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航空发动机轴承新材料

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-08-11

航空发动机轴承新材料 1.M50NiL轴承钢 从1955年到1980年25年间，航空发动机轴承的转速稳定增长，dn值已达到近2.5百万。进入九十年代，航空发动机的高速和高温对滚动轴承提出了更高的要求。然而，现有的轴承钢，即使是专用的耐高温轴承钢，如M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各种派生钢种，如CRB-7和GB-42，在明显高于目前发动机轴承的温度下仍能正常工作。但还有一个重要的制约因素，这就是淬透钢轴承套圈在超高速条件下的易断裂性，这种故障发生时很少或根本没有前兆。 为了找出一种既有M50轴承钢所具有的性能，且断裂性更好的轴承钢，SKF的MRC轴承公司在美国空军的支持下开展了一系列研究工作，最终选择了M50NiL。 M50NiL除断裂韧性有所提高外，与其它高温淬透轴承材料相比，显微组织和疲劳强度也都很好。其原因之一是M50iL中没有大颗粒碳化物，因此，这种钢对碳化物引起的疲劳裂纹不敏感。 尽管M50NiL原料的勘探比M50容易，且材料的轧制和锻造更方便，但要想得到所需的理想淬透层、芯部显微组织和一定的材料特性，必须精确控制淬火和热处理工艺。为研究M50NiL处理方法，SKF付出了很大的努力，投入了大量的资金。MRC技术人员认为，通过热处理可使这种材料在邻近滚道表面处产生残余压应力，在高dn值条件下，该应力区可抵消圆周应力的作用，从而提高轴承寿命。采用SKF相奕控制工艺，可得到较高的压应力，而且淬硬深度比传统工艺高三倍。SKF曾用传统的方法对M50NiL做过热处理试验，得出的材料断裂韧性值为275~350MPa-m1/2，在轴承传速达到dn=3百万时，具有良好的止裂特性。要提高轴承转速和/或产生更大的表面缺陷，断裂韧性值就必需接近700MPa-m1/2。为了提高芯部韧性，SKF开发了一种工艺，可使热处理后的M50NiL在不丧失表面特性的情况下得到一个特定的芯部韧性。SKF研究人员发现，该工艺还可提高残留压应力，从而进一步提高轴承的性能及可靠性。这种工艺包括将工件从奥氏体化温度冷却到芯部和表层马氏体开始形成的温度之间的一个温度，然后将工件加热到一个较高的温度，并在表层（淬硬层）冷却和相变之前回火芯部。通过选择适当的芯部回火循环，可将芯部热处理到所需的韧度和强度，而不会对表层特性有太大的影响。业已证明，根据所选择的芯部回火温度，芯部硬度应控制在30~45HRC。这种芯部韧性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到，现在KSF的热处理工艺使具有良好的耐高温性能的M50NiL也具有 宋的芯部韧性。此外，SKF研究人员还发现这种表面淬硬钢还具有其它一些特点。一是表面处理。象渗氮铁（FCN）这样的表面处理对M50NiL具有有利的影响，它可在不含碳化物显微组织的表面产生高压应力区（＞1000MPa）。预期这种处理方法可提高抗腐蚀性、耐磨性和抗表面引起疲劳的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低，因此，在需要将轴承与法兰或其它相类似的部件或材料连接起来制造单元轴承和复合结构部件时，可使用这种材料以降低成本。 目前，用M50NiL制造的轴承正在世界上12种不同的飞机发动机上进行试验或应用，SKF公司处于世界领先地位。 2.陶瓷材料 为飞机提供动力的燃气涡轮发动机效率极高，可使飞机速度达到3马赫以上。发动机主轴轴承的工作条件要求非常高，预计主轴转速要超过30000转/分，轴承最高极限温度约800~900℃。从研究可以看出，在650℃以上的工作温度以使用高温合金材料，要想得到长寿命，希望渺茫，而陶瓷材料为轴承工作温度提高到明显高于650℃带来了希望。 SKF通过研究，选出了一组可以满足超高温轴承工作要求的高性能陶瓷材料，在1100℃以上高温条件下，这些陶瓷材料中，有一种性能最佳，这就是过去十年里人们研制出的热压氮化硅或等压氮化硅（Si3N4）。氮化硅之所以是理想的材料，是因为它具有良好的高温强度和硬度，以及有利的强度/重量关系。当润滑充分时，还具有极佳的抗滚动疲劳特性。1984年，SKF就在美国用固体润滑剂对该材料进行了500℃以上高温下的长期试验。 然而，氮化硅也有缺点，其中包括抗拉强度低，止裂韧性差和热膨胀系数极低等。因此，要制造和应用陶瓷轴承，还需要做大量的研究工作。 目前，SKF研究人员正在对碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）和氧化氮硅铝（SiAlON）等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的适用性进行评定，SKF已将碳化硅用于40000转/分的轴承试验。碳化硅作为高温轴承的有利性能是良好的热传导率、热扩散性和抗氧化性以及材料的高纯度（几乎不存在因杂质造成的影响），其不利因素之一是弹性模数高，约高出热压氮化硅50％，这一点被认为是一个潜在的问题，因为它有产生高赫兹接触应力的危险。SKF研究人员曾试图考虑过通过调整滚道的曲率比来减少这方面的影响，但这样做又会导致摩擦升热的加剧。
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