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滚动轴承钢的技术和历史前景
摘要
大约从1920年起，跟踪轴承材料技术的发展就越来越容易了。直到1955年，几乎没有例外，这一领域的发展相对缓慢。AISI 52100和一些碳化的等级(AISI 4320，AISI 9310)对于大多数应用来说是足够的。推动量子在高性能的滚轴轴承钢中进步的催化剂是飞机燃气涡轮发动机的出现。随着利用润滑油技术对轴承制造和钢加工技术的改进，使得轴承潜在寿命可以达到20世纪50年代末的80倍，也可以达到1940年可达到的400倍。这篇论文总结了轴承钢的化学、冶金和物理方面特点，以及它们对轴承寿命和可靠性的影响：显著提高轴承寿命和可靠性的最重要的因素是轴承钢的真空处理。讨论了硬化钢、渗碳钢和耐腐蚀钢之间的不同之处。介绍了合金元素与碳化物的相互关系及其对轴承寿命的影响。给出了轴承寿命、钢硬度和温度的关系式。提出并讨论了各种钢的生活因素。介绍了压缩残余应力与轴承寿命之间的关系。讨论了保留奥氏体和晶粒尺寸的影响。
引言
1734年，Jacob Rowe申请了一项关于滚动轴承的英国专利。在他的专利中，他介绍了这种轴承的优点。Rowe表示,采用这类轴承的车轮“现在用一匹马的马车相当于两个匹马的劳动力。我假设将会有机会使用二万匹马的劳动力代替现有的四万匹马的劳动力，那么英国每年可节省1095000英镑”。Kelly在撰写关于Rowe的文章中这样描述，“他无法找到显示了这种突然的繁荣的历史记录。因此，他得出的结论：养一匹不工作的马的成本和实际工作的成本一样高”。这在过去的275年里，一切都没有改变。
Jacob Rowe时代使用的滚动轴承材料是木头、青铜和铁。现代滚轴轴承钢和冶金直到1856年才开始披露贝赛麦的工艺。在这个过程中，空气通过熔化的生铁产生一个相对较高的钢材。10年后，发明了平炉熔炼，这进一步提高了产品的质量，让钢铁行业更容易进入钢铁行业。自行车轴承制造商很快就利用了这种新材料。然而，由于钢的热处理仍然是一种只有少数人知道的技术，大部分的滚轴轴承可能是由未淬火钢制成的。1879年，英国869号专利因为一种安装在球槽的硬化的钢套或内轴而被授予J.Harrington和h.布伦特。大约在同一时间，英国考文垂的W.Hillman建造了一种从钢丝上切割球的机器。
在1900年，根据Stribeck的说法，在19世纪最后25年，随着对轴承可靠地支持重负荷的能力的需求增加，碳和铬钢的使用逐渐增加。他报告说，水淬硬钢比石油硬化钢具有更高的弹性极限和更高的性能。在对Stribeck论文的讨论中，Hess提出了四种在使用的轴承钢的化学分析。Hess声明，这些轴承钢将全部硬化，并且其耐久性和所想要寿命是一致的。列在表中的88号是一种法国钢的化学成分，与美国钢铁协会规范（AISI）、AISI 52100的规格相匹配。这种钢材最早是在1920年被指出的，是目前使用最广泛的轴承钢。
从1920年开始，追踪轴承材料技术的发展变得更加容易。直到1955年，几乎没有例外，这一领域的进展相对缓慢。AISI 52100和一些渗碳等级(AISI 4320，AISI 9310)对于大多数应用来说是足够的。一些材料，例如AISI 440，在一些需要提高耐腐蚀性的情况下它的性能是足够的。由肖和马克在1949年撰写的一篇关于轴承的经典教科书中，唯一被讨论的滚动轴承钢是AISI 52100。即使是在1957年，由Wilcock和Booser撰写的另一个权威的文章中，他们也只是偶然地注意到AISI 52100在177℃(350℉)是没什么用的。根据Wilcock和Wilcock的说法“在高于177℃(350℉)的温度下，轴承制造商生产了大量的AISI M-1和AISI-M-10工具钢。这些钢能保持其硬度一直
图1 跑道上球接触剖面示意图;赫兹接区的半宽度为b的主要的微小区域
到温度接近538℃(1000℉)。迄今为止的证据表明，只要能保持润滑它们可以有效地运作。”
