1.M50NiL軸承鋼(gāng)

  從1955年(nián)到1980年25年間，航空發動機軸承的轉速(sù)穩定(dìng)增長，dn值已達到近2.5百(bǎi)萬。進(jìn)入九十年代，航(háng)空發動機的(de)高速和(hé)高溫對滾動軸承提出了更高的要求。然而，現有的軸承鋼(gāng)，即使是專用的耐(nài)高溫軸承鋼，如(rú)M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各種派生(shēng)鋼種，如CRB-7和GB-42，在(zài)明顯高于目前發動機軸承(chéng)的溫度下仍能正常工作。但還(hái)有一個重要的制約因素，這就是淬(cuì)透鋼軸承套圈在(zài)超高速條件下的易斷裂性，這種故(gù)障發生時很少或(huò)根本沒有前兆。

  為了找出一種(zhǒng)既(jì)有(yǒu)M50軸承鋼所具有的性能，且斷裂性更好的(de)軸承鋼，SKF的(de)MRC軸承公(gōng)司在(zài)美國空軍的支持下開展了一系列研究工作，最終選擇了M50NiL。

  M50NiL除斷裂韌性有所提高外，與其它高溫淬透軸承材料相(xiàng)比，顯微組織和疲勞(láo)強(qiáng)度也都很好。其原因之一是M50iL中沒有大顆粒碳化(huà)物，因此，這種(zhǒng)鋼對碳化物引起的疲勞裂紋不敏感。

  盡管M50NiL原料的勘探比M50容易，且材料的軋(zhá)制和鍛(duàn)造更方便，但要(yào)想得到所需的理想(xiǎng)淬(cuì)透層、芯(xīn)部(bù)顯微組織和(hé)一定的材料特性，必(bì)須(xū)精确控制淬火和熱處理工藝。為研究M50NiL處理方法，SKF付出了很大的努力(lì)，投入了大(dà)量的資金。MRC技術人員認為，通過熱處理可使這種材料在鄰近滾道表面處産生殘餘壓應力，在高dn值條件(jiàn)下，該(gāi)應力區可抵消圓周應力的作用(yòng)，從而提高軸承壽命(mìng)。采(cǎi)用(yòng)SKF相奕控制(zhì)工藝，可得到較高的壓應力，而且淬硬深度比傳統工藝高三倍。SKF曾用傳統的方(fāng)法對M50NiL做過熱處理試(shì)驗，得出的(de)材料斷裂韌性值為275~350MPa-m1/2，在軸承傳速達到dn=3百萬時，具有良好的止裂特性。要提高軸承轉速和/或産生更大的表面缺陷，斷裂(liè)韌性值就必需接近700MPa-m1/2。為了提高芯部韌性，SKF開發了一種工藝，可(kě)使熱處理後的M50NiL在不喪失表面特性的情況下得到一個特定的芯部韌(rèn)性。SKF研究人員發現，該工藝還可提高殘留壓應力，從而進一步提高軸承的性能及可靠性。這(zhè)種工藝包括将工件從(cóng)奧氏體化溫(wēn)度冷卻到芯部和表(biǎo)層馬氏體開始形成的溫度之間的一個溫度，然後将工件加熱到(dào)一個較高的溫度，并(bìng)在表層(céng)(淬硬層)冷卻和相變之前回火(huǒ)芯部。通過選擇适當的芯部回火循環，可将芯部熱處理到所需(xū)的韌度和強度，而不會對表層(céng)特性有太(tài)大的影響。業已證明，根據所選擇的芯部回火溫度，芯部硬度應控制在30~45HRC。這種芯部韌性以前隻能在CBS600和(hé)Prowear53才能得到(dào)，現在(zài)KSF的熱(rè)處理工藝使具有良好的耐(nài)高溫性能的M50NiL也具有宋(sòng)的芯部韌性。此外，SKF研究人員還(hái)發現這種表面淬硬(yìng)鋼還(hái)具有其它一(yī)些特點。一是表面處理。象滲氮鐵(FCN)這樣的表面處理對M50NiL具有有利的影響，它可在不含碳化物顯微組織的表面産生(shēng)高壓應力區(＞1000MPa)。預期這種處(chù)理方(fāng)法可提高抗腐蝕性、耐磨性和抗表面(miàn)引(yǐn)起疲勞的特性。二是(shì)可焊(hàn)接性能。由于M50NiL含(hán)碳量低，因此，在需要将軸承與法蘭或其(qí)它相類(lèi)似的部件或材料(liào)連接(jiē)起來制造(zào)單元軸承和(hé)複合結(jié)構部件時，可使用這種材料以降低成本。

  目前，用M50NiL制造的軸承正在世界上12種不同的飛機發動機上進行試(shì)驗或應用，SKF公(gōng)司處(chù)于世界領先地位(wèi)。

  2.陶瓷材料

  為飛機提供動力的燃氣渦輪發(fā)動機(jī)效率極(jí)高，可使飛機速度達(dá)到3馬赫以上。發動機主軸(zhóu)軸承的工作條件要求非常高，預計主軸轉速要超過30000轉/分，軸(zhóu)承最高極限(xiàn)溫度約800~900℃。從研究可以看出，在650℃以上的工作溫度以(yǐ)使用高溫合金材料(liào)，要想(xiǎng)得到(dào)長壽命，希(xī)望渺茫(máng)，而陶瓷材料為軸承工作溫度提(tí)高(gāo)到明顯(xiǎn)高于(yú)650℃帶來了希望。

  SKF通過研究，選(xuǎn)出了一組可以滿足超高溫(wēn)軸承工作要求的高性能陶瓷材(cái)料(liào)，在1100℃以上高溫條件下，這些陶瓷材料(liào)中(zhōng)，有一種性能最佳，這就是過去十年裡人們研制出的熱壓氮化矽或等壓氮化矽(Si3N4)。氮化矽之所以是理想的材料(liào)，是因為它(tā)具有良好的高溫強度和硬度，以及有利的強度/重量關系。當潤滑充分(fèn)時，還具有(yǒu)極佳的抗滾動疲勞特性。1984年，SKF就(jiù)在美國用(yòng)固(gù)體潤滑劑對該材料進行了500℃以上高溫下的長期試驗(yàn)。

  然而(ér)，氮化矽也有(yǒu)缺點(diǎn)，其中(zhōng)包括抗拉強度低，止裂韌(rèn)性差和熱(rè)膨(péng)脹系數極低等。因此，要制造和應用陶瓷(cí)軸承(chéng)，還需(xū)要做大(dà)量的研究工作。

  目前，SKF研究人員正在對碳化(huà)矽(SiC)、碳化钛(TiC)和氧化氮矽鋁(SiAlON)等(děng)其他一些陶瓷材料用做球(qiú)和套圈材料的适用性進(jìn)行評(píng)定，SKF已将碳化矽(xī)用于40000轉/分(fèn)的軸承試驗。碳(tàn)化矽作(zuò)為高溫軸承的有利性能是良好(hǎo)的熱傳導(dǎo)率、熱擴散性和抗氧化性以及材料的(de)高純度(dù)(幾乎(hū)不存在因雜質造成的影響)，其不利因素之一是(shì)彈性模數高，約高出熱壓氮(dàn)化(huà)矽50%，這一點被認為是一個潛在的問題，因為它有産生高赫茲接觸應力的危險。SKF研究人員曾試圖考慮過通過調(diào)整(zhěng)滾道的曲率比來減少這(zhè)方面的影響，但這樣(yàng)做又會導緻摩擦升熱的加劇。