ADI滾動軸承的特點、材料學(xué)機理及其初步驗證

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

     1 西安理工大學(xué)（710048）2 廣東東莞鑫拓機器人公司（523290）3 上海交通大學(xué)（200240）

    摘要: 用超細密球鐵連鑄空心型材經(jīng)等溫淬火，得到超細密的ADI材料，以此制作軸承內(nèi)外套圈，使?jié)L動軸承具有了自潤滑、低溫升、吸振降噪，服役溫度區(qū)間寬、壽命長等五大特點。其材料學(xué)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(shè)備拉拔輥軸承上得到實際驗證，并開始批量化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：滾動軸承 球墨鑄鐵 ADI 機器人減速器

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(xué)視角看，內(nèi)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(xué)性能。關(guān)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。有研究認為，當軸承運轉(zhuǎn)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(zhì)失效有著重大關(guān)聯(lián)^［2，3］.軸承運轉(zhuǎn)溫度每上升 10 ～ 15 ℃ ，潤滑脂的使用壽命降低約50%^［4］。有關(guān)潤滑脂壽命問題，尤其關(guān)于其失效的機理和影響因素，李興林、陸杭聰?shù)葘W(xué)者已作過了詳盡的分析^{［5，6］}。

既然潤滑油脂是影響軸承壽命的一大因素，那么，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，就成為應(yīng)然而出的設(shè)想。事實上，近些年來，不時地有名曰自潤滑滾動軸承的產(chǎn)品和專利出現(xiàn)。這些軸承，有一類是用球鐵或粉末冶金制成的保持架來為滾道提供石墨，難以保證石墨微觀片層在摩擦滾道上的持續(xù)性蔓布，自潤滑效果有限。另一類是采用氮化硅陶瓷球作滾動體，并用離子濺射方法在內(nèi)外套圈的滾道表面生成一層潤滑膜^[7]，制造工藝比較復(fù)雜，成本較高。

球墨鑄鐵有一定的強韌性，鑲嵌其中的石墨球是理想的潤滑劑，自然成為制造自潤滑軸承的備選材料。但是，傳統(tǒng)鑄造的球墨鑄鐵，基體組織粗大，力學(xué)性能欠佳。特別是石墨球的直徑在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(xué)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。

上世紀七十年代以來發(fā)展出的球墨鑄鐵等溫淬火材料（ADI），因其金相組織的細密程度達不到軸承鋼的相關(guān)要求，仍然未能得到應(yīng)用。到了2014年，由我國科技人員發(fā)展出來的超細密ADI材料，不僅使其基體組織和力學(xué)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(jié)構(gòu)，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，并可穩(wěn)定地工作在從零下幾十度到200℃的寬泛溫度區(qū)間內(nèi)。也就是說，超細密ADI材料的出現(xiàn)，使得制作具有自潤滑、低溫升、吸震降噪、寬溫區(qū)服役、長壽命的滾動軸承的設(shè)想，變?yōu)楝F(xiàn)實。本文將這種軸承簡稱為ADI軸承。

2 ADI材料介紹

球墨鑄鐵經(jīng)過等溫淬火，所獲得的“奧鐵組織+石墨球”，簡稱ADI（Austempered Ductile Iron）。ADI材料的力學(xué)性能，已經(jīng)達到或超過普通淬火鋼，眾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，并且吸收振動，降低噪音。而作為基體的奧鐵組織，與軸承鋼等溫淬火后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%的高硅（Si～2.8-3.1）鐵素體組成，是一種有別于傳統(tǒng)奧氏體和鐵素體的固溶強化組織。普通鐵素體的顯微硬度為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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度為HV₂₀₀g520—600，具有了超過鍛鋼齒輪的耐磨性^[9-12],故在康明斯發(fā)動機的正時齒輪等關(guān)鍵零件上得到應(yīng)用^[13]。