正如美国辛辛那提市通用电气公司发动机部门的班贝杰所讨论的，推动量子技术在所有高性能材料（包括这些用于轴承钢的材料）方面进步的催化剂是飞机燃气涡轮发动机的出现。第二次世界大战后，为了更好的材料和更好的对滚动轴承的设计，燃气涡轮发动机对飞机工业的发展产生了前所未有的需求。这些需要包括高温、高速度和高负载的轴承。喷气式飞机发动机不断增加的推力，要求使用更小、更轻的轴承。由于系统和任务的复杂性以及高昂的成本，这些轴承的可靠性成为一个主要的考虑因素。
为了保证在商业、工业和航空应用领域的滚动轴承寿命的长度和可靠性，必须仔细考虑材料、润滑油和设计变量。从矿石到成品的合金处理对轴承性能、寿命和可靠性都有很大的影响。经验表明，相同材料和加工过程在不同温度下可以产生2到1之间寿命差异。因此，本文从技术和历史两方面对轴承钢的化学、冶金、物理等方面进行了探讨，并对其对滚动轴承寿命和可靠性的影响进行了探讨。
轴承寿命
图1是一个关于轴承比赛的球接触侧面的示意图。图2a显示了球下的表面（赫兹）应力分布和在表面下的临界位置z的应力分
（a）
（b）
图2 点接触下地下应力场
布。图2b显示了表面下的应力分布。从这些主要应力中可以计算出剪切应力。
三种剪切应力可应用于轴承寿命分析:正交剪切应力、八面体剪应力和最大剪切应力tmax。冯米塞斯的应力并不是一种剪切应力，被一些研究人员不当使用，作为八面体剪切应力的替代品。所有这些剪切应力都是最大赫兹压力的函数其中
t= k1Smax ⑴
比例常数k1是一个与特定剪切应力相关的变量，最大赫兹应力是图2a所示的赫兹应力分布的最大值。（此处完全不会翻译省略了）
对于本文所报告的分析，只考虑最大的剪切应力。最大的剪切应力是主应力的一半
tmax =（sz-sx）/ 2 （2）
（此处跳过了几部分）
钢的化学
在上世纪50年代到60年代，轴承行业认为合金含量高的材料在高温条件下能保持更好的硬度。由此推断，这也会导致较高的环境温度硬度和较长的轴承寿命。在此基础上，美国国内的钢铁公司和研究实验室开始开发含高合金含量的轴承钢。
在滚动体疲劳试验和/或实际轴承测试中，有必要对这些钢和加工变量进行比较。标准的机械测试，如拉伸和压缩试验或扭转实验，不能与滚动单元疲劳结果相关联。因此，美国克利夫兰美国宇航局路易斯研究中心(现在美国宇航局格伦研究中心)的创始人和他的同事们进行了一系列研究，以验证增加合金元素对滚元素疲劳寿命的影响。
图3a总结了在美国宇航局5号球疲劳测试器中进行的滚动元素疲劳测试的结果。以前的其他研究没有严格控制操作和处理变量，如材料硬度、焊接技术、润滑油类型和分批处理等都要求完全无偏向的材料比较。这些测试使每八个经过硬化的轴承钢都有三组受到了损害。总共有720个测试。所有用于指定钢材的标本都来自同一热度的材料，并且同时对它们进行加工和热处理到同一硬度，。所有其他变量都是经过严格控制的。与预期相反，随着钢中合金元素含量的增加，滚动元素疲劳寿命降低。在高百分比的情况下，这些合金元素似乎明显地减少了滚动体疲劳寿命。
图3b所示是附加的实验，这是用由VAR AISI M I、AISI M 42、AISI M 50和WB 49钢制造的120mm口径的球接触球轴承进行的
图3 滚动轴承疲劳寿命与合金元素的总含量的函数，包括钨、铬、钒、钼和钴
实验，是用来验证美国国家航空航天局的5号球疲劳测试器的结果。轴承在316℃(600℉)的温度下进行测试。这四个测试钢种总共有120个轴承，每种钢有30个。在316℃(600℉)的这些轴承测试中所看到的差异与图3a所示的5号球疲劳测试器的结果相关联。以AISI M -50 L10寿命作为比较样本，5号球疲劳测试器和轴承试验测的AISI M-1数据非常吻合。在轴承试验中的WB-49和5号球疲劳测试器测的AISI M-42，这两种合金都含有相对较高的钴含量，并且具有相似的微结构，显示出相当好的一致性。
这些结果完全改变了先前对轴承钢合金元素对滚动体疲劳寿命的影响的假设。因此，在上世纪80年代中期，在超过了149℃(300℉)高温，大多数情况下AISI M-50钢会被选择作为轴承材料。由于轴承温度低于149℃(300℉)，AISI 52100钢的合金含量最低，其疲劳寿命更长，可能是世界上使用最广泛的轴承钢。这些钢通常在室温下进行热处理使其硬度不低于60HRC。在工作温度下，一般要求操作热硬度大于58HRC。
渗碳钢
