金属材料方向课程设计-石油机械用轴承材料、热处理工艺设计

1设计任务随着国民经济的迅猛发展，对原油产品的需求量不断增加，石油行业的发展对石油机械用轴承的寿命提出了越来越高的要求。石油机械用轴承不仅要承受拉伸、压缩、弯曲、剪切、等复杂的交变应力状态和高应力还要受到腐蚀介质的侵蚀。炼油厂加丁原油种类日趋复杂、原油性质变差，硫含量和酸值均有所增加，设备腐蚀问题日趋严重，尤其是机械“关节”-轴承，因此选择合适的材料、制定适宜的热处理工艺，以提升和强化石油机械用防锈轴承的性能显得尤为重要。2摘要本文根据石油机械用轴承的服役条件，以滚动轴承为例，以选择合适的钢材并制定适宜的热处理工艺制度，设计石油机械中用的防锈轴承使得其热处理后的最终硬度在 5862HRC 为目标，首先分析了石油的腐蚀环境轴承零件的服役条件，在此基础上根据其可能的失效形式，工作环境及性能要求选择合适的材料，设计零件加工工艺路线，分析热加工过程，最后进行性能检测及分析。3目录设计任务 .1 摘要 .2 第一章 工件的服役条件 1 第二章 材料的选取 1 2.1 轴承性能的一般要求 1 2.2 化学成分的作用 3 2.3 滚动轴承用钢冶炼质量的基本要求 .4 2.4 防锈石油轴承的选材 6 第三章 零件加工工艺路线 7 3.1 加工路线 .7 3.2 套圈制造 7 3.3 滚动体制造 8 3.4 滚动轴承装配一般工艺过程 8 第四章 热加工过程及分析 8 4.1 锻造 8 4.2 预备热处理 9 4.3 热处理工艺 .11 4.3.1 淬火工艺 .11 4.3.2 回火工艺 .13 第五章 性能检测方法及分析 14 5.2耐磨性的测定 .14 5.3强度的测定 .14 5.4硬度的测定 .15 5.5冲击韧性的测定 .15 5.6防锈性能的测定 .16 5.7 常见缺陷及分析 16 第六章 结论或建议 17 参考文献 181第一章 工件的服役条件轴承零件在实际使用过程中，往往要在拉伸、压缩、弯曲、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值条件下，高速长时间工作。轴承应满足：一、能承担一定的载荷，具有一定的强度和刚度；二、具有小的摩擦力矩，使回转件转动灵活。三、具有一定的支撑精度，保证被支撑零件的回转精度。滚动轴承中的向心轴承通常由内圈、外圈、滚动体和滚动体保持架四部分组成。内圈紧套在轴颈上并与轴一起旋转，外圈装在轴承座孔中。在服役过程中，滚动轴承的服役条件具有以下特点：首先，接触应力很高，滚动体与内外圈之间相对运动以滚动为主，但同时伴有滑动，其主要失效形式以磨损和接触疲劳为主。这就要求滚动体及内外圈滚道等发生接触的表面具有高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强度，所以轴承钢的选材首先要求钢的含碳量足够高。其次，大尺寸滚动轴承受力也很大，并可能受到一定的冲击载荷作用，其失效形式也会出现断裂这种形式。因此，大尺寸轴承要求芯部具有良好的韧性，而表面具有高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳强度。最后，还应具有在大气环境、石油等介质环境下具有良好的抗腐蚀能力。第二章 材料的选取2.1 轴承性能的一般要求21）高的接触疲劳强度接触疲劳强度是轴承正常破坏的主要要形式，滚动轴承运转时，滚动体在轴承内、外围的滚道间滚动，其接触部分承受周期性交变载荷。多者每分钟可达数十万次，在周期性交变应力的反复作用下，接触表面出现疲劳剥落。滚动轴承开始出现剥落后便会引起轴承振动、噪音增大、工作温度急剧上升致使轴承最终损坏，这种破坏形式称为接触疲劳破坏。因此，要求滚动轴承应具有高的接触疲劳强度。2）高的耐磨性滚动轴承正常工作时，除了发生滚动摩擦外，还伴有滑动摩擦。发生滑动摩擦的主要部位是：滚动体与滚道之间的接触面、滚动体和保持架兜孔之间的接触面、保持架和套圈引导挡边之间以及滚子端面与套圈引导档边之间等。滚动轴承中滑动摩擦的存在不可避免地使轴承零件产生磨损。如果轴承钢的耐磨性差，滚动轴承便会因磨损而过早地丧失精度或因旋转精度下降而使轴承振动增加、寿命降低、因此，要求轴承钢应具有高的刚磨性。3）高的弹性极限滚动轴承工作时，滚动体与内、外套圈的接触面积很小，但承受负荷大。为了防止在高负荷作用下发生过大的塑性变形，以致破坏轴承的精度和引起表面裂纹，所以要求轴承材料具有高的弹性极限。