金属材料方向课程设计Word文件下载.docx
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滚动轴承工作时，滚动体与内、外套圈的接触面积很小，但承受负荷大。
为了防止在高负荷作用下发生过大的塑性变形，以致破坏轴承的精度和引起表面裂纹，所以要求轴承材料具有高的弹性极限。
4）适宜的硬度
硬度是滚动轴承的重要指标之一。
它与材料接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限有着密切的关系，直接影响滚动轴承的寿命。
滚动轴承用钢的硬度要适宜，过大或过小都将影响使用寿命因此硬度是轴承质量的关键指标之一。
5）一定的韧性
大多数轴承在使用时承受冲出负荷，尤其是轧钢机上使用的压下轴承。
因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因承受冲出负荷而破坏。
对于承受较大冲击载荷的轴承如轧机轴承铁路轴承等要求材料具有相对较高的冲击韧性和断裂韧性，这些轴承有的用贝氏体淬火热处理工艺，有的用渗碳钢材料，就是为了保证这些轴承具有较好的冲击韧性。
6）良好的尺寸稳定性
滚动轴承系精密的机械零件，其精度是以微米为计算单位的。
在长期的保存和使用中，因内在组织发生变化或应力变化会引起尺寸发生变化，导致轴承丧失精度。
这就要求轴承用钢应具有较好的尺寸稳定性。
7）良好的防锈性能
原油虽经脱盐脱水，但仍含一定数量的无机盐和水，其中氯盐在120℃以上易水解生成氯化氢。
高温重油部位叶金属的硫腐蚀常发生在常压、减压加热炉管、转油线以及蒸馏塔进料部位、塔底、热油泵的叶轮等高温重油部位。
滚动轴承的生产工序繁多，周期长，而成品亦需长期存放，故要求制造轴承用钢应具有一定的防锈性能，以便轴承零件在生产流程中和轴承保存期间不致锈蚀。
2.2化学成分的作用
1）C决定钢的性能的主要元素，保证钢的高硬度和耐磨性。
2）Cr提高淬透性和耐磨性（Fe，Cr）3C。
3）Si提高淬透性，增加钢的强度、弹性极限和疲劳强度。
Mn增加钢的强度提高淬透性，过热敏感性比较强。
4）Mo提高淬透性,细化晶粒。
5）P<
0.025%、S<
0.025%减少夹杂物，提高疲劳寿命。
2.3滚动轴承用钢冶炼质量的基本要求
滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶金质量有着密切的关系。
由于轴承钢所具有的特性，对冶金质量的要求比一般工业用钢要严格得多。
1）严格的化学成分要求:
一般轴承用钢主要是高碳铬钢即含碳量是1%左右，加入1.5%左右的铬，并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。
铬可以改善热处理性能，提高淬透性，组织均匀性，回火稳定性又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。
但当铬含量超过1.65%时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。
为此，高碳铬钢中的含铬量一般控制在1.65%。
只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得轴承性能组织和硬度。
2）高精度的尺寸要求
表1高碳铬不锈钢物理性
3）特别严格的纯洁度要求：
钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。
轴承钢中的氧化物，硅酸盐等有夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落，显著降低轴承寿命的主要原因，特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中，容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。
因此为了提高轴承的使用寿命和可靠性必须降低轴承钢中夹杂物的含量
4）严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求:
轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析，显微组织包括钢的退火组织碳化物网状、带状和液析等。
碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。
