特鋼研發專題:軸承及軸承鋼最新發展動態
  發布時間:2020年01月07日 點擊數:

  特殊鋼研發系列報道

  特殊鋼是先進裝備制造業的基礎材料,是高端制造業發展的重要保障。但是特殊鋼的需求量小、品種多、生產技術含量高,影響了我國特殊鋼高端產品的開發。為促進我國特殊鋼產業的高質量發展,世界金屬導報特組織特殊鋼研發進展系列專題報道,重點介紹特殊鋼的發展趨勢及新品種開發,以饗讀者。

  隨著全球環保意識的不斷增強,汽車電動化和風力發電引入速度加快,軸承需要應對這些新變化。此外,應用在鋼鐵設備等惡劣環境中的軸承,需要提高耐用性。今年,軸承鋼及相關領域圍繞這些新需求、新趨勢,不斷進行探索、研究和創新。

  1  汽車電動化

  1.1電動汽車發展的主要趨勢

  汽車電動化是汽車發展的方向,但它使汽車驅動方式發生改變,與傳統汽車依靠內燃機驅動方式不同,在新一代汽車中,混合動力電動汽車(HEV)通過在驅動中利用電機,從而能夠抑制CO2、NOx等氣體排放,電動汽車(EV)更是實現了零的排放。

  盡管如此,IEA(國際能源機關)預測,到2050年,燃油汽車仍將保有50%以上。因此,對于內燃機而言,也開展了諸如搭載怠速停止機構、進行裝有小型渦輪增壓器的發動機等的研究,以推進熱效率的提高。

  未來,如果汽車電動化使電機驅動成為主流,則將形成比目前內燃機結構簡潔的動力傳動系統,每輛汽車的軸承數量及其鋼材使用量將不可避免地減少。另外,從小型輕量化、傳動效率的提高(低扭矩化)、應對電動化(應對使用電機驅動需要的高速旋轉)等的需求來看,未來軸承的使用環境將更加惡劣。

  1)小型輕量化

  由于提高燃油效率和搭載空間的限制,要求組件小型輕量化,同樣也要求軸承小型化。由于小型化,軸承負荷容量變小,因此需要對軸承長壽化和靜態強度下降采取應對措施。

  2)傳動效率提高

  為了提高動力傳動效率,從降低HEV·EV組件機械損失的觀點出發,要求軸承低扭矩化(降低損失),需要采取降低滾動摩擦、滑動摩擦、攪拌損失等措施。

  3)高速旋轉

  為了提高效率、提高行駛時的最高車速,推進電機小型化和高速旋轉,需要在超過以往容許轉數的條件下進行高速旋轉。

  1.2問題及措施

  面對動力傳動和驅動傳動用軸承長壽化、高速旋轉、低扭矩化的發展趨勢,將會產生一系列的問題,下面介紹解決這些問題的相關技術最新研發進展。

  1)長壽化

  由于HEV·EV動力傳動裝置高速旋轉,當滾珠軸承因潤滑環境劣化導致套圈和滾珠之間油膜形成不足時,表面性狀變差,將發生表面起點剝離的問題。作為表面劣化的對策,開發了強化滾動體的長壽化滾珠軸承。具體而言,對在SAE52100鋼(相當于JIS標準鋼SUJ2)基礎上增加0.3mass%-0.4mass%Si的鋼材實施特殊滲碳氮化處理,使之析出高硬度的Si·Mn系氮化物強化鋼球,即使在EHL油膜參數Λ低的惡劣潤滑條件下(Λ值為0.3,Λ=hmin(最小油膜厚度)/σ(兩個接觸表面的合成粗糙度)),鋼球表面的粗糙度仍不易降低。對6206深溝滾珠軸承進行了內置試驗,確認可以達到長壽的效果。

  用于游星齒輪部位的行星齒輪軸(作為內輪軌道面的軸),對SUJ2鋼實施特殊滲碳氮化,通過殘余奧氏體(γ)、碳氮化物、殘余壓應力提高耐久疲勞強度;對SUJ2實施特殊高頻淬火,同時減少心部的殘余奧氏體,抑制高溫環境下的熱塑性彎曲,提高耐久性疲勞強度。另外,還開發了采用高鉻淬火鋼、進一步提高耐久性疲勞強度的超長壽命行星齒輪軸。

  變速機用軸承,由于應用于含有齒輪咬合時的磨損粉末等硬質異物的油潤滑環境下,必須具有耐異物性。為此,對調整了Si、Mn、Cr含量的開發鋼實施高濃度滲碳淬火回火,開發了使碳化物(平均0.2μm,面積比約10%)分散強化的小型圓錐滾子軸承。

  2)應對高速旋轉

  為了實現高功率、緊湊的HEV、EV驅動組件,必然要促進電機的高速化。對于為實現高速旋轉而降低潤滑黏度、由于潤滑的高溫化導致的發熱以及磨損等問題,通過套圈溝曲率、滾珠直徑、節圓直徑等的優化,降低滾珠與套圈之間的滑動。另外,為了防止因離心力增加導致保持架變形,進而與滾珠發生摩擦,設計了雙柱形狀的保持架。

  3)低扭矩化

  隨著汽車電動化的發展,驅動系統的選項增加,可以預見動力傳動的變速機構將發生變化。變速機用軸承起到平滑支持傳導發動機、電機旋轉·扭矩的齒輪軸的作用,因此,存在著降低旋轉扭矩的問題。變速機用軸承大多采用對齒輪咬合時的徑向和軸向兩種負載具有高載荷能力、利于高剛性和節省空間的圓錐滾子軸承,但存在著損失扭矩較大的問題。各軸承生產企業通過鎖定扭矩發生源并對其處理,實現了低扭矩化。例如,通過降低潤滑油攪拌阻力、抑制軸承內部流入潤滑油量等減少損失的方法。另外,由于將滾子軸承更換為滾珠軸承可實現扭矩減小,因此,開發了可用于差速驅動齒輪軸支撐以及在變速器中承受大軸向載荷部位的滾珠軸承等。

