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鑫拓諧波聯合著名高校在研究國産自潤滑ADI材料在諧波減速機上的應用取得重大突破!


  ADI滾動軸承的特點、材料學機理及其初步驗證

                     許旸1   顔國君1   劉寶健1  鄒贊成2  李堯3

     1 西安理工大学(710048)2 广东东輦瓮鼗魅斯荆5232903 上海交通大学(200240)

 

    摘要: 用超細密球鐵連鑄空心型材經等溫淬火,得到超細密的ADI材料,以此制作軸承內外套圈,使滾動軸承具有了自潤滑、低溫升、吸振降噪,服役溫度區間寬、壽命長等五大特點。其材料學機理是:超致密的奧鐵組織是這些性能的基本保證,而彌散分布的超細密石墨球,是其根本原因。試驗樣品已在機器人減速器柔性軸承、十字交叉軸承和連鑄設備拉拔輥軸承上得到實際驗證,並開始批量化生産。

關鍵詞:滾動軸承 球墨鑄鐵 ADI 机器人减速器

 

The features and their mechanism from materials for ADI rolling bearing and their preliminary verification

Yang Xu 1, Guojun Yan 1, Baojian Liu 1 Zancheng Zou2 and Yao Li 3

1, Xi’an University of Technology 710048

2, Guangdong Dongguan Robot Company Limited

3, Shanghai Jiao Tong University 200240

Abstract: ADI profiles with extra-fine and extra-dense graphite balls was manufactured via an isothermal quenching of hollow nodular cast iron profiles with extra-fine and extra-dense graphite balls. A rolling bearings with their inner rings and outer rings made from the ADI profiles would be of self-lubricating property, low temperature rise, good vibration absorption and noise reduction, wide working temperature interval and long service life. The reason for the bearing with those feature was that the graphite balls existed in the rings were extra-fine and dispersive. The samples had been used as the bearing in the reducer of robot, the cross roller bearing and the bearing to hold the pulling roller in a continuous casting equipment, and their excellent properties listed above were verified. Now, the bearings has been produced in batches.  

Key words: rolling bearing; ductile cast iron; ADI; reducer of robot  

 

1 概述

滾動軸承的使用可靠性及其壽命,從材料學視角看,內在地受制于材料的接觸疲勞強度等要素,外在地受制于潤滑脂的物理化學性能。關于潤滑脂性能對軸承壽命的外在影響的研究,已有相當多的成果。有研究認爲,當軸承運轉溫度較高時,軸承壽命及可靠性強烈依賴于潤滑脂性能1。當工作溫度高于60℃時,軸承失效不僅僅由接觸疲勞決定,還與潤滑脂變質失效有著重大關聯23.軸承運轉溫度每上升 10 15 ℃ ,潤滑脂的使用寿命降低约50%4。有關潤滑脂壽命問題,尤其關于其失效的機理和影響因素,李興林、陸杭聰等學者已作過了詳盡的分析56

既然潤滑油脂是影響軸承壽命的一大因素,那麽,仿效自潤滑滑動軸承鑲嵌石墨棒的辦法,舍棄油脂潤滑而改作石墨自潤滑,就成爲應然而出的設想。事實上,近些年來,不時地有名曰自潤滑滾動軸承的産品和專利出現。這些軸承,有一類是用球鐵或粉末冶金制成的保持架來爲滾道提供石墨,難以保證石墨微觀片層在摩擦滾道上的持續性蔓布,自潤滑效果有限。另一類是采用氮化矽陶瓷球滾動體,並用離子濺射方法在內外套圈的滾道表面生成一層潤滑膜[7],制造工藝比較複雜,成睋⺗高。

 

球墨鑄鐵有一定的强韧性,镶嵌其中的石墨球是理想的潤滑剂,自然成为制造自潤滑轴承的备选材料。但是,传统铸造的球墨鑄鐵,基體组织粗大,力学性能欠佳。特别是石墨球的直径在50μm以上,遠遠大于軸承鋼對第二相的尺寸要求,會顯著降低材料的接觸疲勞強度等力學性能。石墨球是在液固相變時形成的初生相,無法通過熱處理辦法改變,因而,幾十年來,除了極個別場合下使用外,鮮有用球鐵制作軸承套圈的實例。