网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。
带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。
低高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响，所以，在轴承材料标准中对低高倍组织有着严格的要求。
5）特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求：
对轴承钢而言，表面缺陷包括裂纹夹渣、毛刺、结疤，氧化皮等，内部缺陷包括缩孔，气泡白点严重的疏松和偏析等。
这些缺陷对于轴承的加工轴承的性能和寿命有很大的影响在轴承材料中明确规定不允许出现这些缺陷。
6）特别严格的碳化物不均匀性要求：
在轴承钢中，如果出现严重的碳化物分布的不均匀，则在热处理加工过程中就容易造成组织和硬度的不均匀，钢的组织不均匀性对接触疲劳强度有较大的影响。
另外严重的碳化物不均匀性容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹，碳化物不均匀性还会导致轴承的寿命降低。
因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材均有明确的特别要求。
7）特别严格的表面脱碳层要求：
在轴承材料标准中对钢材表面脱碳层有着严格的规定，如果表面脱碳层超过标准的规定范围，且在热处理前的加工过程中又没有将其全部清除掉，则在热处理淬火过程中就容易产生淬火裂纹，造成零件的报废。
2.4防锈石油轴承的选材
高碳铬不锈纲属马氏体不锈钢，它不仅具有GCrl5型铬轴承钢所要求的性能，而且还具备高的耐腐蚀能力和一定的耐高温能力。
它主要用于制造在海水、河水、硝酸、海洋性气候等介质中和在低温（-183~283℃）、高温（＜350℃）下工作的轴承。
例如，石油机械、化工机械、食品机械、航天、航空工业、船舶等方面使用的轴承。
[3]
化学成分（质量分数%）
C
Si
Mn
Cr
Mo
S
P
9Cr18
0.9~1.00
≤0.80
17.00~19.00
≤0.030
≤0.035
9Cr18Mo
0.95~1.10
16.00~18.00
0.40~0.70
表2高碳铬不锈钢化学成分
牌号
用途
⑴用于制造海水，河水，蒸馏水，硝酸，海洋性气候蒸汽等腐蚀环境及无润滑的强氧化气氛中工作的轴承，如船舶、化工、石油机械中的轴承及航海仪表上的轴承等，也可作为耐蚀高温轴承材料，但使用温度不能超过250℃。
此外，它们还可以用于制作医疗手术刀具。
⑵用于微型轴承套圈和钢球；
⑶适于在高真空以及在-253～350℃温度范围内工作的轴承零件（套筒以及滚动体）。
0Cr18Ni9
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9Ti
制造耐腐蚀轴承保持架，防尘盖，套圈，钢球等
Cr17Ni2
制造高速，耐腐蚀轴承保持架，钢球。
1Cr13
制造940/00型滚针轴承的外套。
2Cr13
制造关节轴承的内套
3Cr3
4Cr13
制造耐腐蚀滚针和套圈。
表3高碳铬不锈钢适用范围
根据轴承服役条件以及性能要求，同时考虑经济性原则，因此选用9Cr18为本次设计的材料。
第三章零件加工工艺路线
3.1加工路线
下料→锻造毛坯→等温球化退火→车削加工→粗磨→淬火→回火→细磨→稳定化处理（附加回火）→精研工件表面→检验→成品→清洗→防锈
3.2套圈制造
套圈是滚动轴承的重要零件。
由于滚动铀承的品种繁多，使得不同类型轴承的套圈尺寸、结构刷造使用的设备、工艺方法等各个相同。
套圈制造的原材料为圆柱形棒料或管料，日前根据成型工艺不同，滚动铀承套圈一般有以下几种制造过程。
1）（棒料）下料→锻造→退火（或正火）→车削（冷辗成型）→热处理淬、回火→磨削→零件检查→退磁、清洗→提交装配
2）（棒料、管料）下料→冷辗成型→热处理淬、回火→磨削→零件检查→退磁、清洗→提交装配
3）（管料）下料→车削成型→热处理淬、回火→磨削→零件检查→退磁、消洗→提交装配
4）（体料）下料→冷（温）挤压成型→午削→热处理淬、回火→磨削→零件检查→退磁、清洗
3.3滚动体制造
材料改制→成形（冷镦、车削、锻造）→软磨外径或端面→热处理淬火、回火→磨端面→磨球基面（产品有要求时）→粗磨外径→细磨外径→终磨外径l→终磨外径2、磨凸度（产品有要求时）→超精外径（2级以上精度的滚子）。
3.4滚动轴承装配一般工艺过程
滚动轴承一般装配工艺过程可以归纳如下：
