轴承零件用高合金钢的等离子氮化处理

长期运行于高温、高速工况下的轴承,需要满足高可靠性要求。因此,这类轴承所用材料的清洁度远好于普通轴承钢。这种洁净钢材能抵抗起源于内部非金属夹杂物扩展导致的剥落,可获得更长的寿命。

不幸的是,轴承并不总是使用洁净的油进行润滑,在污染润滑条件下轴承运行工况可能非常苛刻。在这种苛刻的工况下,内部剥落发生之前,污染物就会在轴承滚道上造成凹陷,而凹陷会为剥落提供扩展点。在这样苛刻的情形下,轴承寿命低于内部剥落扩展模式的寿命,而且会受污物数量以及污物尺寸和硬度等各种因素的影响。

当轴承由于外部污物而失效,故障的发生总是很突然的、不可预料的。由于飞行过程中的发动机故障会造成紧急迫降,这种失效模式对于航空发动机轴承的安全尤其危险。因此,基于经济因素,需要污染润滑下的长寿命轴承并延长轴承更换周期。

使轴承能有效抵抗润滑油中外部污物造成失效的技术多种多样,包括改进热处理技术。其中一个例子就是表面硬化工艺,其可在轴承滚道表面形成硬化层。等离子氮化,也被称为离子氮化,属于低温氮化处理的一种。因此,相对于高合金钢气体氮化的困难而言,等离子氮化由于溅射效应变得相对容易。

NTN采用M50或M50NiL合金钢制造用于高温、高速工况的轴承,等离子氮化工艺合适用于此类高合金钢。M50或M50NiL合金钢的化学成分见下表:

材料
C

Si

Mn

Ni

Cr

Mo

V

M50

0.8

0.2

0.3

0.1

4.0

4.3

1.0

M50NiL

0.13

0.2

0.2

3.4

4.1

4.3

1.2

等离子氮化工艺的试验结果表明:

当钢材中的碳、氮含量之和(质量分数)超过1.7%,易产生晶间沉淀析出物,对轴承零件的质量造成不利影响;

在抑制晶间沉淀析出物生成的情况下,仅进行氮化处理不能获得足够的氮化层厚度,还需要增加扩散处理;

即使当扩散温度低于回火温度,延长扩散时间也会导致基体钢材硬度的降低;因此,工件扩散退火过程应在既能获得足够的氮化层厚度,又不导致基体钢材硬度降低的相关工况下进行;

等离子氮化及扩散处理可提高钢材的剥落损伤抗力;

经过适当的等离子氮化及扩散处理后,M50和M50NiL试样的外表面及表层硬度均得到了提高。对比未经等离子氮化及扩散处理的M50和M50NiL试样,等离子氮化试样显著提高了损伤抗力,滚动面有压痕的试样也展示出更长的寿命。

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