CN107475603A - 自润滑滚动轴承的制备方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种轴承的制备方法，对轴承套圈和保持架的材料选择、热加工工艺和硬度作了重大改变，旨在把滚动轴承和自润滑滑动轴承的优点结合起来，为冶金机械等装备制造业提供一种能长期工作在“转速较低、工作温度较高、难以经常加注润滑油脂、频繁受冲击”工况下的自润滑滚动轴承。

Description

自润滑滚动轴承的制备方法
技术领域
本发明属轴承制备技术领域，具体涉及一种自润滑滚动轴承的制备方法，适用于使用在转速较低、工作温度较高但又难以经常加注润滑油脂、频繁受冲击的工况之下。
背景技术
轴承的作用是减少运转的轴与静止的轴座之间的相互摩擦，于是，对轴承予以润滑以减少摩擦阻力并延长其寿命成为轴承的永恒主题。人们先是发明了轴套和滑动轴承，后来又发明出自润滑的滑动轴承，但是滑动摩擦的摩擦阻力大，无法适用中高速旋转的工况。滚动轴承的诞生解决了这一难题，从而获得了广泛的工业应用，成为最基础最关键的通用零部件。由于用量巨大，其质量性能和寿命至关重要，人们为此而研制出专门的钢种——轴承钢，并制定了各种通用的或者特殊的制造工艺规范。滚动摩擦的阻力大大低于滑动摩擦，这是滚动轴承优于滑动轴承的根本原因。然而滑动轴承可以采用自润滑方式，而滚动轴承却一直需要定期加注润滑油脂。在下述工况中，这种要求往往得不到满足：1、在冶金机械等环境温度较高的场合，频繁地定期加注油脂显然十分繁琐。按照规范要求，滚动轴承定期加注油脂的间隔时间以运行温度70℃为基准，超过这一温度，加注时间间隔便需缩短，100℃时缩短至基准时长的1/4，120℃时缩短至基准时长的1/10；2、有些轴承装在大型设备的心脏部位，为了润滑而拆装设备十分麻烦；3、交通运输装备上的轴承，出厂后难以跟踪维护。鉴于以上情况，事实上在设备维护管理比较松懈的企业，大量的滚动轴承是在干摩擦状况下运转，由此造成了轴承的早期报废和材料浪费。因此，多年来人们就产生了对滚动轴承自润滑的期盼，并作过多种努力，如发明了粉末冶金轴承。粉末冶金轴承材料的空隙中含油，起到了自润滑的作用，但是材料强度低，磨粒磨损严重，适用场合有限。等温淬火球墨铸铁(简称ADI)的出现，为自润滑滚动轴承的制造带来了希望。但是传统铸造的球墨铸铁，基体组织较粗大，石墨状态(球化率、球墨数量)不佳，等温淬火后获得的“奥-铁组织”与石墨形态，虽然可以很好地满足一般的装备制造对材料强韧化综合性能的要求，但却无法用在滚动轴承上。原因是：1、滚动轴承在正常使用前提下，失效破坏的主要原因是转动副之间的点接触疲劳损伤。球墨铸铁中存在的石墨虽然可贡献润滑效果，但是对于基体组织来说，其实就是一个个微小的坑凹。如果石墨球不圆整，球径较大的话，这种坑凹就会成为点接触疲劳裂纹的萌生点或启裂区，传统铸造所获得的石墨形态不佳，不足以避免成为接触疲劳的萌生点；2、传统铸造方法所提供的铸件，免不了含有气孔、砂眼、夹渣和缩松缺陷，远不如锻造后的轴承钢毛坯致密；3、传统铸造球墨铸铁的铸态组织较粗大，导致等温淬火时淬火保温时间和等温转变时间延长(分别为1.5和1小时以上)，热处理效率低，产品成本加大，所获得的组织性能也非最佳；4、水平连续铸造的铸铁型材虽然实现了铸铁材料组织的细密化甚至达到零缺陷，但是这种方法无法拉制出空心型材，显然满足不了轴承套圈对材料毛坯形状的需要。上述缺陷，阻碍了人们对自润滑滚动轴承的进一步应用，因此有必要提出改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种轴承的制备方法，对轴承套圈和保持架的材料选择、热加工工艺和硬度作了重大改变，旨在把滚动轴承和自润滑滑动轴承的优点结合起来，为冶金机械等装备制造业提供一种能长期工作在“转速较低、工作温度较高、难以经常加注润滑油脂、频繁受冲击”工况下的自润滑滚动轴承。