在出现问题和确定需要维护的间隔期间，，轴承在没有发生彻底损坏的情况下需要持续承受巨大的损害。物质韧性提供了这种能力。断裂韧性是指在出现局部缺陷时(如疲劳裂纹)导致快速断裂所需要的应力。初始缺陷尺寸严重影响断裂的特征，但超出了设计者的控制范围。拉伸应力，无论是外力引起的应力还是残余应力，都是快速断裂发生的必要条件。这些都是由设计师控制的，但是高级的应用程序需要忍受增加的压力。
如轴承组件，它们通过硬化处理，即通过热处理使其硬度达到60HRC,会是其出现有限的断裂韧性KIC通常小于24 MPa m1/2(22 ksi in.1/2)，这取决于热处理。如果要避免快速断裂，断裂韧性较低的材料具有有限的体积拉伸应力，一个保守的安全限值是172·4 MPa(25 ksi)。需要更高韧性的应用必须由渗碳钢来制造。
渗碳钢降低了碳含量，因此热处理通常会产生中等硬度和高韧性。高表面硬度是滚动轴承性能的要求，在热处理之前将碳扩散到钢的表面，这个过程称为碳化。部分钢材是一种高碳合金，通过热处理可以完全硬化。产生的结构有一个具有机械性能的表面层。产生的结构有一个机械性能等同于传统的硬化轴承钢表面层和一个保持低硬度的核心，其具有相应的高延性和高断裂韧性。表面产生的缺陷（如裂纹）在达到临界尺寸之前将裂纹扩展到坚硬的内核中。坚固的核心防止了快速和彻底性的断裂。
材料的断裂韧度与它的碳含量和硬度是成反比的。碳含量也决定了硬度。在不影响硬度的情况下，可以通过增加镍来改善断裂韧性。当在钢中的铬含量较高而碳含量较低时，在高于875℃(1605℉)的温度下，镍会导致钢中经过热处理或渗碳的部位全部变成奥氏体。加入镍也会影响到碳化的区域的大小和分布，从而影响疲劳寿命。在认识到这一点后，Bamberger通过减少碳的数量和增加镍的数量，对AISI M-50钢的化学进成分行了改进。他称这种改良的AISI M-50钢为M50NiL(“Ni”是指镍，“L”是指低碳)。钢材也被指定为航空材料（AMS）6268。
M50NiL的核心KIC(超过60 MPa-m1/2；50 ksi-in.1/2)比通过硬化的AISI M-50(29 MPa-m1/2；20 ksi-in.1/2)有更高的断裂韧性。M50的核心硬度是43HRC到45HRC。M50 NiL的碳化合物(碳化合物和各种合金元素)比标准的AISI M 50更均匀地分散在其微观结构中。摘要在m50nil的carburism过程中，在最大的分解切应力区中，产生了超过210 MPa (30 ksi)的压缩残余应力。这些残余应力与精细的碳化物结构结合在一起，将增加了由AISI M-50钢制造的滚动元素疲劳寿命。
许多碳化的齿轮钢也被用作轴承钢。这些碳化钢主要用于圆锥滚子轴承或其他轴承内腔和滚子之间需要紧密配合的轴承，如圆柱滚子轴承。紧密的配合将会在轴承内圈产生较大的拉伸（圈）应力，从而导致环和轴承的彻底性断裂失效。和AISI 52100钢一样，在轴承工作温度低于149℃(300℉)的情况下，AISI 9310和AISI 8620通常是作为选择的材料。然而，对于轴承的工作温度大于149℃(300℉)时，则选择M50NiL。
耐蚀钢
虽然通常不具有功能性要求，但由于其对生命周期成本有潜在的巨大影响，所以抗腐蚀是非常可取的。含铬量高的合金钢，超过12%，被认为是耐腐蚀的。然而，尽管铬在表面形成了一个被动的氧化铬层，它提供了大量的保护，但它不是惰性的，这些合金会在敌对环境中腐蚀。
可用的耐腐蚀轴承合金包括AISI 440C和高温变化，如AISI 440C Mod，航空材料规范(AMS)5749(VIM VAR bg-42)，AMS 5900(VIM VAR CRB7)和Pyrowear 675。AISI 440C广泛应用于仪表轴承和食品加工设备轴承。此外，AISI 440 C是一种传统的合金，可用于低温火箭发动机涡轮泵，例如美国宇航局的航天飞机。AMS 5749(VIM VAR bg-42)、AMS 5900(VIM VAR CRB7)和Pyrowear 675是最新的发展。如果温度低于149 uC（300伏），AISI 440 C是首选的耐腐蚀钢。对于大于149uC(300uF)的温度，AM
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