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SKF航空滚动轴承技术发展

据了解,SKF轴承在航空事业的发展也并非必不可少,目前SKF公司认为,在开发新一代航空发动机钢材的分析方法或改进热处理工艺时,可从表面处理获得的效果中获得相当的好处。可说,如果采用热处理方法所开发的这种微观结构和相关力学特性一旦被人们完全掌握,淬透钢和高速钢必将在航空发动机轴承中得到充分利用。现在我们来谈谈SKF航空滚动轴承的技术。

航空发动机轴承新材料。

1.M50NiL轴承钢。

1955至1980年5年期间,航空发动机轴承转速稳定增长,轴承转矩接近2.5百万转。90年代以来,航空发动机的高速高温对滚动轴承的要求越来越高。但是,现有的轴承钢,甚至像M50、18-4-1和14Cr-4Mo等特殊耐热轴承钢,如CRB-7和GB-42等各种衍生钢种,如CRB-7和GB-42,在明显高于当前发动机轴承温度的情况下,仍然可以正常工作。但是有一个重要的限制,那就是淬透钢轴承套圈在高速状态下容易破裂,而在没有前兆或者没有前兆的情况下。

为寻找一种性能较好的M50轴承钢和轴承钢,SKF公司的MRC轴承公司在美国空军的支持下进行了一系列研究,最终选定了M50NiL。

M50NiL合金合金的显微组织和疲劳强度和断裂韧性均优于其他高温淬透轴承材料。这是造成M50iL中无大颗粒碳化物的原因之一,故对碳化物引起的疲劳裂纹不敏感。

与M50相比,M50NiL原料的勘探难度较M50简单,材料的轧制、锻造也比较方便,但要获得理想的淬透层、芯部微观组织和材料特性,必须对淬火和热处理工艺进行精确控制。SKF在M50NiL算法的研究上做了很多工作,投入了大量的资金。

MRC技术人员认为,通过热处理,这种材料可以在滚道附近表面产生残余压应力,在较高的dn值时,可以抵消周向应力的作用,从而提高轴承的寿命。用SKF相奕控制可以获得较高的压应力,且其淬硬深度是常规工艺的3倍。SKF采用传统方法对M50NiL型钢进行了热处理,得到的材料断裂韧性值为275~350MPa-m1/2,当传速达到dn=3百万时,具有良好的抗裂性能。

为了增加轴承转速和/或增加表面缺陷,断裂韧度必须接近700MPa-m1/2。为提高芯部韧性,SKF开发了一种工艺,使热处理M50NiL具有特定的芯部韧性而不损失表面特性。SKF研究人员发现,这种方法还可以增加残余压应力,从而进一步提高轴承的性能和可靠性。

这一过程包括一个温度,冷却工件从奥氏体化温度到芯部与表面马氏体开始形成的温度之间,然后将工件加热到更高的温度,并在表面层(淬硬层)冷却和转变之前对芯部进行回火。采用合适的芯部回火循环,可以在不影响表面特性的情况下进行热处理,达到所需的韧度和强度。

已经证明,根据所选择的芯部回火温度,芯部硬度应控制在30~45HRC之间。这一核心韧度以前只能在CBS600和Prowear53获得,现在KSF的热处理工艺使得具有较高耐温性的M50NiL也具有较高的芯部韧性。另外,SKF研究人员还发现,这种表面硬化钢还有其他一些特性。

第一,表面处理。象渗氮铁等表面处理方法对M50NiL材料有很好的效果,它能在无碳化物组织的表面形成高压应力区(>1000MPa)。可以预见,该处理方法可以提高抗腐蚀、耐磨、抗表面产生疲劳的性能。第二,可焊性。

因为M50NiL碳含量低,所以当需要将轴承连接到法兰或类似于其他部件或材料以制造单元轴承和组合结构部件时,可以使用此类材料来降低成本。用M50NiL制造的轴承目前正在世界上12种不同的飞机发动机上进行试验和应用,SKF公司处于世界领先地位。

