1.m50nil軸承鋼(gāng)

  從1955年(nián)到1980年25年間，航空發(fā)動機軸(zhóu)承的(de)轉速穩定(dìng)增長，dn值(zhí)已達到(dào)近2.5百(bǎi)萬。進入九(jiǔ)十年代，航(háng)空發動機的高速和(hé)高溫對(duì)滾動軸(zhóu)承(chéng)提出了(le)更高(gāo)的要(yào)求(qiú)。然而，現有的(de)軸(zhóu)承(chéng)鋼，即(jí)使是專用(yòng)的耐(nài)高溫(wēn)軸承鋼，如(rú)m50，18-4-1和14cr-4mo家族的各種派生鋼種，如crb-7和(hé)gb-42，在明(míng)顯高(gāo)于目前發動(dòng)機(jī)軸承(chéng)的溫(wēn)度下仍能正常工(gōng)作。但還(hái)有一個重(zhòng)要的制約(yuē)因素，這就(jiù)是淬透鋼軸承套圈(quān)在(zài)超(chāo)高速(sù)條件下的易斷(duàn)裂性，這種(zhǒng)故障(zhàng)發生時很(hěn)少或根本(běn)沒有前兆(zhào)。

  為了(le)找出(chū)一種(zhǒng)既有m50軸承鋼所(suǒ)具有的性能，且(qiě)斷裂性更好的(de)軸承鋼(gāng)，skf的(de)mrc軸承(chéng)公司(sī)在美國空(kōng)軍(jun1)的支持下開(kāi)展了(le)一(yī)系(xì)列研究工作，最(zuì)終選擇了(le)m50nil。

  m50nil除斷(duàn)裂韌(rèn)性有所提高外(wài)，與其它高溫淬(cuì)透軸承材料相(xiàng)比，顯微(wēi)組(zǔ)織和(hé)疲勞(láo)強度也都很好(hǎo)。其(qí)原因之(zhī)一是(shì)m50il中沒(méi)有大顆粒碳化物，因(yīn)此，這種鋼對碳(tàn)化物引起的疲(pí)勞裂紋不敏感(gǎn)。

  盡管m50nil原料的勘(kān)探比m50容易，且材(cái)料的(de)軋制(zhì)和鍛(duàn)造更方(fāng)便(biàn)，但要(yào)想得(dé)到所需的(de)理想淬透(tòu)層、芯(xīn)部顯微組織和(hé)一定的材(cái)料特(tè)性，必須(xū)精确控(kòng)制淬火和熱處理工藝。為研究(jiū)m50nil處理方法，skf付出(chū)了很(hěn)大的努力(lì)，投入了(le)大量的(de)資金(jīn)。mrc技(jì)術人員(yuán)認為(wéi)，通過熱處理可使這種材料在鄰近滾道(dào)表面(miàn)處産(chǎn)生殘(cán)餘壓(yā)應力，在高(gāo)dn值條(tiáo)件下，該應(yīng)力區(qū)可抵消圓周應力的(de)作用(yòng)，從而提高軸承(chéng)壽命。采用skf相奕控制工藝，可得(dé)到較高的壓(yā)應(yīng)力，而且(qiě)淬硬深度比傳統工藝高三倍。skf曾(céng)用傳(chuán)統(tǒng)的(de)方(fāng)法對m50nil做(zuò)過熱處理試驗，得出(chū)的材(cái)料斷(duàn)裂韌性(xìng)值為275~350mpa-m1/2，在(zài)軸承傳速達到(dào)dn=3百萬(wàn)時，具有良(liáng)好的止裂特性(xìng)。要提高軸承轉(zhuǎn)速和(hé)/或(huò)産生更(gèng)大的表面(miàn)缺陷(xiàn)，斷裂韌性值就(jiù)必需(xū)接近(jìn)700mpa-m1/2。為了提高芯部(bù)韌性(xìng)，skf開發了(le)一(yī)種工藝，可(kě)使熱處理(lǐ)後的m50nil在不(bú)喪失(shī)表面特性(xìng)的情(qíng)況下得到(dào)一個(gè)特定(dìng)的芯部韌(rèn)性。skf研(yán)究人員發(fā)現(xiàn)，該(gāi)工藝還可(kě)提高(gāo)殘(cán)留(liú)壓應(yīng)力，從而(ér)進(jìn)一步(bù)提高軸(zhóu)承的性(xìng)能及(jí)可靠性。這種工藝包括将工件從奧氏(shì)體(tǐ)化溫度冷(lěng)卻到芯部和(hé)表(biǎo)層馬(mǎ)氏體(tǐ)開始(shǐ)形成(chéng)的溫(wēn)度之間的(de)一個溫(wēn)度(dù)，然後(hòu)将工件(jiàn)加熱到一個(gè)較(jiào)高(gāo)的溫度，并(bìng)在表層(淬(cuì)硬(yìng)層)冷(lěng)卻(què)和相(xiàng)變之前回火芯(xīn)部。通(tōng)過選擇适當的芯(xīn)部回火(huǒ)循環，可将芯部(bù)熱處理到所需(xū)的韌(rèn)度和(hé)強度，而不會對表層(céng)特性有(yǒu)太大的影響(xiǎng)。業已證明(míng)，根(gēn)據所選擇的(de)芯部回(huí)火(huǒ)溫(wēn)度(dù)，芯部硬(yìng)度(dù)應控制在30~45hrc。這(zhè)種芯部(bù)韌性以前隻能(néng)在cbs600和(hé)prowear53才能得到(dào)，現在ksf的熱(rè)處理工藝使(shǐ)具有良好的(de)耐(nài)高溫性(xìng)能的(de)m50nil也具有宋的芯部韌性。此(cǐ)外，skf研究人(rén)員(yuán)還(hái)發現(xiàn)這種表面(miàn)淬硬鋼還具有(yǒu)其它一些特點(diǎn)。一是(shì)表面處理(lǐ)。象滲(shèn)氮鐵(tiě)(fcn)這樣(yàng)的表面處理對m50nil具有有(yǒu)利的影響，它可在不含(hán)碳化物(wù)顯微組(zǔ)織的(de)表面産(chǎn)生(shēng)高壓應(yīng)力區(＞1000mpa)。預(yù)期這(zhè)種(zhǒng)處理方(fāng)法可(kě)提(tí)高(gāo)抗腐(fǔ)蝕性(xìng)、耐(nài)磨性和(hé)抗表(biǎo)面引起(qǐ)疲(pí)勞的(de)特性。二是(shì)可焊接性能。由于m50nil含(hán)碳量低，因(yīn)此(cǐ)，在需要将軸(zhóu)承與法蘭或(huò)其(qí)它相類似的部(bù)件或材料連接起來(lái)制造單元軸承和複合結(jié)構部(bù)件時(shí)，可使用這種材料以(yǐ)降低成本(běn)。

