轴承钢高温硬度测试探讨

刘汇河，曾朝凡，仵永刚，李昭昆，宋华华，龚建勋

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039； 2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039；)

众所周知，硬度是表征轴承耐磨性能的重要指标[1]。硬度的高低对轴承的寿命有重要影响。目前，国内的轴承标准轴承零件的硬度都做了相应要求，但是无论热处理时采用的回火温度高低，轴承零件的硬度都是在室温环境下测定。因此有必要对高温下的轴承零件的硬度进行测试，以确定高温下的真实硬度，探讨其对轴承额定寿命的影响。

本文符号说明

L10：基本额定寿命；

C：基本额定动载荷；

P：当量动载荷；

ε：寿命指数(球轴承为3、滚子轴承为3.33)

fH：硬度系数；

CH：经硬度修正后的额定动载荷；

1 轴承材料选择

目前，制造轴承所用的材料主要包含高碳铬轴承钢、高温轴承钢、高碳铬不锈钢以及渗碳钢等类型。本次测试主要选用三种材料，高碳铬轴承钢GCr15和GCr15SiMn，高温轴承钢8Cr4Mo4V，化学成分见表1。

2 测试仪器、测试条件及试样要求

用意大利AFFRI公司生产的WIKI 200JS SPECIAL高温硬度计测试高温硬度。该仪器采用特有的电子闭环加载系统，加载精度高，精确到0.1 HRC，加载力平稳。测试试样放置在炉内加热，最高温度可以达1000 ℃，加热时通入氩气保护，防止试样氧化。高温硬度计形貌见图1。

表1 三种材料化学成分(质量分数，%)

图1 WIKI 200JS SPECIAL高温硬度计

三种材料的测试温度范围为150～600 ℃，每隔50 ℃至少测试3个点的硬度。具体测试条件见表2。测试试样需进行热处理，热处理工艺见表3。

表2 测试条件

表3 热处理工艺

3 测试结果及分析

3.1 测试结果

测试结果见表4。结果显示，随着温度的上升，三种轴承材料的硬度值逐渐下降。比较来看，高温轴承钢8Cr4Mo4V含有较高的Cr、Mo、V等强碳化物形成元素，经高温奥氏体化淬火后在540 ℃回火产生二次硬化，提高了钢的热强性和红硬性[2-3]，300 ℃时还能保持58 HRC的硬度值，耐高温性能明显优于GCr15和GCr15SiMn，硬度曲线见图2。

表4 三种材料硬度值(HRC)

图2 硬度变化曲线

图3 国内外数据对比

与资料[4]显示的国外M50钢的高温硬度相比，本次测试的国内轴承材料8Cr4Mo4V钢的高温硬度值相对低一些，见图3。上述情况可能和材料差异及热处理工艺有关。

3.2 硬度变化对额定寿命变化影响

根据《GB/T 6391 滚动轴承额定动载荷和额定寿命》标准，轴承的额定寿命按式(1)计算。

L10=(C/P)ε

(1)

当零件的表面硬度因某种原因发生变化时，需要引入硬度系数fH，修正后的基本额定动载荷按式(2)和(3)计算[5]：

CH=fH·C

(2)

fH=(实际硬度/58 HRC)ε

(3)

根据式(3)代入实际硬度，计算出硬度系数。以球轴承为例，使用计算出的硬度系数代入式(2)计算出修正后的额定寿命和计算额定寿命的百分比。硬度高于58 HRC视为全寿命。寿命百分比和变化曲线分别见表5和图4。高温轴承钢8Cr4Mo4V在高温下能保持较高的硬度，其高温下的额定寿命也明显优于GCr15和GCr15SiMn。

图4 寿命百分比曲线

表5 寿命百分比

4 结果和讨论

经过对上述三种轴承材料的高温硬度的测试及寿命计算，得出以下结论：

1)三种轴承的硬度随温度上升逐渐降低，8Cr4Mo4V的高温硬度优于GCr15和GCr15SiMn；

2)同国外M50钢高温硬度相比，8Cr4Mo4V钢的高温硬度整体略低，可能与材料和热处理工艺不同有关；

3)通过计算得出，8Cr4Mo4V钢在300 ℃环境下还能保持全寿命。

4)本次测试建立了部分轴承材料的高温硬度数据库，后续将进行更大样本的测试，优化完善高温硬度数据库。