓,与此同时大量合金元素溶入碳化物中,导致基体脱溶,基体硬度将下降。综合考虑:回火后硬度变化主要由碳化物析出和基体脱溶共同作用的结果。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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