上世纪七十年代以来發展出的球墨鑄鐵等温淬火材料(ADI),因其金相組織的細密程度達不到軸承鋼的相關要求,仍然未能得到應用。到了2014年,由我國科技人員發展出來的超細密ADI材料,不僅使其基體組織和力學性能達到淬火軸承鋼的水平,而且其石墨球的直徑接近于軸承鋼中的碳化物尺寸,不僅不降低接觸疲勞強度,而且在事實上形成了介觀尺寸的多孔結構,大大抑制了疲勞裂紋的萌生和擴展,延長了使用壽命。此外,ADI材料還使得軸承的溫升和噪音顯著降低,並可穩定地工作在從零下幾十度到200的寬泛溫度區間內。也就是說,超細密ADI材料的出現,使得制作具有自潤滑、低溫升、吸震降噪、寬溫區服役、長壽命的滾動軸承的設想,變爲現實。本文將這種軸承簡稱爲ADI軸承。

2 ADI材料介紹

球墨鑄鐵经过等温淬火,所获得的“奧鐵組織+石墨球”,簡稱ADIAustempered Ductile Iron)。ADI材料的力學性能,已經達到或超過普通淬火鋼,衆多文獻所列的具體指標如下:強度σb(max)≥1600MPa,伸長率δ(max)≥11%,彎曲疲勞強度達420—500MPa,接觸疲勞強度達1600—2100MPa[8]。由于石墨球的存在,具有了自潤滑性能,並且吸收振動,降低噪音。而作爲基體的奧鐵組織,與軸承鋼等溫淬火後的下貝氏體組織不同,是由約40%的高碳(C~1.8-2.4%)奧氏體和60%的高矽(Si~2.8-3.1)鐵素體組成,是一種有別于傳統奧氏體和鐵素體的固溶強化組織。普通鐵素體的顯微硬度爲HB80—120,而連鑄球鐵ADI中鐵素體的硬度≥HB250。雖然ADI綜合硬度最高不超過HRC50-54,但是因受壓表面可轉變爲馬氏體,硬度爲HV200g520—600,具有了超過鍛鋼齒輪的耐磨性[9-12],故在康明斯發動機的正時齒輪等關鍵零件上得到應用[13]

需要指出的是,并不是所有的球墨鑄鐵经过等温淬火,就能获得合格的ADI。合格ADI除了淬火參數和操作要求外,對球鐵坯件的要求包括:鐵水純淨度高,雜質元素含量低,球化率85%以上,球數100/mm2以上。這還只是對普通ADI所提出的最低要求,對滾動軸承套圈來說遠遠不夠。就像普通鋼件的顯微觀察只需要100倍放大即可,而軸承套圈的顯微觀察需要5001000倍放大一樣,要用ADI制作軸承套圈,其顯微組織的細密程度,必須提高數倍。

我國科技人員于2006年在國際鑄鐵型材連續鑄造行業,率先發展出了垂直連續鑄造技術,率先拉制出了鑄鐵空心型材[14,15],繼之又基于凝固層增長模型[16]而于2014年發展出了“精密連鑄近終成形”技術,使得鑄鐵空心型材的基體組織和石墨球的徑向細密度分布更加均勻。圖1a)、圖1(b)2009年版行业标准《球墨鑄鐵金相检验》中的石墨球分级圖谱,圖1(a)的球數爲200/mm2,圖1(b)的球數爲400/mm2,也就是最高8級的“天花板”標准。本文作者用垂直連鑄方法拉制球鐵空心型材,因所用結晶器的冷卻速度是離心鑄造的45倍,是砂鑄的十多倍以上,獲得了超細的鑄態組織和超密的石墨。管材表層的石墨球數達到600/mm2上(圖1(c)),即使在距表面1015mm表層內,石墨球數仍有400/mm2之多,超過行業標准的最高級指標,故可稱爲“超細密”鑄態組織。這種材料經過等溫淬火處理,獲得了超細密的ADI材料,其顯微組織和綜合力學性能與淬火軸承鋼相當,由此而制作內外套圈,其滾動軸承就具有了“自潤滑、低溫升、吸振降噪,服役溫度區間寬、壽命長” 等五大特點。

             (a) 200/mm2     

          

     (b) 400/mm

                  

   (c) 692/mm2

1 球铁行业标准石墨数圖谱與连铸空心型材石墨球数的对比

本文從材料科學的角度,將其機理分析如下。

3 材料學機理分析

3.1 自潤滑

ADI基體中鑲嵌的球,裸露在軸承套圈的滾道表面,成爲極好的潤滑劑。石墨是碳質元素結晶礦物,它的結晶格架爲六邊形層狀結構(见圖2。在石墨晶體中,同層的碳原子間距爲1.4 2 ?,每一個碳原子以三個共价键與另外三個原子相连。六個碳原子在同一個平面上形成了正六连连形的环,伸展成片層結构,    層與層之間相隔3.40 ?,距离较大,是以范德华力結合起来的,屬于分子晶體。原子晶體和分子晶體的內聚力差距很大, 算, 的 同一 的 1 0 0 多 倍。故 在 受 到 外 力 作 用 时,   理,而同層原子間不易分离,所以石墨永远呈现“片状結构”, 的 .