需要指出的是，并不是所有的球墨鑄鐵經(jīng)過等溫淬火，就能獲得合格的ADI。合格ADI除了淬火參數(shù)和操作要求外，對球鐵坯件的要求包括：鐵水純凈度高，雜質(zhì)元素含量低，球化率85%以上，球數(shù)100個/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500—1000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(shù)倍。

我國科技人員于2006年在國際鑄鐵型材連續(xù)鑄造行業(yè)，率先發(fā)展出了垂直連續(xù)鑄造技術(shù)，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(fā)展出了“精密連鑄近終成形”技術(shù)，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1（a）、圖1(b)是2009年版行業(yè)標準《球墨鑄鐵金相檢驗》中的石墨球分級圖譜，圖1(a)的球數(shù)為200個/mm²，圖1(b)的球數(shù)為400個/mm²，也就是最高8級的“天花板”標準。本文作者用垂直連鑄方法拉制球鐵空心型材，因所用結(jié)晶器的冷卻速度是離心鑄造的4—5倍，是砂鑄的十多倍以上，獲得了超細的鑄態(tài)組織和超密的石墨。管材表層的石墨球數(shù)達到600個/mm²上（圖1(c)），即使在距表面10—15mm表層內(nèi)，石墨球數(shù)仍有400個/mm²之多，超過行業(yè)標準的最高級指標，故可稱為“超細密”鑄態(tài)組織。這種材料經(jīng)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(xué)性能與淬火軸承鋼相當，由此而制作內(nèi)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(qū)間寬、壽命長” 等五大特點。

             (a) 200個/mm²     

     (b) 400個/mm² 

   (c) 692個/mm²

圖1 球鐵行業(yè)標準石墨數(shù)圖譜與連鑄空心型材石墨球數(shù)的對比

本文從材料科學(xué)的角度，將其機理分析如下。

3 材料學(xué)機理分析

3.1 自潤滑

ADI基體中鑲嵌的石墨球，裸露在軸承套圈的滾道表面，成為極好的潤滑劑。石墨是碳質(zhì)元素結(jié)晶礦物，它的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu)（見圖2）。在石墨晶體中，同層的碳原子間距為1.4 2 ?，每一個碳原子以三個共價鍵與另外三個原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了正六連連形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，屬 于 原 子 晶 體。而層與層之間相隔3.40 ?，距離較大，是以范德華力結(jié)合起來的，屬于分子晶體。原子晶體和分子晶體的內(nèi)聚力差距很大，據(jù) 計 算， 層 與 層 間 碳 原 子 的 結(jié) 合 力 要 比 同一 層 內(nèi) 碳 原 子 間 的 結(jié) 合 力 小 1 0 0 多 倍。故 在 受 到 外 力 作 用 時，石 墨 層 面 容 易 發(fā) 生 解 理，而同層原子間不易分離，所以石墨永遠呈現(xiàn)“片狀結(jié)構(gòu)”，具 有 了 潤 滑 的 性 質(zhì). 。

   圖2 石墨結(jié)構(gòu)示意圖

在軸承運轉(zhuǎn)時，摩擦表面石墨孔洞的瞬間變形，以及基體材料的彈形流變，使石墨原子片層逸散出來，蔓布在滾道表面，形成了潤滑膜層。然而在普通ADI材料中，石墨球密度?。?/span>～120個/mm2），體積大（d≥40μｍ）,車磨削加工中逸散量大，制作成軸承套圈后，不易形成連續(xù)蔓布的潤滑膜，并且，較大體積的石墨孔洞的邊沿因為反復(fù)承受較大壓力，也成為了裂紋萌生源。如今，用連續(xù)鑄造方法拉制的球鐵空心型材，鑄態(tài)組織中的石墨球密度最多可達到700個/mm²，在距表面15mm處，仍然有400個/mm²左右，石墨球體積縮小了4—5倍（d～10μｍ），超過了機械行業(yè)標準的最高級，故稱之為超細密ADI材料。經(jīng)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為20%，它以及次表面的石墨是軸承自潤滑的載體物質(zhì)。