4）适宜的硬度硬度是滚动轴承的重要指标之一。它与材料接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限有着密切的关系，直接影响滚动轴承的寿命。3滚动轴承用钢的硬度要适宜，过大或过小都将影响使用寿命因此硬度是轴承质量的关键指标之一。5）一定的韧性大多数轴承在使用时承受冲出负荷，尤其是轧钢机上使用的压下轴承。因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因承受冲出负荷而破坏。对于承受较大冲击载荷的轴承如轧机轴承铁路轴承等要求材料具有相对较高的冲击韧性和断裂韧性，这些轴承有的用贝氏体淬火热处理工艺，有的用渗碳钢材料，就是为了保证这些轴承具有较好的冲击韧性。6）良好的尺寸稳定性滚动轴承系精密的机械零件，其精度是以微米为计算单位的。在长期的保存和使用中，因内在组织发生变化或应力变化会引起尺寸发生变化，导致轴承丧失精度。这就要求轴承用钢应具有较好的尺寸稳定性。7）良好的防锈性能原油虽经脱盐脱水，但仍含一定数量的无机盐和水，其中氯盐在 120以上易水解生成氯化氢。高温重油部位叶金属的硫腐蚀常发生在常压、减压加热炉管、转油线以及蒸馏塔进料部位、塔底、热油泵的叶轮等高温重油部位。滚动轴承的生产工序繁多，周期长，而成品亦需长期存放，故要求制造轴承用钢应具有一定的防锈性能，以便轴承零件在生产流程中和轴承保存期间不致锈蚀。2.2 化学成分的作用1）C 决定钢的性能的主要元素，保证 钢的高硬度和耐磨性。 42）Cr 提高淬透性和耐磨性（Fe，Cr）3C。3）Si 提高淬透性，增加钢的强度、弹性极限和疲劳强度。Mn 增加钢的强度 提高淬透性，过热敏感性比较强。4）Mo 提高淬透性 ,细化晶粒。5）P<0.025% 、S<0.025 % 减少夹杂物，提高疲劳寿命。2.3 滚动轴承用钢冶炼质量的基本要求滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶金质量有着密切的关系。由于轴承钢所具有的特性，对冶金质量的要求比一般工业用钢要严格得多。 1）严格的化学成分要求:一般轴承用钢主要是高碳铬钢即含碳量是 1%左右，加入1.5%左右的铬，并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。铬可以改善热处理性能，提高淬透性，组织均匀性，回火稳定性又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。但当铬含量超过 1.65%时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。为此，高碳铬钢中的含铬量一般控制在 1.65%。只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得轴承性能组织和硬度。2）高精度的尺寸要求5表 1 高碳铬不锈钢物理性 3）特别严格的纯洁度要求：钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。轴承钢中的氧化物，硅酸盐等有夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落，显著降低轴承寿命的主要原因，特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中，容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此为了提高轴承的使用寿命和可靠性必须降低轴承钢中夹杂物的含量4）严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求:轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析，显微组织包括钢的退火组织碳化物网状、带状和液析等。碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。低高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响，所以，在轴承材料标准中对低高倍组织有着严格的要求。