The Challenge——ETFA軸承-上篇

來源：NTN

適應(yīng)高強(qiáng)度化需求的ETFA軸承

隨著汽車和各類工業(yè)機(jī)械追求高效和小型化的發(fā)展，軸承的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛。面對(duì)這種挑戰(zhàn)，對(duì)高強(qiáng)度軸承的需求也隨之不斷增長(zhǎng)。在建筑或礦山機(jī)械等應(yīng)用場(chǎng)景中，軸承常常需承受強(qiáng)烈的沖擊，并伴有異物混入，這對(duì)其使用壽命提出了更高的要求。

為了滿足這些需求，NTN自2020年起，致力于研發(fā)并推廣通過特殊熱處理技術(shù)提升使用壽命的“ETFA軸承”。目前，我們已經(jīng)推出了采用新材料和熱處理工藝的“ETA”軸承，能在各種嚴(yán)苛環(huán)境中提供出色的耐用性。而全新的“ETFA”軸承，在混入異物的情況下，其使用壽命更是達(dá)到了“ETA”軸承的兩倍。

這種特殊的熱處理技術(shù)是NTN技術(shù)團(tuán)隊(duì)多年研究的成果，我們稱之為“ETFA處理”。那么，這究竟是一種怎樣的技術(shù)呢？為此，我們專訪了兩位主導(dǎo)研發(fā)工作的研究員。

先端技術(shù)研究所  山田 昌弘

先端技術(shù)研究所  大木 力

熱處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著汽車和各類工業(yè)機(jī)械追求高效和小型化，軸承的工作環(huán)境日益嚴(yán)苛。此外，建筑和礦山機(jī)械等本就復(fù)雜的環(huán)境，在物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，對(duì)無人駕駛的可靠性和壽命成本提出了更高的要求。因此，對(duì)具有更長(zhǎng)使用壽命的軸承的需求也日益增長(zhǎng)。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，NTN通過其獨(dú)特的“ETFA處理”熱處理技術(shù)，研發(fā)出了具有更長(zhǎng)使用壽命的“ETFA軸承”。其中，“ET”代表了NTN自主研發(fā)的ET(ECO-Top)材料，而“FA”則是“Fine Austenite Strengthening(結(jié)晶奧氏體強(qiáng)化法)”的縮寫。這種ETFA處理技術(shù)結(jié)合了軸承鋼結(jié)晶粒的細(xì)化和滲碳氮化，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合熱處理。

大木力，負(fù)責(zé)FA處理研發(fā)的專家之一，為我們深入解讀了ETFA處理與FA處理之間的關(guān)系：“NTN之前已經(jīng)研發(fā)過經(jīng)‘FA處理’的長(zhǎng)壽命軸承。這次的ETFA處理可以說是將類似的方法應(yīng)用于不同的鋼材。”

為了更好地理解ETFA處理，我們首先需要了解FA處理的核心技術(shù)。大木和參與“ETFA軸承”研發(fā)的山田昌弘從鋼材的基礎(chǔ)為我們揭示了這項(xiàng)技術(shù)的奧秘。

將FA處理應(yīng)用于低碳素鋼便成了ETFA處理

鋼材是在鐵中融入了碳元素的合金。根據(jù)其含碳量，強(qiáng)度和韌性會(huì)有所不同。一般來說，碳元素含量越高，強(qiáng)度越高；碳元素含量越低，韌性就越高。鋼材主要分為基本只含鐵和碳的“碳素鋼”，以及還包含其他元素的“合金鋼”。

制作軸承時(shí)主要使用的是“軸承鋼”，這是合金鋼的一種。軸承鋼的碳含量在1%左右，還包含了鉻等其他金屬元素。另外，碳含量在0.2%~0.4%的“滲碳鋼”也常用于軸承制造。“軸承鋼”和“滲碳鋼”在性質(zhì)上存在差異，但用于軸承制造時(shí)，沒有明顯的優(yōu)劣之分。廠商會(huì)根據(jù)自己的需求和各行業(yè)的傾向來選擇使用哪種鋼材。