成品零件退磁清洗→成品零件尺寸选别→游隙计算、零件纽装配套→成品游隙检查→铆合保持架（需要时）→成品退磁清洗→成品检查→涂油、防锈包装
第四章热加工过程及分析
4.1锻造
热处理质量好坏，首先应控制锻造质量。
它不仅影响零件的成型，而且锻造组织对退火及其机械性能产生较大的影响。
由于9Cr18钢导热性差，钢中的合金碳化物在高温下溶于奥氏体中的速度慢，为此锻造加热速度也要慢，在800~350℃要进行预热。
又因其淬透性好，导热性差，故锻造后的冷却速度也应缓慢，否则将产生裂纹。
在锻造组织中不允许有过热、过烧、孪晶以及因停锻温度高，冷却缓慢产生的粗大网状碳化物。
因为，这些组织在退火中都无法消除而影响钢的最终性能。
正常的锻造组织应有奥氏体，马氏体和一次、二次碳化物所组成，钢的晶粒也应较细，这样在退火加热时，容易转变为奥氏体，退火后容易获得理想的组织和硬度。
[1]
表3高碳铬不锈钢热加工性能
4.2预备热处理[2]
9Cr18钢预备热处理采用的是球化退火，目的使组织变为均匀分布的细粒状珠光体，获得最佳的机加工性能并为淬火提供良好的原始组织，使淬火、回火后获得最佳的力学性能。
球化退火的技术要求9Crl8钢球化退火应达到“高碳铬不锈钢轨承零件热处理质量标淮”规定。
硬度：
退火后HB197—255。
显微组织：
均匀分布的粒状珠光体和一次碳化物。
不允许有欠热、过热及因锻造过热引起的孪晶碳化物。
脱碳层：
不得超过淬火前每边最小加工余量的三分之二。
（1）低温球化退火低温球化退火主要适用冷冲和半热冲钢球的退火。
它的作用是消除加工过程中的残余应力以及淬火过热、欠热零件的返修。
（2）一般球化退火一般球化退火是锻造毛坯球化退火的主要方法。
9Crl8钢一般球化退火加热温度范围较宽，在800~950℃都能获得合格的组织与硬度。
退火冷却速度对硬度的影响不大，甚至在90℃／小时的冷却进度下都可获得较满意的组织和硬度。
生产中常采用的退火加热温度为850~870℃（也可采用910+—10℃），保温后的冷却速度为30~90℃/小时。
（3）等温球化退火主要运用热冲球和锻制毛坯。
等温球化退火加热温度与一般球化退火加热温度相同。
随等温温度的增高硬度下降，珠光体组织较粗。
实际生产中常采用730℃等温。
退火名称
退火工艺
应用范围
备注
低温球化退火
温
度
℃
600℃出炉空冷
时间（小时）
⑴．冷冲和半热冲球退火；
⑵．淬火过热，欠热零件的返修；
⑶．消除残余应力；
零件留量小的需用铸铁罐装箱密封退火或采用保护气体电炉退火
等温球化退火
温度℃
热冲球和锻制毛坯的退火
一般球化退火
零件留量小的用铸铁罐装箱密封退火或采用保护气体电炉退火
表4球化退火工艺曲线
表5球化退火过程图解
4.3热处理工艺
4.3.1淬火工艺
9Crl8钢经淬火才能获得高的硬度，其淬火组织为隐晶马氏体、结晶马氏体、残余奥氏体及一次、二次碳化物。
为了防止表面氧化脱碳和腐蚀麻点，应采用盐沪、保护气氛炉和真空炉进行加热。
淬火工艺
淬火的目的是提高轴承零件的硬度，强度，耐磨性和疲劳强度，并通过回火获得高的尺寸稳定性和综合机械性能。
淬火后显微组织有隐晶马氏体和细小结晶马氏体、细小而均匀的残留碳化物以及残留奥氏体组成。
这些组织的相对含量以及分布将决定钢的性能。
淬火通常是在盐浴炉或在带有保护气氛的电炉中加热，以免脱碳。
在盐浴炉中加热，要防止零件表面产生腐蚀麻点。
淬火加热温度一般选用1050～1100℃，如超过1100℃，则由于淬火后组织中存在着大量残余奥氏体，硬度急剧下降，同时组织变粗，使钢的性能变坏。
对于易变性或薄壁，小零件宜选用加热温度的下限。
对在高温下工作并要求高硬度的零件，应选用加热温度的上限。
在加热时须在800℃～850℃预热后再升温到淬火温度。
预热时间一般为保温时间的二倍，保温时间按零件有效厚度来计算。
[4]
有效厚度
（毫米）
预热
终加热
加热设备
备注
温度（℃）
时间（分）
保温时间（分）
＜3
800～850
6
1050～1070
3～6
箱
式
电
炉
在盐炉中终加热的保温时间可按1分/毫米；
厚度大于14毫米者可按40秒/毫米～70秒/毫米计
3～5
6～10
1050～1080
6～8
7～12
1070～1090
10～13
9～12
9～14
1080～1100
13～15
13～16
15～18
14～16
17～20
19～22
16～20
21～25
22～27
19～23
表69Cr18钢轴承零件淬火加热温度和保温时间
4.3.2回火工艺
轴承钢回火工艺应根据轴承的服役条件和技术要求来确定。
通常分为三种工艺:
常规回火——一般轴承的回火；
稳定化回火——精密轴承回火；
高温回火——一些航空轴承及其他特殊轴承的回火。