5）特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求：对轴承钢而言，表面缺陷包括裂纹夹渣、毛刺、结疤，氧化皮等，内部缺陷包括缩孔，气泡白点严重的疏松和偏析等。这些缺陷对于轴承的加工轴承的性能和寿命有很大的影响在轴承材料中明确规定不允许出现这些缺陷。6）特别严格的碳化物不均匀性要求：在轴承钢中，如果出现严重的碳化物分布的不均匀，则在热处理加工过程中就容易造成组织和硬度的不均匀，钢的组织不均匀性对接触疲劳强度有较大的影响。另外严重的碳化物不均匀性容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹，碳化物不均匀性还会6导致轴承的寿命降低。因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材均有明确的特别要求。7）特别严格的表面脱碳层要求：在轴承材料标准中对钢材表面脱碳层有着严格的规定，如果表面脱碳层超过标准的规定范围，且在热处理前的加工过程中又没有将其全部清除掉，则在热处理淬火过程中就容易产生淬火裂纹，造成零件的报废。2.4 防锈石油轴承的选材高碳铬不锈纲属马氏体不锈钢，它不仅具有 GCrl5 型铬轴承钢所要求的性能，而且还具备高的耐腐蚀能力和一定的耐高温能力。它主要用于制造在海水、河水、硝酸、海洋性气候等介质中和在低温(-183283)、高温(350)下工作的轴承。例如，石油机械、化工机械、食品机械、航天、航空工业、船舶等方面使用的轴承。3化学成分（质量分数%） CSiMnCrMoSP 9Cr180.9 1.000.8 00. 8017.00 19.000.03 00.0 35 9Cr18Mo0.95 1.1 00.8 00. 8016.00 18.000.40 0.700.03 00.0 35表 2 高碳铬不锈钢化学成分 牌 号用 途9Cr18 9Cr18Mo用于制造海水，河水，蒸馏水，硝酸，海洋性气候蒸汽等 腐蚀环境及无润滑的强氧化气氛中工作的轴承，如船舶、化 工、石油机械中的轴承及航海仪表上的轴承等，也可作为耐 蚀高温轴承材料，但使用温度不能超过 250。此外，它们 还可以用于制作医疗手术刀具。7表 3 高碳铬不锈钢适用范围 根据轴承服役条件以及性能要求，同时考虑经济性原则，因此选 用 9Cr18 为本次设计的材料。第三章 零件加工工艺路线3.1 加工路线下料锻造毛坯等温球化退火车削加工粗磨淬火回火细磨稳定化处理（附加回火）精研工件表面检验成品清洗防锈3.2 套圈制造套圈是滚动轴承的重要零件。由于滚动铀承的品种繁多，使得不同类型轴承的套圈尺寸、结构刷造使用的设备、工艺方法等各个相同。套圈制造的原材料为圆柱形棒料或管料，日前根据成型工艺不同，滚动铀承套圈一般有以下几种制造过程。1)(棒料)下料锻造退火(或正火) 车削(冷辗成型) 热处理淬、回火磨削零件检查退磁、清洗提交装配用于微型轴承套圈和钢球； 适于在高真空以及在-253350温度范围内工作的轴承 零件（套筒以及滚动体） 。0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti制造耐腐蚀轴承保持架，防尘盖，套圈，钢球等Cr17Ni2制造高速，耐腐蚀轴承保持架，钢球。1Cr13制造 940/00 型滚针轴承的外套。2Cr13制造关节轴承的内套3Cr3制造关节轴承的内套4Cr13制造耐腐蚀滚针和套圈。82)(棒料、管料)下料冷辗成型热处理淬、回火磨削零件检查退磁、清洗提交装配3)(管料)下料车削成型热处理淬、回火磨削零件检查退磁、消洗提交装配4)(体料)下料冷(温)挤压成型午削热处理淬、回火磨削零件检查退磁、清洗3.3 滚动体制造材料改制成形（冷镦、车削、锻造) 软磨外径或端面热处理淬火、回火磨端面磨球基面(产品有要求时)粗磨外径细磨外径终磨外径 l终磨外径 2、磨凸度(产品有要求时)超精外径（2 级以上精度的滚子)。3.4 滚动轴承装配一般工艺过程滚动轴承一般装配工艺过程可以归纳如下：成品零件退磁清洗成品零件尺寸选别游隙计算、零件纽装配套成品游隙检查铆合保持架(需要时) 成品退磁清洗成品检查涂油、防锈包装第四章 热加工过程及分析4.1 锻造热处理质量好坏，首先应控制锻造质量。它不仅影响零件的成型，而且锻造组织对退火及其机械性能产生较大的影响。由于9Cr18 钢