本发明采用的技术方案：轴承的制备方法，包括下述步骤：
1)轴承内外圈套的制备：使用中频感应电炉熔化铁水，铁水成分(％)为：C：3.3-3.6，Si：1.5-1.7，Mn：0.3-0.5，S≤0.05，P≤0.05，Fe：余量；
2)孕育和球化处理，使用球墨铸铁用硅铁孕育剂和镍镁、镍铜球化剂，使铁水的终硅量达到2.7-3.0％，镁含量0.03-0.045％；操作中尽量避免稀土和钛的掺入以求获得最高球化率；
3)按空心铸铁管材的垂直连铸方法规范，在垂直上引无芯连铸装备上，拉制球铁管材，球铁管材的内径比轴承内外套圈成品内径小4-5mm，其外径比轴承内外套圈成品外径大3-4mm；
4)在对轴承内外圈套车削加工后磨削加工之前，进行等温淬火处理；
5)检验半成品套圈金相结构及硬度，其金相组织中的石墨球化率达到95％以上，石墨球数量在300个/mm2以上，基体组织中铁素体的硬度比正常铸造组织中铁素体的硬度高出一倍以上，硬度要求达到HRC48以上；
6)轴承保持架的制备：使用中频感应电炉熔化铁水铁水成分(％)为：C：3.1-3.4，Si：1.7-1.9，Mn≤0.3，S≤0.05，P≤0.05，Fe：余量；
7)孕育和球化处理使用球墨铸铁用硅铁孕育剂和铁素体型球化剂，使铁水的终硅量达到2.8-3.2％，镁含量0.03-0.045％；
8)按空心铸铁管材的垂直连铸方法规范，在垂直上引无芯连铸装备上，拉制球铁管材，球铁管材的内径比保持架成品内径小4-5mm，其外径比保持架成品外径大3-4mm；
9)在对轴承保持架车削加工后磨削加工之前，对空心型材作760℃以上的退火处理；
10)检验半成品保持架金相结构，管材组织全为铁素体，球化率1-2级，石墨球200个/mm2以上；
11)轴承中滚珠的硬度与内外套圈硬度相同，或只高出1-2度；
12)将上述内外圈套、滚珠和保护架按常规工艺装配即可。
上述步骤4)中，将内外圈套加热至900-920℃，壁厚10mm以下的套圈，保温50min左右，壁厚10mm以上套圈，厚度每增加1mm，保温时间增加2min，保温时间足够后，迅速浸入230-250℃的等温介质槽中，保持时间50-60min，出槽后空冷，随后转入清水槽中，冲洗盐巴。
本发明与现有技术相比的优点：
1、圆整而细密分布的石墨球，既为轴承转动副摩擦提供了润滑剂，又可避免点接触疲劳损伤。垂直连铸的球铁空心型材，球化率高达93％以上，经等温淬火后进一步提高了石墨的圆整度，降低了坑凹棱边尖角处疲劳启裂的几率；石墨球数多，达到300-700个/mm2，如此细密的石墨，其最大坑口面积，仅为国标中7级石墨球(200个/mm2，是传统铸造所能获得的最小石墨)坑口面积的几十分之一，也远远小于轴承中滚动体与套圈的瞬间接触面积，故不会成为疲劳裂纹源；
2、细密的等温淬火组织，使轴承内外套圈材料具有了良好的综合机械性能。内外套圈中20-40％的高碳奥氏体，在运行过程中，表层受滚动体的滚压后可转变为马氏体，进一步提高了硬度和耐磨性，连铸型材中铁素体中的硅含量较高，淬火后的硬度比正常铁素体的硬度高出2-3倍，有效提高了套圈的整体强度，奥氏体和铁素体组织有效阻止了疲劳裂纹的深入发展，共同提高了材料的冲击功，延长了轴承使用寿命；