2.陶瓷材料。

给飞机供电的燃气涡轮发动机是非常有效的,它能使飞机的速度超过3马赫。内燃机主轴轴承对工况要求很高,预计主轴转速可达30000转/分,轴承最高极限温度在800~900℃左右。由研究可知,在650℃以上使用高温合金材料时,要获得较长的寿命,而陶瓷材料给轴承工作温度升高到明显高于650℃带来了希望。

通过研究,SKF挑选出一组能满足超高温轴承工作要求的高性能陶瓷材料,其中一种性能在1100℃以上的高温条件下具有最佳性能,这就是近十年来开发出来的热压氮化硅或等压氮化硅(Si3N4)。氮化硅能成为理想的材料,因为它有很好的高温强度和硬度,以及良好的强度/重量关系。在充分的润滑下,还具有极好的抗滚动疲劳性能。在超过500℃的高温下,1984年SKF在美国就用固体润滑剂对这种材料进行了长期试验。

但是,氮化硅也存在着拉伸强度低、止裂韧性差、热膨胀系数极低等缺点。所以,陶瓷轴承的制造和应用还需要进行大量的研究工作。

当前,SKF的研究人员正在评估一些其它陶瓷材料,如做球和套圈材料,如碳化钛(TiC)和氧化氮硅铝(SiAlON),以及用做球和套圈材料,SKF已将碳化硅应用于40000转/分的轴承测试中。

作为高温轴承,碳化硅具有良好的导热性、扩散性和抗氧化性,以及高纯度的材料(几乎不存在杂质影响),但缺点之一是弹性模数高,热压氮化硅约高50%,这被认为是一个潜在的问题,因为它可能产生高赫兹接触应力。SKF的研究者们尝试过改变滚道的曲率比,以减少这个效应,但是这样做又会增加摩擦升热。

3.固体润滑油。

因为新型飞机发动机计算工作温度很高,要在这种工况下对轴承进行有效的润滑,目前已有的各种合成润滑剂几乎不起作用。我们都知道,当温度超过液体润滑剂允许的极限时,可以使用耐高温、性能稳定的固体化合物,如含有各种化学元素的氧化物、硫化物和氟化物。

很多普通的固体润滑剂,例如石墨和二硫化钼,都是因为它的晶格很容易断裂,所以成为润滑剂。大气中石墨润滑的极限温度范围与氧化程度有关。在轴承上加入氧化剂或金属盐,可以显著提高轴承表面石墨膜的氧化极限。

SKF试验表明,含高温添加剂的氮化硅可以在其表面形成一层抗摩擦的化学薄膜,它可以降低氮化硅的摩擦系数,并使摩擦温度降到最低。

SKF还研究了其他一些能承受550℃以上高温的固体润滑剂,其热稳定性优于石墨、二硫化钼。现在,MRC轴承公司正在测试一氧化铅(PbO)、一种共晶氟化钙/氟化钡(CaF/BaF)混合物以及一种铯钼化合物。一种耐高温、润滑性能好的固体润滑剂有望在不久的将来出现。

二、轴承材料热处理新工艺。

当前航空发动机轴承的标准材料是高温高达300℃条件下具有良好疲劳强度的高速钢。但是,在轴承高速或超高速运转时,这种材料的断裂韧性、硬度、抗裂纹生成和扩展性能等材料特性无法满足要求。

为改善材料组织,提高材料性能,满足飞机发动机技术发展对轴承的要求,SKF对三种不同类型的轴承材料进行了研究,并通过试验说明了材料组织性能之间的相互关系。三种材料为铸造热轧钢(M2)、粉末冶金材料(ASP23)和一种碳0.65(重量百分比)、合金元素含量低的高速钢衍生材料。

1.断裂韧性。

航空发动机中,由于轴承转速过高和由此产生的强大离心力,对轴承材料的断裂韧性尤为重要。

硬度较高。


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