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分析轴承及轴承钢发展动态

2020-07-01 10:46:57  [  来源:世界金属导报  ]  作者:中崋轴承网

【中崋轴承网】

特殊钢是先进装备制造业的基础材料,是高端制造业发展的重要保障。但是特殊钢的需求量小、品种多、生产技术含量高,影响了我国特殊钢高端产品的开发。随着全球环保意识的不断增强,汽车电动化和风力发电引入速度加快,轴承需要应对这些新变化。此外,应用在钢铁设备等恶劣环境中的轴承,需要提高耐用性。今年,轴承钢及相关领域围绕这些新需求、新趋势,不断进行探索、研究和创新。

轴承钢

汽车电动化 电动汽车发展的主要趋势

汽车电动化是汽车发展的方向,但它使汽车驱动方式发生改变,与传统汽车依靠内燃机驱动方式不同,在新一代汽车中,混合动力电动汽车(HEV)通过在驱动中利用电机,从而能够抑制CO2、NOx等气体排放,电动汽车(EV)更是实现了零的排放。

尽管如此,IEA(国际能源机关)预测,到2050年,燃油汽车仍将保有50%以上。因此,对于内燃机而言,也开展了诸如搭载怠速停止机构、进行装有小型涡轮增压器的发动机等的研究,以推进热效率的提高。

未来,如果汽车电动化使电机驱动成为主流,则将形成比目前内燃机结构简洁的动力传动系统,每辆汽车的轴承数量及其钢材使用量将不可避免地减少。另外,从小型轻量化、传动效率的提高(低扭矩化)、应对电动化(应对使用电机驱动需要的高速旋转)等的需求来看,未来轴承的使用环境将更加恶劣。

小型轻量化

由于提高燃油效率和搭载空间的限制,要求组件小型轻量化,同样也要求轴承小型化。由于小型化,轴承负荷容量变小,因此需要对轴承长寿化和静态强度下降采取应对措施。

传动效率提高

为了提高动力传动效率,从降低HEV·EV组件机械损失的观点出发,要求轴承低扭矩化(降低损失),需要采取降低滚动摩擦、滑动摩擦、搅拌损失等措施。

高速旋转

为了提高效率、提高行驶时的最高车速,推进电机小型化和高速旋转,需要在超过以往容许转数的条件下进行高速旋转。

问题及措施

面对动力传动和驱动传动用轴承长寿化、高速旋转、低扭矩化的发展趋势,将会产生一系列的问题,下面介绍解决这些问题的相关技术最新研发进展。

长寿化

由于HEV·EV动力传动装置高速旋转,当滚珠轴承因润滑环境劣化导致套圈和滚珠之间油膜形成不足时,表面性状变差,将发生表面起点剥离的问题。作为表面劣化的对策,开发了强化滚动体的长寿化滚珠轴承。具体而言,对在SAE52100钢(相当于JIS标准钢SUJ2)基础上增加0.3mass%-0.4mass%Si的钢材实施特殊渗碳氮化处理,使之析出高硬度的Si·Mn系氮化物强化钢球,即使在EHL油膜参数Λ低的恶劣润滑条件下(Λ值为0.3,Λ=hmin(最小油膜厚度)/σ(两个接触表面的合成粗糙度)),钢球表面的粗糙度仍不易降低。对6206深沟滚珠轴承进行了内置试验,确认可以达到长寿的效果。

用于游星齿轮部位的行星齿轮轴(作为内轮轨道面的轴),对SUJ2钢实施特殊渗碳氮化,通过残余奥氏体(γ)、碳氮化物、残余压应力提高耐久疲劳强度;对SUJ2实施特殊高频淬火,同时减少心部的残余奥氏体,抑制高温环境下的热塑性弯曲,提高耐久性疲劳强度。另外,还开发了采用高铬淬火钢、进一步提高耐久性疲劳强度的超长寿命行星齿轮轴。

变速机用轴承,由于应用于含有齿轮咬合时的磨损粉末等硬质异物的油润滑环境下,必须具有耐异物性。为此,对调整了Si、Mn、Cr含量的开发钢实施高浓度渗碳淬火回火,开发了使碳化物(平均0。2μm,面积比约10%)分散强化的小型圆锥滚子轴承。

应对高速旋转

为了实现高功率、紧凑的HEV、EV驱动组件,必然要促进电机的高速化。对于为实现高速旋转而降低润滑黏度、由于润滑的高温化导致的发热以及磨损等问题,通过套圈沟曲率、滚珠直径、节圆直径等的优化,降低滚珠与套圈之间的滑动。另外,为了防止因离心力增加导致保持架变形,进而与滚珠发生摩擦,设计了双柱形状的保持架。

低扭矩化

随着汽车电动化的发展,驱动系统的选项增加,可以预见动力传动的变速机构将发生变化。变速机用轴承起到平滑支持传导发动机、电机旋转·扭矩的齿轮轴的作用,因此,存在着降低旋转扭矩的问题。变速机用轴承大多采用对齿轮咬合时的径向和轴向两种负载具有高载荷能力、利于高刚性和节省空间的圆锥滚子轴承,但存在着损失扭矩较大的问题。各轴承生产企业通过锁定扭矩发生源并对其处理,实现了低扭矩化。例如,通过降低润滑油搅拌阻力、抑制轴承内部流入润滑油量等减少损失的方法。另外,由于将滚子轴承更换为滚珠轴承可实现扭矩减小,因此,开发了可用于差速驱动齿轮轴支撑以及在变速器中承受大轴向载荷部位的滚珠轴承等。