3、本发明中的球铁组织，由强韧兼备的奥-铁组织和石墨球组成，正是这些密集分布的石墨球，为滚动轴承提供了源源不断的润滑剂；
4、温升低，球铁材料的导热系数约为100以上，比钢的导热系数(50)大了一倍，摩擦热可以很迅速地传导出来，另外，球铁材料的抗回火性能高于钢，在较高温环境中工作，硬度不会降低，再加之铸铁的导热性能好，可以将摩擦热迅速传导出来，使轴承温度降低。球铁材料所制轴承的温升较低，可以工作于不超过等温淬火介质的温度(～200℃)环境；
5、噪音低，球铁材料的吸震性大于钢，可以减少滚动轴承的噪音；
6、重量轻，同样体积下球铁材料的重量比钢轻10％；
7、与锻件毛坯相比，高速精密连铸的球铁空心型材的加工余量小，又无须球化退火，制造工艺简单。
附图说明
图1为国标GB/T9441-2009中最高级别的三种石墨球与连铸空心型材石墨球的金相组织对比图；
图2为GCr15钢淬火组织金相组织图(放大100倍)；
图3为本发明中球铁淬火组织(放大1000倍)；
图4为本发明的轴承圈套半成品等温淬火工艺示意图；
图5为本发明的轴承保持架毛坯退火工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-5描述本发明的实施例。
轴承的制备方法，包括下述步骤：
1)轴承内外圈套的制备：使用中频感应电炉熔化铁水，铁水成分(％)为：C：3.3-3.6，Si：1.5-1.7，Mn：0.3-0.5，S≤0.05，P≤0.05，Fe：余量；
2)孕育和球化处理，使用球墨铸铁用硅铁孕育剂和镍镁、镍铜球化剂，使铁水的终硅量达到2.7-3.0％，镁含量0.03-0.045％；操作中尽量避免稀土和钛的掺入以求获得最高球化率；
3)按空心铸铁管材的垂直连铸方法规范，在垂直上引无芯连铸装备上，拉制球铁管材，球铁管材的内径比轴承内外套圈成品内径小4-5mm，其外径比轴承内外套圈成品外径大3-4mm；
4)在对轴承内外圈套车削加工后磨削加工之前，进行等温淬火处理；具体说，将内外圈套加热至900-920℃，壁厚10mm以下的套圈，保温50min左右，壁厚10mm以上套圈，厚度每增加1mm，保温时间增加2min，保温时间足够后，迅速浸入230-250℃的等温介质槽中(如硝盐)，保持时间50-60min，出槽后空冷，随后转入清水槽中，冲洗盐巴；硝盐槽要足够大，并配有搅拌装置，以保证温度均匀。其余工序(精车、磨削和定性处理等)与通行工艺相同，此处不再赘述；
5)检验半成品套圈金相结构及硬度，其金相组织中的石墨球化率达到95％以上，石墨球数量在300个/mm2以上，基体组织中铁素体的硬度比正常铸造组织中铁素体的硬度高出一倍以上，硬度要求达到HRC48以上；
6)轴承保持架的制备：使用中频感应电炉熔化铁水铁水成分(％)为：C：3.1-3.4，Si：1.7-1.9，Mn≤0.3，S≤0.05，P≤0.05，Fe：余量；
7)孕育和球化处理使用球墨铸铁用硅铁孕育剂和铁素体型球化剂，使铁水的终硅量达到2.8-3.2％，镁含量0.03-0.045％；
8)按空心铸铁管材的垂直连铸方法规范，在垂直上引无芯连铸装备上，拉制球铁管材，球铁管材的内径比保持架成品内径小4-5mm，其外径比保持架成品外径大3-4mm；
9)在对轴承保持架车削加工后磨削加工之前，对空心型材作760℃以上的退火处理；其余加工工艺与通行工艺相同，此处不再赘述；
10)检验半成品保持架金相结构，管材组织全为铁素体，球化率1-2级，石墨球200个/mm2以上；
