常用不锈钢轴承的设计要点与材料

　　摘　要：综述不锈钢轴承设计要点，并对国内外不锈钢轴承用材现状进行了分析。 
　　关键词：不锈钢轴承；设计；材料
　　随着免维护技术的广泛普及应用，不锈钢轴承在食品机械、日用机械、及各种耐腐蚀领域获得了越来越广泛的应用。特别在微小型轴承、深沟球轴承和外球面轴承中，已作为一种系列通用的产品，如：$6000、$6200、$6300系列，SUC系列，SSB系列等不锈钢系列产品已在各种领域得到了广泛的应用，并列入了知名公司的产品样本中。
　　1　设计要点
　　不锈钢轴承作为一种新兴的轴承产品，很多技术，如：代号、技术要求、材料、加工工艺等都处于不断变化与发展中。在轴承的代号表示方面，上普遍在轴承基本代号前加S，加以标识：如$6204 2RS，表示双面密封的6204不锈钢轴承；有的公司还加后缀予以标识。如：FAG公司的不锈钢轴承，则用S+基本代号+W 203B标识。我国的不锈钢轴承则以后缀HV表示轴承用9Cr18钢制造，以后缀HV1表示轴承用9Cr18Mo钢制造。
　　不锈钢轴承的设计与普通轴承设计没本质的不同，但其技术要求与标准轴承钢轴承有些差异。所以除了执行一般通用轴承的设计原则与标准外，还应注意以下问题：
　　1）标识清楚套圈、保持架、钢球、铆钉、密封圈、骨架、润滑脂、紧钉螺钉的材料牌号和执行的标准。
　　2）各零件图的技术要求要标识清楚，杜绝在图纸上标识以“尺寸精度符合现行有关标准的规定”、“热处理工艺与硬度符合现行有关标准”等笼统技术要求。
　　3）执行与现行标准轴承结构参数通用化的原则。
　　4）产品自成系列设计原则，尽量做到保持架套料、套圈套车、锻坯料芯再利用等低成本生产原则；给出相应的套圈套车尺寸表和保持架套料表。
　　5）沟曲率系数fi，fe比标准轴承略小。
　　6）所有表面及过渡面要遵循光滑过渡原则，所有表面不允许有锐角、毛刺和划伤、凹坑，以利于防锈。
　　对不锈钢轴承额定载荷与寿命问题的研究国内所见报道不多。一般认为，如果热处理硬度达到HRC60以上，其额定载荷能力应与GCr15钢轴承相当，但由于9Cr18中含有复杂的碳化物（Fe、Cr）₇C₃，有大量的共晶碳化物存在，其组织中碳化物颗粒的平均尺寸直径明显大于GCr15钢（约为轴承钢的10倍左右），据此可以认为其疲劳寿命应比GCr15钢要低。
　　据研究资料表明，在同等接触应力作用下，9Cr18的接触疲劳寿命L10和L50分别比GCr15钢低约70％和15％。目前，通行的做法是：相同轴承型号产品9Cr18钢的额定动载荷取与GCr15相同；额定静载荷有两种取法：一种取与GCr15钢相同，一种取与GCr15钢产品的75％-8O％。
　　2　常用不锈钢轴承材料及选择
　　目前，我国制造不锈钢轴承的主要材料为9Cr18，也有少量产品用9Cr18Mo。两种不锈钢特别是9Cr18，在冶炼过程中不可避免地形成一定量的共晶碳化物，也称一次碳化物，其颗粒粗大、分布不均匀，大部分分布在晶界上，不仅不能象共析碳化物那样对轴承产品的热处理硬度作出贡献，而且共晶碳化物太多或分布不均匀，在生产过程中造成大量废品。另一方面，在磨加工过程中，共晶碳化物容易从表面剥落下来形成凹坑，影响轴承的表面质量和加工精度。共晶碳化物属于脆性相，在轴承承受较大载荷时，易在共晶碳化物处造成应力集中而产生疲劳裂纹源，使轴承的使用性能和接触疲劳寿命受到很大的影响。
　　普通不锈钢轴承的材料选用在世界范围内也是一个很受关注的问题。表1给出了当前常用的用于制造不锈钢轴承套圈和保持架的不锈钢材料。FAG公司早期使用X110Cr17Mo（9Cr18Mo）；80年代使用X45Cr13（4Cr13）；到了90年代中后期则使用X65Cr13（6Cr14Mo）制造套圈，钢球则一直用X110Cr17Mo制造。NMB公司的不锈钢产品，全部采用DD400（相当于FAG公司的X65Cr13）。据NMB称：与9Cr18Mo相比，DD400具有淬火硬度高、寿命长、承载能力大等优点。由于淬回火后，碳元素呈球状细微分布，可取得近似于GCr15钢的表面粗糙度和波纹度，可用于制造低噪声不锈钢轴承。
　　用不锈钢制造的微小型球轴承广泛应用在仪表与家电行业，但用于磁盘驱动器主轴的微小型轴承，由于要求轴承至少要达到P4、P2级，甚至要求非重复径向跳动不得大于0.21μm。这样的高精度要求，传统的9Cr18和9Cr18Mo钢难以达到。正是在这样的背景下，开发成功了DD400，以满足HDD轴承对高性能不锈钢的要求。其防腐性能根据ASTM-A380试验结果与440C相当。另外，这种材料的制造成本和工艺性也大大优于440C。这样，欧美各国相继开发类似钢材作为取代440C的替代材料，广泛用于普通不锈钢轴承中，同时推动了不锈钢轴承的发展。
　　我国在1996年开始试验研究6Cr14Mo，小样炼制了试样，并进行了6Cr14Mo和9Cr18锻造工艺、淬回火工艺、车、磨加工工艺试验、耐腐蚀试验、接触疲劳寿命试验。研究结果表明：6Cr14Mo钢中的共晶碳化物含量比9Cr18不锈钢明显地大大降低；锻造后退火硬度比9Cr18 低20HB左右；车加工性能、磨加工性能和超精性能均优于9Cr18；淬回火后，比9Cr18共晶碳化物少，硬度比9Cr18高1-2HRC，耐磨性优于9Cr18。接触疲劳寿命L10是9Cr18的1.78倍；耐腐蚀性能则与9Cr18相当。在同等硬度下，其冲击韧性比9Cr18高14-30J/cm。 
　　为了适应航天飞机和机床等配套用高速混合陶瓷球轴承高可靠性、超长寿命、低摩擦、低温升的要求，欧、美、日相继开发了氮化不锈钢用于取代440C、M50。科研人员从表面氮化产品：420钢经表面氮化0.52％N在海水石英砂工作中具有良好的防锈性能，在污染环境中具有良好的寿命和耐磨性和防锈性能中得到启示，找到一种方法将氮加到钢中，取代碳，制造一种新的轴承钢。另外，由于 440C共晶碳化物的存在严重影响产品的可靠性，因此，对于航天飞机这种高可靠性产品显然已不适应，正是在此背景下，开发了氮化轴承钢，具体成份不详，一般认为加入0.4％左右的N，取代440C中的部分C ，从而取得良好的性能，其工艺称之为加压电渣重熔工艺（Pressurized electro-slag remelting-PESR）。NSK公司称之为ES1不锈钢，NSK称用这种钢制造的轴承为SHX系列轴承。FAG公司则称之为高可靠性、超长寿命、低摩擦、低温升轴承（X -Lifeultra bearing）。 这种钢的韧性、耐蚀性及疲劳性能均明显优于440C和DIM（X），在水中其轴承寿命高出常规轴承钢5倍。其显微组织对比见图1，耐碱、耐酸腐蚀性能见图2。