另外,大量用于发动机的滑动轴承需要油泵,使其产生高液压,来向轴承部位提供润滑油,但在低速旋转区域无法形成高压,因此供油不充分,存在滑动摩擦阻力较大的问题。因此,将滑动轴承改为滚动轴承,不需要高液压,可实现油泵小型化和低扭矩启动,易于采用怠速停止机构,有利于降低燃耗。

总之,伴随着电动汽车高效化和高速旋转的要求,可以预见,轴承使用环境将日益恶劣。因此,需要应对轴承小型轻量化(小口径·减薄从而实现小规格化)要求,为应对有利于低扭矩化的低黏度润滑油环境、降低摩擦而用滚珠轴承代替滚子轴承等,对轴承钢提出了高可信度和长寿化的要求。同时,对于因高速旋转引起的润滑油高温化黏度下降,造成滚动体和座圈之间发生金属接触(滑动)的问题,以及由于残余奥氏体分解使部件尺寸改变等问题,需要根据轴承使用环境采取相应的对策。

风力发电扩大

近年来,风力发电作为不排放CO2、对环境影响小的清洁能源得到了发展,累计发电容量逐年增加。

初期阶段,安装在陆地上的风车,由于安装场所的减少或为了提高发电效率和设备运行率,逐渐向海上发展,且日益大型化。

由于安装在海上的风车不易维护,要求所使用的轴承在长时间内具有可靠性。

风车齿轮箱用滚动轴承存在早期破损的问题,其破损形态之一为内部起点型剥离。对这种剥离进行了研究,研究结果是,由于润滑油或干油的分解以及润滑油中的水分,发生氢侵入到钢中,产生氢脆,造成剥离破损。滑动、振动、静电等都参与了氢的发生。

研究人员使用改变轴承内圈的沟曲率的不同PV值(P:面压力、V:滑动速度)的深沟滚珠轴承,进行了滚动疲劳试验。在试验中发现,剥离并不是接触面压力最大的轨道面沟底,而是发生在滑动大的轨道端部附近。PV值在阈值以上时,发生此类剥离。尽管风车的齿轮箱轴承采用的是滚柱轴承和圆锥滚子轴承,套圈和滚动体之间的滑动相对较小,但当转动轴急速加减速时,有可能出现较大滑动。

另外,近年来,还观察到另外不同的破损形态,即滚动轴承中轴承套圈的轴向裂纹。研究人员通过在SUJ2制滚柱轴承外圈侵入氢进行滚动疲劳试验,推测其起因是白色组织破损形态的一种。

为了解决剥离的问题,对压缩应力和残余γ进行了研究。研究人员确认了压缩应力和残余γ量对SUJ2普通淬火材料具有较大意义,可提高渗碳氮化处理材料的寿命。推测其原因是,在压缩应力的作用下,延迟裂纹发展,以及相对于马氏体组织,氢扩散速度较慢的奥氏体延迟了氢向剪应力区域的浓化。

此外,从防止氢侵入的角度出发,使轨道表面形成氧化膜也是一种有效的手段。当在润滑剂中添加材料的作用下,金属新生面上因摩擦化学反应形成氧化膜时,可保证轨道面表面实现化学性稳定。从钢材成分出发,确认添加Cr可有效抑制白色组织的剥离,其原因是在最大剪应力区域防止了氢向微小缺陷中的扩散。

总之,风力发电用轴承,为了防止早期剥离失效,从抑制氢侵入或以减轻侵入氢的角度研究开发新的钢材。

随着风电装置向大型化的方向发展,风电装置轴承也随之大型化。因此,产生大型轴承的热处理问题。为此,要求开发淬透性好、淬火变形小的轴承钢。

此外,由于风电装置轴承是长期使用的轴承,所以要控制钢中的残余奥氏体量。

恶劣环境应用

用于水、异物等混入环境的钢铁设备用轴承或在润滑稀薄等恶劣条件下使用的轴承,要求提高其耐用性。

用于钢铁设备时,自动调心滚子轴承在非常低速旋转(约10rpm、自转速度0。01m/s)且高负荷条件下,在水或热环境中使用。特别是在干油使用环境下,比基础油更容易出现润滑膜变薄的问题,有通过尿素系干油改善低速下油膜形成状态的研究。

另外,钢铁企业轧机用轴承还存在由于水或异物造成的压痕问题,强烈要求提高这种环境下轴承的使用寿命。疲劳过程的报告显示,在混入水的环境下,作为表面夹杂物的起点,裂纹向内部发生,这种裂纹优先在晶界传播。为了抑制这种裂纹及传播,真空精炼钢的长寿化效果已经得到确认,可采用高洁净度钢作为轴承用钢,或为抑制裂纹传播而增加可强化晶界的元素Ni等。

从高效化观点出发,对于滚动轴承,为实现低扭矩而越来越倾向使用低黏度润滑油进行润滑,随之带来油膜变薄、易于发生金属接触(滑动)的情况。在这种情况下,与氢相关的组织变化型或金属接触型的轴承损伤模式可能变得更加明显,今后需要研究相应的对策。

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