長壽命燃機軸承鋼球表面強化技術

燃機用三點接觸球軸承承受較大的轉子軸向推力載荷，鋼球在工作中承受較高的接觸應力和交變載荷，在使用中會偶發鋼球表面剝落，影響軸承使用壽命和可靠度。國內燃機軸承鋼球疲勞壽命與國外有一定的差距，有必要研究如何提高鋼球抗疲勞性能。

鋼球抗疲勞性能與鋼球表面、次表面應力狀態有關，鋼球表面承受最大剪切力位置在次表層，提高鋼球表層硬度，增加表面和次表面壓應力，可以提高鋼球抗疲勞性能和耐磨性能。

鋼球表面強化是在鋼球表面塑性變形范圍內，采取鋼球相互碰撞的方式，使其表面發生宏觀彈性變形和微觀塑性變形，致使鋼球表層硬度提高，鋼球表面呈壓應力狀態分布。為滿足燃機軸承長壽命、高可靠性的需求，在鋼球加工時增加表面強化處理工藝。

常規進行強化處理的鋼球尺寸較小，且材料為普通軸承鋼。燃機軸承零件多選用高溫鋼和高速鋼等特殊鋼材料，且鋼球尺寸較大。故有必要對燃機軸承鋼球強化處理技術進行研究。

1、鋼球表面強化試驗

1.1 樣件

鋼球直徑為22.225mm，材料為M50鋼。

1.2 強化試驗

取2000粒鋼球，采用鋼球表面強化機進行強化試驗。通過試驗確定工藝參數為：滾筒轉速15r/min，強化時間100~ 210min。強化液（煤油和20#機油按一定比例）為100~150mL。

1.3 檢測結果

1.3.1應力

鋼球強化前、后的表層應力如圖1所示，由圖可知：1）未強化球的應力峰值約為-450MPa，在距表面0.1mm處；2）強化2.5h球的應力峰值為-900MPa，在距表面0.4mm處，強化層深度約為0.75mm；3)強化4h球的應力峰值為-1100MPa，在距表面0.5 mm處，強化層深度約0.8mm。強化后的鋼球表層應力大幅提高，且強化時間不同，鋼球表面應力變化及強化層深度也不同。

1.3.2 硬度

鋼球強化前、后的表層硬度如圖2所示，強化后的鋼球表層硬度明顯增加，平均硬度由731HV0.1提高到785HV0.1 。

1.3.3 表面變質層檢測

在某公司失效分析中心采用組織和硬度法對強化后的鋼球進行變質層檢測，沒有明顯變質層。

1.3.4 小結

強化后的鋼球表層應力增加70%~88%，表層硬度明顯提高，表面沒有明顯變質層。

2、強化工藝

通過試驗和檢測，最終確定鋼球加工工藝為：成形→退火→光球→軟磨→熱處理→硬磨1→表面強化處理→硬磨2→初研→補充回火→精研→穩定→超精研→終檢→涂油包裝。并對成品鋼球進行了檢測，消除應力處理后壓應力僅降低約100 MPa，對強化效果影響較小。

3、疲勞壽命試驗

軸承鋼球失效屬于滾動接觸疲勞失效，采用圖3所示的方法對其壽命進行評估。測試球在一定加載力的作用下同時與4個陪試球接觸，當主軸夾具帶動測試球高速旋轉時，4個陪試球在摩擦力的作用下隨之發生純滾動。鋼球間的接觸應力5.83GPa，主軸轉速為3000 r/min。普通工藝鋼球取9粒，強化處理的鋼球取6粒。強化前、后的鋼球疲勞壽命如圖4所示，強化后的鋼球疲勞壽命明顯提高。