11)轴承中滚珠的硬度与内外套圈硬度相同，或只高出1-2度；滚动体的材料和加工工艺与通行工艺相同，此处不再赘述；
12)将上述内外圈套、滚珠和保护架按常规工艺装配即可。
关于空心铸铁管材的垂直连铸方法(专利号：201310697738.3)，已在此前的专利文件中详细公开，具体内容如下：空心铸铁管材的垂直连铸方法，采用L型连铸保温炉与旋转磁场发生器和结晶器共同构成供铁水流通的U型通道，铁水浇注包中的铁水从L型连铸保温炉的U型通道左端入口处连续注入，流经旋转磁场发生器再进入结晶器，旋转磁场发生器产生的旋转磁场驱使磁场所包围的铁水高速旋转，带动结晶器内的铁水旋转，高速旋转的铁水在结晶器内从外至内冷凝，然后通过机械牵引辊牵引的钢管垂直向上拉拨出空心铸铁管材。
具体包括下述步骤：
1)喷火预热U型通道，使其底部表面温度大于800℃；
2)用位于结晶器正上方的机械牵引辊夹持住外径稍小于石墨套内径的钢管上端，并将钢管下端插入石墨套到达结晶器中部位置；所述钢管下端内径壁面上制有螺旋槽，以便铁水浸入后遇冷凝固与钢管成为一体；
3)熔化和配置出成分合适的铁水，1500℃左右出炉，倒入吊包，进行孕育处理，再倒入铁水浇注包中，液压缸工作使铁水浇注包倾斜，将铁水逐渐注入U型通道内；
4)当U型通道内的铁水液面高度稍高于结晶器中部位置并浸没钢管下端螺旋槽时停止浇注，根据需拉制的空心铸管直径确定预冷停顿时间，此时铁水在结晶器中自外向内开始凝固，预冷停顿时间结束后启动机械牵引辊开始拉拔，且在拉拔开始后，由液压缸控制的铁水浇注包持续向U型通道内浇注铁水，使结晶器内液面始终保持在其中部以上高度；
5)当拉拔出1-2米的空心铸管后，启动旋转磁场发生器，使结晶器内的铁水旋转；
6)当引晶用的钢管上升，其下端超过机械牵引辊1-2米后，机械牵引辊上方的切断机构工作切断空心铸管，并卸取放置于地面；
7)根据被截断管材的壁厚状况，调整拉拔参数和磁场强度，使之达到所要求空心铸管的管壁厚度和内孔精度；
8)拉拔结束时，待铁水浇注包中的铁水全部倒出后，打开泄铁孔的塞子，泄出全部铁水，同时关闭旋转磁场发生器和牵引机电源。
9)待L型连铸保温炉温度降低到接近室温时，关闭结晶器和旋转磁场发生器的进水管。
空心铸铁管材的垂直连铸方法的发明及其产品——铸铁空心型材的出现，为等温淬火技术提供了最佳的铸铁材料。垂直连铸的优势是：一是对相同壁厚管材的凝固过程而言，垂直连铸的冷却速度是砂模铸造的几十倍，是离心铸造的4-5倍，比水平连铸的冷却速度也要快。强大的冷却速度提供了强大的相变动力和形核率，获得了极其细密的铸态组织，其晶粒或共晶团的体积是传统铸造的1/8-1/10；二是铁水需要流经“U”字形通道方能进入结晶器，空气、渣子和砂子等杂物在浇注口漂浮其上，不可能随比重较大的铁水一起进入结晶器，凝固结晶处的管壁中没有气孔、砂眼、夹渣缺陷；三是铁水在结晶器的圆柱形石墨套中实现由柱面向心部的单向定向凝固，没有缩松层，极其致密；四是与水平连铸相比，管材径向上的凝固过程不受地心引力的影响，故在管壁的同一等径层的周向上，化学成分和金相组织均匀一致，硬度误差小于1(HRC)，而水平连铸实心型材的等径层周向上的化学成分不均匀，导致淬火硬度误差有时大于3(HRC)。