 

   2 石墨結构示意圖

 

在轴承运转时,摩擦表面石墨孔洞的瞬間变形,以及基體材料的弹形流变,使石墨原子片層逸散出来,蔓布在滚道表面,形成了潤滑膜層。然而在普通ADI材料中,石墨球密度小(~120/mm2),體积大(d≥40μm,车ハ骷庸ぶ幸萆⒘看螅谱鞒芍岢刑兹螅灰仔纬闪嫉潤滑膜,并且,较大體积的石墨孔洞的边沿因为反复承受较大压力,也成为了裂纹萌生源。如今,用连续铸造方法拉制的球铁空心型材,铸态组织中的石墨球密度最多可达到700/mm2,在距表面15mm處,仍然有400/mm2左右,石墨球體积缩小了45倍(d10μm),超過了機械行業標准的最高級,故稱之爲超細密ADI材料。經過球化退火和等溫淬火,石墨球的圓整度進一步提高,達到95%的一級球化率。這些彌散分布的石墨球,在套圈表面的裸露率約爲20%,它以及次表面的石墨是轴承自潤滑的载體物質。

    牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所的曾東方等學者,用三種材料進行摩擦磨損實驗,得到了不同的摩擦系數、磨損率和顯微硬度變化[17]。第一種材料爲石墨球徑60120μm、硬度HV435的ADI,稱作“粗ADI”,第二種材料爲石墨球徑1530μm、硬度HV370的ADI,称作“細ADI”,第三种材料和配对滚磨圆环的材料为硬度HV350的珠光體钢。转速190r/min,滑差率10%,最大接触应力800MPa。結果见下表。

    

 

摩擦系數

磨損率

μg·m-3

表層显微硬度

50μm內

粗ADI

0.59

10.5

+70150

細ADI

0.35

8.5

+90190

珠光體钢

0.64

16.5

0

 

    由以上結果可以知道,ADI材料中石墨确实起到了自潤滑效果,并且,石墨球越细小弥散分布,其石墨原子的蔓布效果越好(制作轴承套圈的超细密ADI的石墨球徑≤15μm,其抗磨減磨的效果還有待實驗),而且其硬度較低的ADI的减磨效果更好,原因在于硬度较低则微孔的瞬間变形和弹性流变较大,有利于石墨的逸出。另外,在运转过程中的受力,诱發了高碳奥氏體向马氏體转变,增加了表層约8μm內的硬度和耐磨性。

3.2 低溫升

相對于普通軸承鋼軸承而言,ADI滾動軸承運轉時溫升較低。原因有四:

1ADI材料的導熱系數較軸承鋼大一倍,散熱較快。

2)没有了潤滑油脂的保温作用,滚道上的热量可以向空气中散發。

3)不存在潤滑脂本身的剪切热。

4)因無需考慮漏油,密封圈可以去掉,或輕輕壓緊足以防塵即可,減少了摩擦熱。

3.3 吸振降噪

    內外套圈中镶嵌的大量石墨,吸收了振动和噪音。

3.4 服役温度区間宽泛

    石墨的性能在-204℃~1800℃范围內稳定保持,而在250℃介質中淬火得到的奥铁组织,常温和低温冲击韧性都较高,所以, ADI軸承的使用溫度至少確定爲-60℃~200℃。

3.5 寿命长

影響滾動軸承使用壽命的因素衆多[18],公认的决定性因素是基于材料內裂纹萌生和扩展的接触疲劳强度[19]。基于这一认识,对轴承材料的组织成分、杂質、摩擦应力、硬化相尺寸和形状提出了越来越高的要求。超细密ADI材料的出現,以另辟蹊徑的方法,爲延長軸承壽命開拓出一條新路。