  另外,大量用于發動機的滑動軸承需要油泵,使其產生高液壓,來向軸承部位提供潤滑油,但在低速旋轉區域無法形成高壓,因此供油不充分,存在滑動摩擦阻力較大的問題。因此,將滑動軸承改為滾動軸承,不需要高液壓,可實現油泵小型化和低扭矩啟動,易于采用怠速停止機構,有利于降低燃耗。

  總之,伴隨著電動汽車高效化和高速旋轉的要求,可以預見,軸承使用環境將日益惡劣。因此,需要應對軸承小型輕量化(小口徑·減薄從而實現小規格化)要求,為應對有利于低扭矩化的低黏度潤滑油環境、降低摩擦而用滾珠軸承代替滾子軸承等,對軸承鋼提出了高可信度和長壽化的要求。同時,對于因高速旋轉引起的潤滑油高溫化黏度下降,造成滾動體和座圈之間發生金屬接觸(滑動)的問題,以及由于殘余奧氏體分解使部件尺寸改變等問題,需要根據軸承使用環境采取相應的對策。

  2  風力發電擴大

  近年來,風力發電作為不排放CO2、對環境影響小的清潔能源得到了發展,累計發電容量逐年增加。

  初期階段,安裝在陸地上的風車,由于安裝場所的減少或為了提高發電效率和設備運行率,逐漸向海上發展,且日益大型化。

  由于安裝在海上的風車不易維護,要求所使用的軸承在長時間內具有可靠性。

  風車齒輪箱用滾動軸承存在早期破損的問題,其破損形態之一為內部起點型剝離。對這種剝離進行了研究,研究結果是,由于潤滑油或干油的分解以及潤滑油中的水分,發生氫侵入到鋼中,產生氫脆,造成剝離破損?;瑒?、振動、靜電等都參與了氫的發生。

  研究人員使用改變軸承內圈的溝曲率的不同PV值(P:面壓力、V:滑動速度)的深溝滾珠軸承,進行了滾動疲勞試驗。在試驗中發現,剝離并不是接觸面壓力最大的軌道面溝底,而是發生在滑動大的軌道端部附近。PV值在閾值以上時,發生此類剝離。盡管風車的齒輪箱軸承采用的是滾柱軸承和圓錐滾子軸承,套圈和滾動體之間的滑動相對較小,但當轉動軸急速加減速時,有可能出現較大滑動。

  另外,近年來,還觀察到另外不同的破損形態,即滾動軸承中軸承套圈的軸向裂紋。研究人員通過在SUJ2制滾柱軸承外圈侵入氫進行滾動疲勞試驗,推測其起因是白色組織破損形態的一種。

  為了解決剝離的問題,對壓縮應力和殘余γ進行了研究。研究人員確認了壓縮應力和殘余γ量對SUJ2普通淬火材料具有較大意義,可提高滲碳氮化處理材料的壽命。推測其原因是,在壓縮應力的作用下,延遲裂紋發展,以及相對于馬氏體組織,氫擴散速度較慢的奧氏體延遲了氫向剪應力區域的濃化。

  此外,從防止氫侵入的角度出發,使軌道表面形成氧化膜也是一種有效的手段。當在潤滑劑中添加材料的作用下,金屬新生面上因摩擦化學反應形成氧化膜時,可保證軌道面表面實現化學性穩定。從鋼材成分出發,確認添加Cr可有效抑制白色組織的剝離,其原因是在最大剪應力區域防止了氫向微小缺陷中的擴散。

  總之,風力發電用軸承,為了防止早期剝離失效,從抑制氫侵入或以減輕侵入氫的角度研究開發新的鋼材。

  隨著風電裝置向大型化的方向發展,風電裝置軸承也隨之大型化。因此,產生大型軸承的熱處理問題。為此,要求開發淬透性好、淬火變形小的軸承鋼。

  此外,由于風電裝置軸承是長期使用的軸承,所以要控制鋼中的殘余奧氏體量。

  3  惡劣環境應用

  用于水、異物等混入環境的鋼鐵設備用軸承或在潤滑稀薄等惡劣條件下使用的軸承,要求提高其耐用性。

  用于鋼鐵設備時,自動調心滾子軸承在非常低速旋轉(約10rpm、自轉速度0.01m/s)且高負荷條件下,在水或熱環境中使用。特別是在干油使用環境下,比基礎油更容易出現潤滑膜變薄的問題,有通過尿素系干油改善低速下油膜形成狀態的研究。

  另外,鋼鐵企業軋機用軸承還存在由于水或異物造成的壓痕問題,強烈要求提高這種環境下軸承的使用壽命。疲勞過程的報告顯示,在混入水的環境下,作為表面夾雜物的起點,裂紋向內部發生,這種裂紋優先在晶界傳播。為了抑制這種裂紋及傳播,真空精煉鋼的長壽化效果已經得到確認,可采用高潔凈度鋼作為軸承用鋼,或為抑制裂紋傳播而增加可強化晶界的元素Ni等。

  從高效化觀點出發,對于滾動軸承,為實現低扭矩而越來越傾向使用低黏度潤滑油進行潤滑,隨之帶來油膜變薄、易于發生金屬接觸(滑動)的情況。在這種情況下,與氫相關的組織變化型或金屬接觸型的軸承損傷模式可能變得更加明顯,今后需要研究相應的對策。

原創: WORLD METALS 世界金屬導報

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