大木進(jìn)一步解釋道：“我們對(duì)軸承鋼采用了FA處理技術(shù)。而這次對(duì)滲碳鋼所做的處理稱為ETFA處理。簡(jiǎn)單來說，ETFA處理是將軸承鋼的FA處理技術(shù)應(yīng)用于滲碳鋼，并融入其他技術(shù)的熱處理方法。”

工程機(jī)械在運(yùn)行時(shí)常常會(huì)受到強(qiáng)烈的沖擊，因此軸承的工作環(huán)境較為嚴(yán)苛。隨著機(jī)械的小型化發(fā)展趨勢(shì)，軸承不僅要承受更為嚴(yán)峻的使用環(huán)境，還要不斷提升自身的強(qiáng)度以適應(yīng)時(shí)代的變化。

控制鋼材強(qiáng)度的“位錯(cuò)”是什么？

淬火是提高鋼材強(qiáng)度的重要步驟，通過將鋼材加熱至高溫后迅速冷卻，可以顯著提高其強(qiáng)度。淬火的方式對(duì)鋼材的強(qiáng)度產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，這一點(diǎn)由山田進(jìn)行了詳細(xì)解釋：

鋼材是由排列成格子狀的鐵原子組合而成的多結(jié)晶體。在高溫加熱后，鐵原子間的間隙會(huì)擴(kuò)大，并在這些間隙中加入碳元素進(jìn)行滲碳。在淬火過程中，鐵原子會(huì)重新歸位，但由于鐵原子填充了碳元素，導(dǎo)致鐵原子間的間隙無法收縮，形成與原始狀態(tài)不同的結(jié)構(gòu)。這時(shí)，會(huì)發(fā)生位錯(cuò)現(xiàn)象，使格子產(chǎn)生大量的畸變。隨著畸變的增多，鋼材的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高。簡(jiǎn)而言之，淬火通過增加位錯(cuò)來提高鋼材的強(qiáng)度。

然而，位錯(cuò)也會(huì)導(dǎo)致金屬疲勞。當(dāng)對(duì)鋼材施加力時(shí)，位錯(cuò)會(huì)逐漸移動(dòng)并集中在一點(diǎn)。當(dāng)壓力超過一定限度時(shí)，會(huì)發(fā)生龜裂現(xiàn)象，這被稱為疲勞破壞。這意味著在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，也要注意避免過度集中應(yīng)力，以防止金屬疲勞和過早的破壞。因此，選擇合適的淬火方法和工藝對(duì)于獲得高強(qiáng)度且具有良好疲勞性能的鋼材至關(guān)重要。

為了防止位錯(cuò)移動(dòng)而采取多種對(duì)策

那么，要如何防止位錯(cuò)的移動(dòng)和聚集呢？

大木給出的解釋是：“FA處理原本是用于對(duì)軸承鋼的結(jié)晶粒進(jìn)行細(xì)微化強(qiáng)化處理的方法。然而，我們將這一技術(shù)應(yīng)用于滲碳鋼，同時(shí)結(jié)合了其他強(qiáng)化技術(shù)，從而開發(fā)出了全新的ETFA處理技術(shù)。具體而言，我們運(yùn)用了將碳元素和氮元素融入鋼材的“固溶強(qiáng)化”技術(shù)，以及形成析出物(即溶入鋼材中的碳化物固化后的產(chǎn)物)的“分散強(qiáng)化”。通過這些強(qiáng)化手段的結(jié)合，我們成功地實(shí)現(xiàn)了前所未有的高強(qiáng)度和耐異物性。”

NTN傳統(tǒng)品與ETFA的結(jié)晶粒對(duì)比

ETFA處理的結(jié)晶粒比NTN傳統(tǒng)的滲碳滲氮軸承更為細(xì)微。此外，ETFA處理的析出物(白色斑點(diǎn))分布細(xì)小且均勻，能夠更有效地防止位錯(cuò)移動(dòng)。