1）温度的选择回火温度应比轴承工作温度高30～50℃.通常120℃以下工作的轴承，应用180～200℃回火；
要求在高温下工作的轴承，回火温度分别选用200℃；
250℃；
300℃；
350℃等。
在特殊条件下工作的轴承零件，最高回火温度可达400℃。
D级以上轴承零件可施行二次补加回火。
2）回火保温时间的选择通常按零件大小和精密以及回火加热介质确定保温时间。
回火时间一般选择在2～3小时。
该石油机械用防锈轴承的硬度要求为58～62HRC，应采用高温回火的热处理工艺如下
表7高温回火工艺曲线
第五章性能检测方法及分析
轴承零件要求具有高的接触疲劳强度，高的耐磨性，高的弹性极限，适宜的硬度，一定的冲击韧性，良好的工艺性能，良好的防锈性能，良好的尺寸稳定性。
在一般轴承零件的性能检测中，主要检测接触疲劳寿命，耐磨性，弹性极限，硬度，冲击韧性。
该轴承是用于石油机械中的防锈轴承，应当具有很好的防锈能力，故在性能检测中还应检测其防锈性能。
5.1接触疲劳强度测定[5]
接触疲劳试验一般是在模拟工作条件的接触疲劳试验机上进行的。
有试样和实物两种形式。
实物试验是零件疲劳强度决定性的考验，有重要的价值。
但是，其试验结果是结构、材料、工艺等许多因素的综合表现，较难分析单一因素的影响。
而模拟零件工作条件的试样试验是获得单一因素影响最有效而可靠的试验方法。
5.2耐磨性的测定
耐磨性几乎和材料所有性能都有关系，而且在不同磨耗机理条件下，为提高耐磨性
对材料性能亦有不同的要求。
试样的耐磨性能用M-2000磨损试验机在规定条件下测定，磨损试样尺寸为10×
10×
18mm,试验载荷为200N，转速为210r/rain,每二十分钟用BS224S电子天平测定试样的质量（精确到0.1mg），计算磨损量，每个试样测定5次；
以试样的磨损量来评估其耐磨性能。
5.3强度的测定
轴承材料要求具有较高的弹性极限，是为了保证轴承在受到较大载荷的情况下，不发生过大的塑性变形，使轴承仍能保持其精度，正常运工作，即要求轴承材料具有较高的屈服强度。
可采用WDW-3100型万能拉伸试验机测定各试样的屈服强度，抗拉强度。
5.4硬度的测定
该轴承零件要求硬度为52～60HRC，试样的洛氏硬度采用HBRV-1875洛氏硬度机测定，
加载150kg，每个试样测定5个点，计算其平均值。
5.5冲击韧性的测定
冲击韧性即材料抵抗冲击载荷的能力。
用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验机上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位面积上所消耗的冲击功成为冲击韧性，以ak表示。
目前常采用10×
55mm，带2mm深的V形缺口夏氏冲击试样，标准上直接采用冲击功（J焦耳值）Ak，而不是采用ak值。
因为单位面积上的冲击功并无实际意义。
工程上常用一次摆锤冲击试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。
而用缺口处的截面积F去除Ak，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即ak=Ak/F。
因此，冲击韧度ak表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
ak值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。
ak值取决于材料及其状态，同时与试样的形状，尺寸有很大关系。
ak值对材料的内部结构缺陷，显微组织的变化很敏感，如夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性，晶粒粗化等都会使ak值明显降低。
5.6防锈性能的测定
对于在腐蚀介质内工作的轴承零件，要求防锈，则需进行耐腐蚀检查。
此项检查一般是用人造海水或者稀硝酸水溶液来进行。
将防锈试件与一般试件同时放入腐蚀介质中，比较两试件表面全部腐蚀所用的时间，来估计该试件的防锈性能。
5.7常见缺陷及分析
1）.显微组织不合格：
（1）欠热是由于淬火温度低，保温时间短造成的，可以通过适当提高淬火温度或者适当增长保温时间。
（2）过热是由于淬火温度超过上限,且保温时间过长，可以通过降低淬火温度或者适当缩短保温时间。
（3）孪晶碳化物是由于锻造温度过高，且保温时间过长。
应按锻造加热工艺规范降低锻造温度。
（4）一次碳化物沿晶界析出是由于停锻温度高超过了1000℃。
停锻温度应控制在900～950℃.
