鋼球對5CrMnMo鋼中頻淬火平板壓縮試驗研究

沈偉毅，史錫光，蘇立樾

(洛陽LYC軸承有限公司技術中心，河南洛陽 471039)

國家標準(GB/T 4662)中規定的滾動軸承額定靜載荷球軸承許用接觸應力為4200 MPa;雙列調心球軸承的許用接觸應力為4600 MPa;滾子軸承的許用接觸應力為4000 MPa;對于采用5CrMnMo鋼、42CrMo鋼非淬透性鋼制造的特大型轉盤球軸承未規定其值。特大型轉盤球軸承工作狀態主要是承受靜載荷，且其轉速很小，為此進行了轉盤球軸承用5CrMnMo鋼中頻淬火平板與鋼球的壓縮試驗研究，用回歸直線分析法建立了δq/DW與σ的關系方程，求出了其許用的接觸應力，為軸承設計和制造人員提供了參考數據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選取5CrMnMo鋼制作平板試樣，試樣的尺寸為75 mm×45 mm×40 mm。經過機加工后進行不同的預備熱處理，再進行不同的中頻表面淬火、回火后，獲得不同表面硬度和硬化層深度。選取WE-600液壓式萬能材料試驗機進行壓縮試驗。

1.2 試驗方法

平板試樣進行不同的中頻表面淬火、回火后，獲得不同表面硬度和硬化層深度，分2個硬度范圍組，第1組硬度為58～60 HRC，第2組硬度為54.5～56.5 HRC。每一組有7個試樣，每個試樣用兩種鋼球、φ2 in，硬度均為 61 HRC)進行壓縮試驗，壓縮試驗示意圖見圖1。每一種鋼球確定了7種壓縮載荷，分別為 10、20、30、40、45、50、70 kN，每種載荷均壓3次，壓縮后用輪廓儀測壓痕的深度，取其平均值。

圖1 平板試樣與鋼球壓縮試驗Fig.1 Compression testing of plate sample and steel ball

2 壓縮試驗數據處理

2.1 壓縮試驗數據處理方法

2.1.1 應力的計算

根據赫茲理論，載荷與應力的關系為

式中:σ為接觸應力，MPa;Q為載荷，N;a為長半軸，mm;b為短半軸，mm;na、nb為與接觸點主曲率函數有關的系數;ρ為接觸點主曲率;η為彈性常數。

2.1.2 壓痕深度與鋼球直徑之比

不同情況下的壓痕深度與鋼球直徑之比為

式中:δq/DW為永久變形(壓痕深度)與鋼球直徑之比;σmax為最大接觸應力，MPa;b為指數;K為常數。(注:式(2)為經驗轉換公式。)為簡化數據處理，對式(2)兩邊取對數為logδq/DW=logK+b logσmax。

令 y=logδq/DW，x=logσmax，a=logK，

則y對x的線性關系為y=a+bx。

根據每組試驗數據可計算得y對x的回歸直線方程式及其相關系數r。

2.1.3 相關系數r的計算

檢驗其線性關系是否顯著，計算其樣本相關系數r

查試樣的相關系數檢驗表得r0.01后判斷σmax與δq/DW是否有相關關系。

根據式(2)，當 δq/DW=10－4時，可求出不同情況下的σ，即許用接觸應力。

2.2 壓縮試驗結果數據處理

(1)第1組硬度58～60 HRC范圍內，5CrMnMo鋼試樣與鋼球壓縮試驗結果。

下面以第1組試樣的試驗結果來說明數據處理的過程，第2組的數據處理過程與第1組相同。第1組試驗測試結果見表1，用輪廓儀測量壓痕部位的深度作為變形度量值，試驗壓痕深度測試結果見表1。壓縮試驗結果數據處理見表2、表3。

表1 第一組靜壓試驗結果Table 1 Results of first set of static pressure test

表2 第一組壓縮試驗下應力與δq/DW比的關系Table 2 The relationship between stress and δq/DW at first set of compression test

表3 第一組壓縮試驗數據處理結果Table 3 The data of the first set of compression testing

具體數據處理計算如下:

得y對x的回歸直線方程式為

檢驗其線性關系是否顯著，將表3中的數據代入式(3)，計算其樣本相關系數r=0.991723。查試樣的相關系數檢驗表，r0.01=0.874。r0.01＜ r ≌1，說明σmax與δq/DW線性關系顯著。

對式(4)兩邊取對數可得

同理，對平板試樣與φ2 in鋼球壓縮試驗數據處理可得

即:平板試樣與對于φ2 in鋼球而言，當δq/DW=10－4時，可得 σ =5023 MPa。

(2)第二組硬度54.5 ～56.5 范圍內，5CrMnMo鋼與鋼球壓縮試驗結果:

當 δq/DW=10－4時，σ =4834 MPa。

當 δq/DW=10－4時，σ =4949MPa。

2.3 許用接觸應力

根據平板試樣與鋼球壓縮試驗的數據處理結果，可求出平板試樣永久變形與鋼球直徑之比為10－4時的許用接觸應力，見表4。

表4 許用接觸應力Table 4 Allowable contact stress

1)表面硬度對5CrMnMo鋼轉盤球軸承的許用應力有影響，硬度低，壓痕深度較深，承受的接觸應力較小;硬度高，壓痕深度淺，其承受的接觸應力較大。

2)回歸分析結果表明δq/DW與σ存在顯著相關關系，建立了接觸永久變形與鋼球直徑之比對接觸應力的關系方程。

3)獲得了不同硬度范圍的平板試樣與鋼球的壓縮試驗當δq/DW=10－4時的許用接觸應力，可供軸承設計人員參考。

3 結果

［1］ 岡本純三.球軸承的設計計算［M］.黃志強，譯.北京:機械工業出版社:2003.

［2］ 沈偉毅，史錫光，蘇立樾，等.42CrMo鋼制轉盤軸承許用接觸應力的試驗研究［J］.軸承，2009(2):34－36.

［3］ 蘇立樾，蘇健.轉盤軸承靜載荷承載曲線的創建［J］.軸承，2004(6):1－3.

［4］ 謝偉，姚廷強.深溝球軸承接觸應力特性分析［J］.機械傳動，2012(10):78－81.

［5］ 陳龍，左傳偉，閆佳飛，等.42CrMo鋼點接觸下許用應力的試驗研究［J］.軸承，2012(2):23－27.