钢球对5CrMnMo钢中频淬火平板压缩试验研究

沈伟毅，史锡光，苏立樾

(洛阳LYC轴承有限公司技术中心，河南洛阳 471039)

国家标准(GB/T 4662)中规定的滚动轴承额定静载荷球轴承许用接触应力为4200 MPa;双列调心球轴承的许用接触应力为4600 MPa;滚子轴承的许用接触应力为4000 MPa;对于采用5CrMnMo钢、42CrMo钢非淬透性钢制造的特大型转盘球轴承未规定其值。特大型转盘球轴承工作状态主要是承受静载荷，且其转速很小，为此进行了转盘球轴承用5CrMnMo钢中频淬火平板与钢球的压缩试验研究，用回归直线分析法建立了δq/DW与σ的关系方程，求出了其许用的接触应力，为轴承设计和制造人员提供了参考数据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

选取5CrMnMo钢制作平板试样，试样的尺寸为75 mm×45 mm×40 mm。经过机加工后进行不同的预备热处理，再进行不同的中频表面淬火、回火后，获得不同表面硬度和硬化层深度。选取WE-600液压式万能材料试验机进行压缩试验。

1.2 试验方法

平板试样进行不同的中频表面淬火、回火后，获得不同表面硬度和硬化层深度，分2个硬度范围组，第1组硬度为58～60 HRC，第2组硬度为54.5～56.5 HRC。每一组有7个试样，每个试样用两种钢球、φ2 in，硬度均为 61 HRC)进行压缩试验，压缩试验示意图见图1。每一种钢球确定了7种压缩载荷，分别为 10、20、30、40、45、50、70 kN，每种载荷均压3次，压缩后用轮廓仪测压痕的深度，取其平均值。

图1 平板试样与钢球压缩试验Fig.1 Compression testing of plate sample and steel ball

2 压缩试验数据处理

2.1 压缩试验数据处理方法

2.1.1 应力的计算

根据赫兹理论，载荷与应力的关系为

式中:σ为接触应力，MPa;Q为载荷，N;a为长半轴，mm;b为短半轴，mm;na、nb为与接触点主曲率函数有关的系数;ρ为接触点主曲率;η为弹性常数。

2.1.2 压痕深度与钢球直径之比

不同情况下的压痕深度与钢球直径之比为

式中:δq/DW为永久变形(压痕深度)与钢球直径之比;σmax为最大接触应力，MPa;b为指数;K为常数。(注:式(2)为经验转换公式。)为简化数据处理，对式(2)两边取对数为logδq/DW=logK+b logσmax。

令 y=logδq/DW，x=logσmax，a=logK，

则y对x的线性关系为y=a+bx。

根据每组试验数据可计算得y对x的回归直线方程式及其相关系数r。

2.1.3 相关系数r的计算

检验其线性关系是否显著，计算其样本相关系数r

查试样的相关系数检验表得r0.01后判断σmax与δq/DW是否有相关关系。

根据式(2)，当 δq/DW=10－4时，可求出不同情况下的σ，即许用接触应力。

2.2 压缩试验结果数据处理

(1)第1组硬度58～60 HRC范围内，5CrMnMo钢试样与钢球压缩试验结果。

下面以第1组试样的试验结果来说明数据处理的过程，第2组的数据处理过程与第1组相同。第1组试验测试结果见表1，用轮廓仪测量压痕部位的深度作为变形度量值，试验压痕深度测试结果见表1。压缩试验结果数据处理见表2、表3。

表1 第一组静压试验结果Table 1 Results of first set of static pressure test

表2 第一组压缩试验下应力与δq/DW比的关系Table 2 The relationship between stress and δq/DW at first set of compression test

表3 第一组压缩试验数据处理结果Table 3 The data of the first set of compression testing

具体数据处理计算如下:

得y对x的回归直线方程式为

检验其线性关系是否显著，将表3中的数据代入式(3)，计算其样本相关系数r=0.991723。查试样的相关系数检验表，r0.01=0.874。r0.01＜ r ≌1，说明σmax与δq/DW线性关系显著。

对式(4)两边取对数可得

同理，对平板试样与φ2 in钢球压缩试验数据处理可得

即:平板试样与对于φ2 in钢球而言，当δq/DW=10－4时，可得 σ =5023 MPa。

(2)第二组硬度54.5 ～56.5 范围内，5CrMnMo钢与钢球压缩试验结果:

当 δq/DW=10－4时，σ =4834 MPa。

当 δq/DW=10－4时，σ =4949MPa。

2.3 许用接触应力

根据平板试样与钢球压缩试验的数据处理结果，可求出平板试样永久变形与钢球直径之比为10－4时的许用接触应力，见表4。

表4 许用接触应力Table 4 Allowable contact stress

1)表面硬度对5CrMnMo钢转盘球轴承的许用应力有影响，硬度低，压痕深度较深，承受的接触应力较小;硬度高，压痕深度浅，其承受的接触应力较大。

2)回归分析结果表明δq/DW与σ存在显著相关关系，建立了接触永久变形与钢球直径之比对接触应力的关系方程。

3)获得了不同硬度范围的平板试样与钢球的压缩试验当δq/DW=10－4时的许用接触应力，可供轴承设计人员参考。

3 结果

［1］ 冈本纯三.球轴承的设计计算［M］.黄志强，译.北京:机械工业出版社:2003.

［2］ 沈伟毅，史锡光，苏立樾，等.42CrMo钢制转盘轴承许用接触应力的试验研究［J］.轴承，2009(2):34－36.

［3］ 苏立樾，苏健.转盘轴承静载荷承载曲线的创建［J］.轴承，2004(6):1－3.

［4］ 谢伟，姚廷强.深沟球轴承接触应力特性分析［J］.机械传动，2012(10):78－81.

［5］ 陈龙，左传伟，闫佳飞，等.42CrMo钢点接触下许用应力的试验研究［J］.轴承，2012(2):23－27.