  目前，用m50nil制(zhì)造的軸承(chéng)正在(zài)世界上12種(zhǒng)不同的飛機發(fā)動機上進行試(shì)驗或(huò)應(yīng)用，skf公司(sī)處于世界領先(xiān)地位。

  2.陶瓷材料(liào)

  為飛機提供動(dòng)力的(de)燃氣渦輪(lún)發動(dòng)機效率極(jí)高，可使飛機速(sù)度達到(dào)3馬赫以(yǐ)上。發(fā)動機主軸(zhóu)軸承(chéng)的工作條(tiáo)件要求非常高(gāo)，預計主軸轉速要(yào)超(chāo)過30000轉/分，軸(zhóu)承最高(gāo)極限溫度約(yuē)800~900℃。從研究可(kě)以看出(chū)，在650℃以上的工(gōng)作溫度以(yǐ)使用高溫合金(jīn)材料(liào)，要想(xiǎng)得到(dào)長壽(shòu)命，希(xī)望渺(miǎo)茫，而陶瓷材料(liào)為軸承工作溫(wēn)度提高到明顯(xiǎn)高于650℃帶來了(le)希望。

  skf通過研究，選(xuǎn)出了一(yī)組(zǔ)可以(yǐ)滿足(zú)超(chāo)高溫軸(zhóu)承工作要(yào)求的(de)高性能陶瓷材(cái)料，在(zài)1100℃以上高溫條件下(xià)，這些陶(táo)瓷材料中，有一(yī)種性能最佳，這(zhè)就是(shì)過(guò)去十年(nián)裡人們研(yán)制出(chū)的熱(rè)壓氮(dàn)化矽(xī)或等壓氮化矽(xī)(si3n4)。氮化矽之(zhī)所以(yǐ)是理想(xiǎng)的材料(liào)，是因為它(tā)具有(yǒu)良好(hǎo)的高(gāo)溫強度和(hé)硬度(dù)，以及(jí)有利(lì)的強度/重(zhòng)量關(guān)系。當潤滑(huá)充分時，還(hái)具有(yǒu)極佳的抗滾動疲勞(láo)特性。1984年，skf就(jiù)在(zài)美國用(yòng)固體(tǐ)潤滑(huá)劑對該(gāi)材(cái)料進行了500℃以上(shàng)高溫(wēn)下的(de)長期(qī)試驗(yàn)。

  然而(ér)，氮化矽也有缺(quē)點，其(qí)中包括抗拉強(qiáng)度低，止裂(liè)韌性(xìng)差和熱膨脹系(xì)數極(jí)低(dī)等。因此(cǐ)，要制(zhì)造(zào)和應用陶瓷軸承，還(hái)需(xū)要做大量的研(yán)究工作(zuò)。

  目前，skf研(yán)究人(rén)員正(zhèng)在對(duì)碳化(huà)矽(xī)(sic)、碳化钛(tài)(tic)和氧化氮矽鋁(sialon)等其(qí)他一(yī)些陶(táo)瓷材料用(yòng)做球(qiú)和套(tào)圈材料的适用(yòng)性進(jìn)行評定，skf已将碳化矽(xī)用于40000轉(zhuǎn)/分(fèn)的軸(zhóu)承試(shì)驗。碳化矽(xī)作為高溫軸承(chéng)的有利(lì)性能是(shì)良好的熱(rè)傳(chuán)導率、熱擴(kuò)散性和抗氧化(huà)性以及(jí)材料(liào)的高純度(dù)(幾乎(hū)不存在因(yīn)雜質造成(chéng)的影(yǐng)響)，其(qí)不利(lì)因素(sù)之一(yī)是彈性模數高(gāo)，約(yuē)高出熱壓氮(dàn)化矽50%，這一(yī)點被認為是一個潛在的問題(tí)，因為(wéi)它有産生高赫(hè)茲(zī)接觸應力的危險(xiǎn)。skf研究(jiū)人員曾試(shì)圖考(kǎo)慮過(guò)通過(guò)調整(zhěng)滾道的曲率比(bǐ)來減(jiǎn)少這方面的影響(xiǎng)，但這樣(yàng)做又會導(dǎo)緻摩(mó)擦升(shēng)熱的加劇。