在本发明中，轴承的内外套圈，其原坯材料取自于连续铸造的球墨铸铁空心型材，并经过了等温淬火处理，其金相为在“奥-铁组织”中嵌有细密的球状石墨。“奥-铁组织”中的富含碳与硅原子的纳米级尺寸的奥氏体和铁素体，为轴承套圈材料提供了良好的强韧性匹配，耐磨、耐冲击，20-40％的残余奥氏体既提高了耐疲劳性，又会诱发形变硬化而使套圈表面耐磨；石墨的球化率在93％以上，石墨球密度在300个/mm2以上，都达到了传统ADI组织难以企及的高度。球状石墨为滚动摩擦提供了自润滑、吸收振动与快速导热的效果，其高度细密分布的特点又避免了引发点状接触疲劳裂纹。轴承滚动体沿用传统轴承钢，但硬度与套圈相同或略高。轴承保持架用连续铸造并经退火的球铁空心型材(QT400-22)制造。与轴承钢相比，球铁材料的淬火硬度在HRC54以下，致使它难以应用在高转速轴承上。所以，本发明将自润滑滚动轴承的适用范围，限制在“转速较低、工作温度200℃以下又难以经常润滑、频繁受冲击”的范围之内。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (2)

1.轴承的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
1)轴承内外圈套的制备：使用中频感应电炉熔化铁水，铁水成分(％)为：C：3.3-3.6，Si：1.5-1.7，Mn：0.3-0.5，S≤0.05，P≤0.05，Fe：余量；
2)孕育和球化处理，使用球墨铸铁用硅铁孕育剂和镍镁、镍铜球化剂，使铁水的终硅量达到2.7-3.0％，镁含量0.03-0.045％；操作中尽量避免稀土和钛的掺入以求获得最高球化率；
3)按空心铸铁管材的垂直连铸方法规范，在垂直上引无芯连铸装备上，拉制球铁管材，球铁管材的内径比轴承内外套圈成品内径小4-5mm，其外径比轴承内外套圈成品外径大3-4mm；
4)在对轴承内外圈套车削加工后磨削加工之前，进行等温淬火处理；
5)检验半成品套圈金相结构及硬度，其金相组织中的石墨球化率达到95％以上，石墨球数量在300个/mm2以上，基体组织中铁素体的硬度比正常铸造组织中铁素体的硬度高出一倍以上，硬度要求达到HRC48以上；
6)轴承保持架的制备：使用中频感应电炉熔化铁水铁水成分(％)为：C：3.1-3.4，Si：1.7-1.9，Mn≤0.3，S≤0.05，P≤0.05，Fe：余量；
7)孕育和球化处理使用球墨铸铁用硅铁孕育剂和铁素体型球化剂，使铁水的终硅量达到2.8-3.2％，镁含量0.03-0.045％；
8)按空心铸铁管材的垂直连铸方法规范，在垂直上引无芯连铸装备上，拉制球铁管材，球铁管材的内径比保持架成品内径小4-5mm，其外径比保持架成品外径大3-4mm；
9)在对轴承保持架车削加工后磨削加工之前，对空心型材作760℃以上的退火处理；
10)检验半成品保持架金相结构，管材组织全为铁素体，球化率1-2级，石墨球200个/mm2以上；
11)轴承中滚珠的硬度与内外套圈硬度相同，或只高出1-2度；
12)将上述内外圈套、滚珠和保护架按常规工艺装配即可。
2.根据权利要求1所述的轴承的制备方法，其特征在于：上述步骤4)中，将内外圈套加热至900-920℃，壁厚10mm以下的套圈，保温50min左右，壁厚10mm以上套圈，厚度每增加1mm，保温时间增加2min，保温时间足够后，迅速浸入230-250℃的等温介质槽中，保持时间50-60min，出槽后空冷，随后转入清水槽中，冲洗盐巴。
CN201710678787.0A 2017-08-10 2017-08-10 自润滑滚动轴承的制备方法 Pending CN107475603A (zh)

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