長期運行于高溫、高速工況下的軸承,需要滿足高可靠性要求。因此,這類軸承所用材料的清潔度遠好于普通軸承鋼。這種潔凈鋼材能抵抗起源于內部非金屬夾雜物擴展導致的剝落,可獲得更長的壽命。
不幸的是,軸承并不總是使用潔凈的油進行潤滑,在污染潤滑條件下軸承運行工況可能非??量獭T谶@種苛刻的工況下,內部剝落發(fā)生之前,污染物就會在軸承滾道上造成凹陷,而凹陷會為剝落提供擴展點。在這樣苛刻的情形下,軸承壽命低于內部剝落擴展模式的壽命,而且會受污物數(shù)量以及污物尺寸和硬度等各種因素的影響。
當軸承由于外部污物而失效,故障的發(fā)生總是很突然的、不可預料的。由于飛行過程中的發(fā)動機故障會造成緊急迫降,這種失效模式對于航空發(fā)動機軸承的安全尤其危險。因此,基于經(jīng)濟因素,需要污染潤滑下的長壽命軸承并延長軸承更換周期。
使軸承能有效抵抗?jié)櫥椭型獠课畚镌斐墒У募夹g多種多樣,包括改進熱處理技術。其中一個例子就是表面硬化工藝,其可在軸承滾道表面形成硬化層。等離子氮化,也被稱為離子氮化,屬于低溫氮化處理的一種。因此,相對于高合金鋼氣體氮化的困難而言,等離子氮化由于濺射效應變得相對容易。
NTN采用M50或M50NiL合金鋼制造用于高溫、高速工況的軸承,等離子氮化工藝合適用于此類高合金鋼。M50或M50NiL合金鋼的化學成分見下表:
等離子氮化工藝的試驗結果表明:
當鋼材中的碳、氮含量之和(質量分數(shù))超過1.7%,易產(chǎn)生晶間沉淀析出物,對軸承零件的質量造成不利影響;
在抑制晶間沉淀析出物生成的情況下,僅進行氮化處理不能獲得足夠的氮化層厚度,還需要增加擴散處理;
即使當擴散溫度低于回火溫度,延長擴散時間也會導致基體鋼材硬度的降低;因此,工件擴散退火過程應在既能獲得足夠的氮化層厚度,又不導致基體鋼材硬度降低的相關工況下進行;
等離子氮化及擴散處理可提高鋼材的剝落損傷抗力;
經(jīng)過適當?shù)牡入x子氮化及擴散處理后,M50和M50NiL試樣的外表面及表層硬度均得到了提高。對比未經(jīng)等離子氮化及擴散處理的M50和M50NiL試樣,等離子氮化試樣顯著提高了損傷抗力,滾動面有壓痕的試樣也展示出更長的壽命。