关于轴承套圈內裂纹萌生和扩展的机理,有位错塞积模型和塑形应变损伤累积两种解释。两种解释的前提均是以淬火加低温回火的马氏體组织为对象。在奥铁组织+石墨球的ADI材料中,硬度較低(HRC50左右),这一硬度所允许的受压后的弹性变形,有利于裸露于滚道表面的石墨的逸出,保证了良好的潤滑,降低了摩擦应力,高碳奥氏體的fcc晶體結构有利于位错运动,精细的组织可开动更多的晶系滑移。尤其是,弥散分布的石墨球,可以有效地释放位错塞积和塑形应变,致使疲劳裂纹不易萌生和扩展。这是ADI 材料接觸疲勞強度高,耐磨壽命較長的根本原因。用這種材料作成了三種軸承,進行了台架或實際驗證。

4 初步實驗驗證

4.1  ADI滾動軸承的制作

用精密连铸近终成形方法拉制球铁空心型材,結晶器为超强冷却式,铁水成分接近于QT5007,感應電爐熔化,熔化溫度≥1520℃。金相檢驗:型材表面石墨球~600/mm2,距表面15mm處石墨球~400/mm2;球化退火处理,消除枝晶;锯切、粗车、精车为內外套圈坯材后,作等温淬火,淬火加热温度900℃,时間60分钟,淬火冷却温度240250℃,时間50分钟,淬火後硬度HRC4851;滾珠、保持架仍采用現有標准,按滾動軸承傳統方法制作,裝配成産品。

內外套圈的金相组织见圖3。不妨與贝氏體滚动轴承的行业标准圖谱相对比。

 

  3 ADI轴承套圈的等温淬火组织  

         (放大500倍)


    圖4轴承钢行业标准中的贝氏體组织

       (放大500倍)                          

由圖可知,ADI軸承裸露于滾道表面上的石墨球直徑約爲10μm,奥铁组织的细密程度與等温淬火轴承钢的下贝氏體相当。

4.2 連鑄設備中的牽引輥支撐軸承

垂直连铸的生产现场见圖5。牵引辊支撑轴承的装配位置如圖6所示。

由圖5、圖6可知,牽引輥所夾持的球鐵型材,溫度約爲800,故其前部軸承的服役溫度在100200温度区間。普通轴承在此处的实际使用寿命,只有几十小时。破坏方式先是在滚道上严重剥落,最后劈裂成两半。改用自制的ADI材料作內外套圈,由大连某轴承厂制作成产品后,实际服役已有三年时間,至今仍在正常工作。

 

5 垂直连铸现场       

               

 圖6 高溫烘烤下的支撐輥軸承

4.3諧波減速器中的柔性軸承

柔性轴承是五分快三的关键零件之一,而五分快三是工业机器人中的核心部件(圖7)。工业机器人频繁反复的快速动作,要求作为关节点的五分快三具有较高的“加速度转矩”和“瞬时加速转矩”。但是传统五分快三为了潤滑齿轮和柔性轴承,空腔空間的70%被潤滑脂所填充。这些潤滑脂不仅自身在运动中剪切發热、阻滞热量散發,而且作为阻尼介質,严重降低了“加速度转矩”和“瞬时加速转矩”两大指标。采用ADI材料制作內齿刚性轮和柔性轴承后,可以完全取消潤滑油脂,作出“自潤滑低溫升五分快三”。这种新型五分快三的台架实验表明,温升≤10℃,大大低于目前国內产品温升≤35℃的量值,而其加速度转矩與瞬时加速转矩也高于国內外同类减速器,已经远超国家發改委在《2015年产业振兴簣D际醺脑熳项重点方向汇总表》中为精密减速器提出的攻关指标。

所制作的ADI柔性軸承的空轉實驗,已進行了7個月,不加潤滑油脂,2000r/min,每個工作日连续运转10小時,累積超過1500小時,至今仍在運轉。

7柔性軸承、柔輪、剛輪 

  

   圖8 五分快三台架实验  

   

  圖9 十字交叉轴承


4.4 工業機器人關節十字交叉軸承

    机器人关节点上的另一個部件是十字交叉軸承。此轴承的精度决定了机械臂动作的准确性,屬于精密軸承。用本文所述材料作为內外套圈制成的ADI交叉轴承,在东莞公司的生产实践表明,加工切削性能和产品精度,均优于传统的轴承钢軸承。

5 結语

    用超細密ADI材料制作內外套圈,由此而制成的ADI滚动轴承,具有“自潤滑、低溫升、吸震降噪、宽温区服役、长寿命”五大特点,值得在机器人产业和高端轴承行业推广。ADI材料作为滚动轴承內外套圈的新材料,值得进一步深入研究,优化其成分、组织和机械性能。

 

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