    牽引動力國家重點實驗室摩擦學(xué)研究所的曾東方等學(xué)者，用三種材料進行摩擦磨損實驗，得到了不同的摩擦系數(shù)、磨損率和顯微硬度變化^[17]。第一種材料為石墨球徑60—120μｍ、硬度HV435的ADI，稱作“粗ADI”，第二種材料為石墨球徑15—30μｍ、硬度HV370的ADI，稱作“細ADI”，第三種材料和配對滾磨圓環(huán)的材料為硬度HV350的珠光體鋼。轉(zhuǎn)速190r/min，滑差率10%，最大接觸應(yīng)力800MPa。結(jié)果見下表。

    由以上結(jié)果可以知道，ADI材料中石墨確實起到了自潤滑效果，并且，石墨球越細小彌散分布，其石墨原子的蔓布效果越好（制作軸承套圈的超細密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的減磨效果更好，原因在于硬度較低則微孔的瞬間變形和彈性流變較大，有利于石墨的逸出。另外，在運轉(zhuǎn)過程中的受力，誘發(fā)了高碳奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，增加了表層約8μｍ內(nèi)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(zhuǎn)時溫升較低。原因有四：

（1）ADI材料的導(dǎo)熱系數(shù)較軸承鋼大一倍，散熱較快。

（2）沒有了潤滑油脂的保溫作用，滾道上的熱量可以向空氣中散發(fā)。

（3）不存在潤滑脂本身的剪切熱。

（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(nèi)外套圈中鑲嵌的大量石墨，吸收了振動和噪音。

3.4 服役溫度區(qū)間寬泛

    石墨的性能在-204℃～1800℃范圍內(nèi)穩(wěn)定保持，而在250℃介質(zhì)中淬火得到的奧鐵組織，常溫和低溫沖擊韌性都較高，所以， ADI軸承的使用溫度至少確定為-60℃～200℃。

3.5 壽命長

影響滾動軸承使用壽命的因素眾多^[18]，公認的決定性因素是基于材料內(nèi)裂紋萌生和擴展的接觸疲勞強度^[19]?；谶@一認識，對軸承材料的組織成分、雜質(zhì)、摩擦應(yīng)力、硬化相尺寸和形狀提出了越來越高的要求。超細密ADI材料的出現(xiàn)，以另辟蹊徑的方法，為延長軸承壽命開拓出一條新路。

關(guān)于軸承套圈內(nèi)裂紋萌生和擴展的機理，有位錯塞積模型和塑形應(yīng)變損傷累積兩種解釋。兩種解釋的前提均是以淬火加低溫回火的馬氏體組織為對象。在奧鐵組織+石墨球的ADI材料中，硬度較低(HRC50左右），這一硬度所允許的受壓后的彈性變形，有利于裸露于滾道表面的石墨的逸出，保證了良好的潤滑，降低了摩擦應(yīng)力，高碳奧氏體的fcc晶體結(jié)構(gòu)有利于位錯運動，精細的組織可開動更多的晶系滑移。尤其是，彌散分布的石墨球，可以有效地釋放位錯塞積和塑形應(yīng)變，致使疲勞裂紋不易萌生和擴展。這是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，進行了臺架或?qū)嶋H驗證。

4 初步實驗驗證

4.1  ADI滾動軸承的制作

用精密連鑄近終成形方法拉制球鐵空心型材，結(jié)晶器為超強冷卻式，鐵水成分接近于QT500—7，感應(yīng)電爐熔化，熔化溫度≥1520℃。金相檢驗：型材表面石墨球～600個/mm²，距表面15mm處石墨球～400個/mm²；球化退火處理，消除枝晶；鋸切、粗車、精車為內(nèi)外套圈坯材后，作等溫淬火，淬火加熱溫度900℃，時間60分鐘，淬火冷卻溫度240—250℃，時間50分鐘，淬火后硬度HRC48—51；滾珠、保持架仍采用現(xiàn)有標準，按滾動軸承傳統(tǒng)方法制作，裝配成產(chǎn)品。

