SKF航空滚动进口轴承技术 （二）

二.轴承材料热处理新工艺
目前航空发动机轴承的标准材料是在温度高达300℃的条件下具有很好的疲劳强度的高速钢。但当轴承以高速或超高速运转时，这种材料的断裂韧性、硬度和抗裂纹产生及扩展性等材料特性都不能满足要求。为了改善材料组织，提高材料性能，满足飞机发动机技术发展对轴承的要求，SKF对现有三种不同的轴承材料进行了研究，并通过实验说明了材料组织性能之间的相互关系。这三种材料是，一种铸造热轧钢（M2），一种粉末冶金材料（ASP23）和一种含碳0.65（重量百分比）、合金元素含量低的高速钢派生材料。

1.断裂韧性

在飞机发动机中，由于轴承转速极高，并由此产生强大的离心力，因此轴承材料的断裂韧性尤为重要。

在淬硬的高速钢中，断裂过程包括起始碳化物裂纹引起的缝隙出现，或裂纹末端的弹性区中由于马氏体基体组织造成的减聚力产生。SKF对这三种材料的研究表明，随着材料韧性的提高，材料硬度降低，而且淬火温度下降。这主要是由于马氏体含量较低和半生的基体组织弹性的提高所至。钢中大部分碳化物由较低的温度淬硬，它们择断裂韧性产生不利的影响。在硬度低的情况下，由于材料屈服强度的降低，低硬度钢断裂植之间的差别取给取决于碳化物的具体分布情况，在硬度高的情况下，碳化物所占的体积下降，碳化物之间的间隙和弹性的大小约相同，此时，断裂韧性就不再主要取决于碳化物的分布，而且基体组织弹性也最小。所以这三种材料的断裂韧性值集中在750HV和更高的硬度。在硬度低、弹性区大的情况下，通过提高碳化物直径或在硬度不变的条件下减少碳化物的比值可提高断裂韧性。而且，当硬度提高时，断裂韧性值的变化速度便下降。当弹性区小而碳化物之间间隙大时，基体组织对断裂韧性影响最大。

总之，高速钢的断裂韧性主要取决于基体组织的弹性，而基体组织弹性又在很大程度上受马氏体组织和其含碳量的影响。SKF研究人员同时指出，其中当然也不能排除起始碳化物、残余应力、残留奥氏体和回火中从马氏体析出的碳化物等其它因素对断裂韧性的影响。

2.疲劳裂纹的发展过程

SKF研究人员将裂纹的发展过程分为以下几个阶段：

第一阶段，裂纹开始扩展。虽然高速钢的临界应力强度可通过热处理改变，但其绝对值的变化范围并不大，在3~5MPa/m2之间。

第二阶段，裂纹扩展。高速钢的裂纹扩展速度也相类似，如在10Mpa/m2情况下，约为5×10-6mm/循环。但用韧性较大的钢材可减慢裂纹扩展的速度。

第三阶段，裂纹迅速扩展。当裂纹达到这一阶段时，轴承马上就会失效。

3.表面处理工艺

根据对断裂韧性和其它的关系及材料裂纹发展过程的研究分析，我们不难看出在dn值高且存在圆周应力的情况下，高速钢的表面处理和含碳量低的高速钢硬化表面深度的变化具有重要的意义。为此，SKF研制了材料表面处理工艺，可增强表面硬度，并产生压应力。经表面处理的材料具有以下特点：有较好的抗疲劳裂纹性，第二阶段，已有裂纹的扩展速度较低和淬火不足或含碳量低导致的芯部材料的断裂韧性值较高等。

SKF开发的这种表面处理加工方法包括：

（1）用激光、电子束或感应淬火等方法对淬火不足的普通高速钢进行局部热处理，以得到表面淬硬层。这里需要指出的是淬火不足是为了提高断裂韧性。

（2）用化学热处理方法得到表面淬硬层。这种方法包括将碳或氮渗透到普通高速钢显微组织中，或小程度改变含碳量。

总之，SKF公司认为在为下一代航空发动机制定新的钢材分析方法或改进热处理工艺时，可以从表面处理得到的效应中获得相当的益处。可以说，如果用热处理手段开发的这种显微组织和有关机械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的利用。