2）.变形:
产生原因⑴淬火温度高或者冷却太快⑵加热不均匀。
防止方法：
⑴用淬火温度的中下限加热⑵在120～150℃的热油或者静止空气中进行淬火冷却。
3）.硬度偏低：
产生原因⑴淬火温度低或在正常淬火温度保温时间短⑵回火温度过高⑶退火组织不均匀。
⑴提高淬火温度、增长保温时间⑵降低回火温度⑶退火组织要合格。
4）.裂纹：
产生原因⑴淬火温度高，冷却太快⑵原材料或锻造有裂纹⑶淬火后零件未冷到室温就进行冷处理或冷处理回火不及时。
防治方法：
⑴降低淬火温度或缓慢冷却⑵淬火前对零件进行检查⑶零件冷却到室温方可进行冷处理，冷处理或冷处理后使零件回复到室温后再进行回火。
5）.脱、贫碳：
产生原因：
⑴在无保护气体的箱式电炉中加热温度高，时间长。
⑵淬火前存在脱碳、贫碳。
防止办法：
⑴淬火前零件要清洗干净，在保护气体电炉或真空炉中加热
⑵淬火前应对零件进行脱碳，贫碳检查。
6）.腐蚀麻点：
2件不干净便在盐炉中进行加热
⑵在盐炉中加热淬火未及时除盐
3炉的脱氧捞渣不及时。
淬火前将零件洗干净，在盐炉加热淬火后应及时除盐，加强脱氧捞渣制度；
或在有保护气氛，真空炉中加热。
第六章结论或建议
根据以上的讨论和分析，可得出结论如下：
（1）在石油等腐蚀介质中工作的轴承材料在满足所需要的力学性能的情况下还要良好防腐蚀能力。
故应选用不锈轴承钢9Cr18或9Cr18Mo。
（2）锻造过程中，为了防止受热不均而导致的锻造缺陷，锻造加热速度不宜太快，锻造后的冷却速度要慢，应在石灰中，热砂中或炉中冷却。
（6）对于轴承材料的特殊要求应逐项依次进行检测，对于本次任务所要求的轴承应特别进行防锈性能进行检测。
建议：
1石油防锈轴承也可采用9Cr18Mo不锈钢进行加工制造。
可以尝试用9Cr18Mo按照以上的加工路线进行加工，再比较一下两者的力学性能和防锈能力。
参考文献
[1]滚动轴承基础知识，中国轴承工业协会，人力资源职工教育工作委员会统编，河南人民出版社，2006：
129~132；
[2]轴承热处理工艺学,轴承行业教材编审委员会统编,机械工业出版社,1986：
185~192；
[3]尤绍军，严枫，陈文君，张卫华，轴承零件的选材及热处理,HEATTREATMENTOFMETALS，2004,29（9）；
[4]《热处理手册》编委会，机械工业出版社，1978:
126～137，《热处理手册（第二分册）》.第一版.北京；
[5]郑修麟主编，西北工业大学出版社，《材料的力学性能》.第二版,陕西；
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