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目前汽車正朝著輕型化、舒適、堅實、功率大、結構緊湊、經久耐用、加速性能好、可靠性能高等方面發(fā)展。另外,由于電子控制技術的進步,汽車也朝著耗能低、簡易方便、操作性強等實用性能方向發(fā)展,所以滾動軸承作為汽車支撐用的重要部件,必須適應這種趨勢。
汽車軸承在服役過程中,滾動體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力,經計算可高達5000N/mm2,軸承運轉時除了有滾動還有滑動,除受到高頻、交變的接觸應力之外,還受離心力的作用,如圖所示。據文獻記載,汽車軸承的主要失效模式有剝落、點蝕、粘著、拉傷、斷裂、精度喪失、振動噪聲超標等,因此,對軸承鋼的性能有如下幾點要求:①高的純凈度。②低的氧含量。③高的硬度和耐磨性。④良好的尺寸穩(wěn)定性。⑤足夠的抗壓強度和抗變形能力。⑥良好的工藝性能。
軸承鋼作為重要的特鋼品種之一,其質量優(yōu)劣和性能高低很大程度上反映著一個國家的冶金水平,汽車軸承鋼占年產軸承鋼的40%左右,用量很大。汽車軸承的壽命與可靠性固然與初設計、加工制造、潤滑、安裝和維護保養(yǎng)等有一定的關系,但原材料才是關鍵。
由上可知,在汽車軸承總成的幾大構件中,除了保持架由原始的沖壓用鋼改為普及的尼龍材料(如注塑成型的PA66+30%GF)和密封件較常采用橡膠材料(如ACM+SPCC、NBR+SUS430)外,我國汽車軸承的滾動體及內外圈大量使用的是這類含wC=0.95%~1.05%、wCr=1.40%~1.65%的高碳含鉻軸承鋼,為提高淬透性以適應零件壁厚變化的需要,增加Mo含量可發(fā)展出一系列高淬透性高碳鉻軸承鋼:例如德國的100Cr6、100CrMo,瑞典的SKF2、SKF3,美國的52100.3、52100.4,日本的SUJ2、SUJ3、SUJ4、SUJ5等,適用于馬氏體淬火,也適于超厚壁軸承零件的貝氏體淬火,它們之間的化學成分有細微差異,如表1兩者的對比,其實這些鋼種都可以看作是GCr15的變種。
表1 GCr15與100Cr6化學成分(質量分數)對比表(%)
牌號 |
C |
Cr |
Si |
Mn |
S |
P |
Mo |
Ni |
Cu |
O |
GCr15 |
0.95~1.05 |
1.4~1.65 |
0.15~0.35 |
0.25~0.45 |
≤12ppm |
≤20ppm |
≤0.1 |
≤0.2 |
≤0.25 |
≤10ppm |
100Cr6 |
0.93~1.05 |
1.35~1.6 |
0.15~0.35 |
0.25~0.45 |
≤10ppm |
≤25ppm |
≤0.1 |
≤0.3 |
≤0.25 |
≤8ppm |
盡管其品種相對比較單一,但它也是結構鋼(齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、非調質鋼、冷鐓鋼)中質量要求較苛刻的品種。苛刻的是需要提高鋼材的純凈度嚴格降低O、S、Ca、N、Ti等微量元素的含量,還需控制包括冶煉、澆鑄、軋制、鍛造等冶金成材過程中可能造成的缺陷,例如常采用真空脫氣、電渣重熔、爐外精煉等冶煉工藝。降低氧含量可以明顯延長軸承的疲勞壽命是業(yè)屆內一個不爭的事實,下圖給出了氧含量與軸承相對壽命的關系曲線圖。在國標GB/T 18254—2002中,對高碳鉻軸承鋼的O含量做了明確規(guī)定:模鑄鋼≤15ppm、連鑄鋼≤12ppm,實際生產中隨著冶金設備及工藝的開發(fā)控制更嚴,低至5ppm的水平。另外,標準或技術協議中對冶煉方法、非金屬夾雜物、偏析、脫碳層、低倍組織、顯微組織、碳化物不均勻性、表面質量、尺寸允許公差等都有相關限定,鋼廠及軸承生產企業(yè)在鋼材進出廠時,必須嚴加檢測和嚴格管理,馬虎不得。
需補充說明的是,汽車軸承除了絕大部分為滾動軸承外,只有曲軸軸瓦、連桿瓦、活塞襯套、減震器用導向座、變速箱倒擋齒輪襯套等為滑動軸承,它們不涉及到熱處理,主要依靠粉末冶金燒結+滾壓的方式成型,材料一般是背面采用wC≤0.15%的鋼制造(如08Al)、主軸瓦為合金層(如Al-Sn20Cu或常見的錫基、鉛基、銅基或鋁基類軸承合金)。后文所討論的熱處理針對的也是汽車滾動軸承。
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