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航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承新材料
1.M50NiL軸承鋼
從1955年到1980年25年間，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定增長(zhǎng)，dn值已達(dá)到近2.5百萬(wàn)。進(jìn)入九十年代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高速和高溫對(duì)滾動(dòng)軸承提出了更高的要求。然而，現(xiàn)有的軸承鋼，即使是專(zhuān)用的耐高溫軸承鋼，如M50，18-4-1和14Cr-4Mo家族的各種派生鋼種，如CRB-7和GB-42，在明顯高于目前發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的溫度下仍能正常工作。但還有一個(gè)重要的制約因素，這就是淬透鋼軸承套圈在超高速條件下的易斷裂性，這種故障發(fā)生時(shí)很少或根本沒(méi)有前兆。
為了找出一種既有M50軸承鋼所具有的性能，且斷裂性更好的軸承鋼，SKF的MRC軸承公司在美國(guó)空軍的支持下開(kāi)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比，顯微組織和疲勞強(qiáng)度也都很好。其原因之一是M50iL中沒(méi)有大顆粒碳化物，因此，這種鋼對(duì)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，且材料的軋制和鍛造更方便，但要想得到所需的理想淬透層、芯部顯微組織和一定的材料特性，必須精確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，投入了大量的資金。MRC技術(shù)人員認(rèn)為，通過(guò)熱處理可使這種材料在鄰近滾道表面處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，在高dn值條件下，該應(yīng)力區(qū)可抵消圓周應(yīng)力的作用，從而提高軸承壽命。采用SKF相奕控制工藝，可得到較高的壓應(yīng)力，而且淬硬深度比傳統(tǒng)工藝高三倍。SKF曾用傳統(tǒng)的方法對(duì)M50NiL做過(guò)熱處理試驗(yàn)，得出的材料斷裂韌性值為275~350MPa-m1/2，在軸承傳速達(dá)到dn=3百萬(wàn)時(shí)，具有良好的止裂特性。要提高軸承轉(zhuǎn)速和/或產(chǎn)生更大的表面缺陷，斷裂韌性值就必需接近700MPa-m1/2。為了提高芯部韌性，SKF開(kāi)發(fā)了一種工藝，可使熱處理后的M50NiL在不喪失表面特性的情況下得到一個(gè)特定的芯部韌性。SKF研究人員發(fā)現(xiàn)，該工藝還可提高殘留壓應(yīng)力，從而進(jìn)一步提高軸承的性能及可靠性。這種工藝包括將工件從奧氏體化溫度冷卻到芯部和表層馬氏體開(kāi)始形成的溫度之間的一個(gè)溫度，然后將工件加熱到一個(gè)較高的溫度，并在表層（淬硬層）冷卻和相變之前回火芯部。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)男静炕鼗鹧h(huán)，可將芯部熱處理到所需的韌度和強(qiáng)度，而不會(huì)對(duì)表層特性有太大的影響。業(yè)已證明，根據(jù)所選擇的芯部回火溫度，芯部硬度應(yīng)控制在30~45HRC。這種芯部韌性以前只能在CBS600和Prowear53才能得到，現(xiàn)在KSF的熱處理工藝使具有良好的耐高溫性能的M50NiL也具有 宋的芯部韌性。此外，SKF研究人員還發(fā)現(xiàn)這種表面淬硬鋼還具有其它一些特點(diǎn)。一是表面處理。象滲氮鐵（FCN）這樣的表面處理對(duì)M50NiL具有有利的影響，它可在不含碳化物顯微組織的表面產(chǎn)生高壓應(yīng)力區(qū)（＞1000MPa）。預(yù)期這種處理方法可提高抗腐蝕性、耐磨性和抗表面引起疲勞的特性。二是可焊接性能。由于M50NiL含碳量低，因此，在需要將軸承與法蘭或其它相類(lèi)似的部件或材料連接起來(lái)制造單元軸承和復(fù)合結(jié)構(gòu)部件時(shí)，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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)或應(yīng)用，SKF公司處于世界領(lǐng)先地位。
2.陶瓷材料
為飛機(jī)提供動(dòng)力的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率極高，可使飛機(jī)速度達(dá)到3馬赫以上。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的工作條件要求非常高，預(yù)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速要超過(guò)30000轉(zhuǎn)/分，軸承最高極限溫度約800~900℃。從研究可以看出，在650℃以上的工作溫度以使用高溫合金材料，要想得到長(zhǎng)壽命，希望渺茫，而陶瓷材料為軸承工作溫度提高到明顯高于650℃帶來(lái)了希望。
SKF通過(guò)研究，選出了一組可以滿(mǎn)足超高溫軸承工作要求的高性能陶瓷材料，在1100℃以上高溫條件下，這些陶瓷材料中，有一種性能最佳，這就是過(guò)去十年里人們研制出的熱壓氮化硅或等壓氮化硅（Si3N4）。氮化硅之所以是理想的材料，是因?yàn)樗哂辛己玫母邷貜?qiáng)度和硬度，以及有利的強(qiáng)度/重量關(guān)系。當(dāng)潤(rùn)滑充分時(shí)，還具有極佳的抗?jié)L動(dòng)疲勞特性。1984年，SKF就在美國(guó)用固體潤(rùn)滑劑對(duì)該材料進(jìn)行了500℃以上高溫下的長(zhǎng)期試驗(yàn)。
然而，氮化硅也有缺點(diǎn)，其中包括抗拉強(qiáng)度低，止裂韌性差和熱膨脹系數(shù)極低等。因此，要制造和應(yīng)用陶瓷軸承，還需要做大量的研究工作。
目前，SKF研究人員正在對(duì)碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）和氧化氮硅鋁（SiAlON）等其他一些陶瓷材料用做球和套圈材料的適用性進(jìn)行評(píng)定，SKF已將碳化硅用于40000轉(zhuǎn)/分的軸承試驗(yàn)。碳化硅作為高溫軸承的有利性能是良好的熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散性和抗氧化性以及材料的高純度（幾乎不存在因雜質(zhì)造成的影響），其不利因素之一是彈性模數(shù)高，約高出熱壓氮化硅50％，這一點(diǎn)被認(rèn)為是一個(gè)潛在的問(wèn)題，因?yàn)樗挟a(chǎn)生高赫茲接觸應(yīng)力的危險(xiǎn)。SKF研究人員曾試圖考慮過(guò)通過(guò)調(diào)整滾道的曲率比來(lái)減少這方面的影響，但這樣做又會(huì)導(dǎo)致摩擦升熱的加劇。