內(nèi)外套圈的金相組織見圖3。不妨與貝氏體滾動軸承的行業(yè)標準圖譜相對比。

  圖3 ADI軸承套圈的等溫淬火組織  

         （放大500倍）

    圖4軸承鋼行業(yè)標準中的貝氏體組織

       （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為10μｍ，奧鐵組織的細密程度與等溫淬火軸承鋼的下貝氏體相當。

4.2 連鑄設(shè)備中的牽引輥支撐軸承

垂直連鑄的生產(chǎn)現(xiàn)場見圖5。牽引輥支撐軸承的裝配位置如圖6所示。

由圖5、圖6可知，牽引輥所夾持的球鐵型材，溫度約為800℃，故其前部軸承的服役溫度在100—200℃溫度區(qū)間。普通軸承在此處的實際使用壽命，只有幾十小時。破壞方式先是在滾道上嚴重剝落，最后劈裂成兩半。改用自制的ADI材料作內(nèi)外套圈，由大連某軸承廠制作成產(chǎn)品后，實際服役已有三年時間，至今仍在正常工作。

圖5 垂直連鑄現(xiàn)場       

 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

柔性軸承是諧波減速器的關(guān)鍵零件之一，而諧波減速器是工業(yè)機器人中的核心部件（圖7）。工業(yè)機器人頻繁反復(fù)的快速動作，要求作為關(guān)節(jié)點的諧波減速器具有較高的“加速度轉(zhuǎn)矩”和“瞬時加速轉(zhuǎn)矩”。但是傳統(tǒng)諧波減速器為了潤滑齒輪和柔性軸承，空腔空間的70%被潤滑脂所填充。這些潤滑脂不僅自身在運動中剪切發(fā)熱、阻滯熱量散發(fā)，而且作為阻尼介質(zhì)，嚴重降低了“加速度轉(zhuǎn)矩”和“瞬時加速轉(zhuǎn)矩”兩大指標。采用ADI材料制作內(nèi)齒剛性輪和柔性軸承后，可以完全取消潤滑油脂，作出“自潤滑低溫升諧波減速器”。這種新型諧波減速器的臺架實驗表明，溫升≤10℃，大大低于目前國內(nèi)產(chǎn)品溫升≤35℃的量值，而其加速度轉(zhuǎn)矩與瞬時加速轉(zhuǎn)矩也高于國內(nèi)外同類減速器，已經(jīng)遠超國家發(fā)改委在《2015年產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造專項重點方向匯總表》中為精密減速器提出的攻關(guān)指標。

所制作的ADI柔性軸承的空轉(zhuǎn)實驗，已進行了7個月，不加潤滑油脂，2000r/min，每個工作日連續(xù)運轉(zhuǎn)10小時，累積超過1500小時，至今仍在運轉(zhuǎn)。

圖7柔性軸承、柔輪、剛輪 

   圖8 諧波減速器臺架實驗  

  圖9 十字交叉軸承

4.4 工業(yè)機器人關(guān)節(jié)十字交叉軸承

    機器人關(guān)節(jié)點上的另一個部件是十字交叉軸承。此軸承的精度決定了機械臂動作的準確性，屬于精密軸承。用本文所述材料作為內(nèi)外套圈制成的ADI交叉軸承，在東莞公司的生產(chǎn)實踐表明，加工切削性能和產(chǎn)品精度，均優(yōu)于傳統(tǒng)的軸承鋼軸承。

5 結(jié)語

    用超細密ADI材料制作內(nèi)外套圈，由此而制成的ADI滾動軸承，具有“自潤滑、低溫升、吸震降噪、寬溫區(qū)服役、長壽命”五大特點，值得在機器人產(chǎn)業(yè)和高端軸承行業(yè)推廣。ADI材料作為滾動軸承內(nèi)外套圈的新材料，值得進一步深入研究，優(yōu)化其成分、組織和機械性能。

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