The Challenge——ETFA轴承-上篇

发布时间：2024-01-31

来源：NTN

适应高强度化需求的ETFA轴承

随着汽车和各类工业机械追求高效和小型化的发展，轴承的工作环境日益严苛。面对这种挑战，对高强度轴承的需求也随之不断增长。在建筑或矿山机械等应用场景中，轴承常常需承受强烈的冲击，并伴有异物混入，这对其使用寿命提出了更高的要求。

为了满足这些需求，NTN自2020年起，致力于研发并推广通过特殊热处理技术提升使用寿命的“ETFA轴承”。目前，我们已经推出了采用新材料和热处理工艺的“ETA”轴承，能在各种严苛环境中提供出色的耐用性。而全新的“ETFA”轴承，在混入异物的情况下，其使用寿命更是达到了“ETA”轴承的两倍。

这种特殊的热处理技术是NTN技术团队多年研究的成果，我们称之为“ETFA处理”。那么，这究竟是一种怎样的技术呢？为此，我们专访了两位主导研发工作的研究员。

先端技术研究所  山田 昌弘

先端技术研究所  大木 力

热处理技术的应用

随着汽车和各类工业机械追求高效和小型化，轴承的工作环境日益严苛。此外，建筑和矿山机械等本就复杂的环境，在物联网的推动下，对无人驾驶的可靠性和寿命成本提出了更高的要求。因此，对具有更长使用寿命的轴承的需求也日益增长。

面对这一挑战，NTN通过其独特的“ETFA处理”热处理技术，研发出了具有更长使用寿命的“ETFA轴承”。其中，“ET”代表了NTN自主研发的ET(ECO-Top)材料，而“FA”则是“Fine Austenite Strengthening(结晶奥氏体强化法)”的缩写。这种ETFA处理技术结合了轴承钢结晶粒的细化和渗碳氮化，从而实现复合热处理。

大木力，负责FA处理研发的专家之一，为我们深入解读了ETFA处理与FA处理之间的关系：“NTN之前已经研发过经‘FA处理’的长寿命轴承。这次的ETFA处理可以说是将类似的方法应用于不同的钢材。”

为了更好地理解ETFA处理，我们首先需要了解FA处理的核心技术。大木和参与“ETFA轴承”研发的山田昌弘从钢材的基础为我们揭示了这项技术的奥秘。

将FA处理应用于低碳素钢便成了ETFA处理

钢材是在铁中融入了碳元素的合金。根据其含碳量，强度和韧性会有所不同。一般来说，碳元素含量越高，强度越高；碳元素含量越低，韧性就越高。钢材主要分为基本只含铁和碳的“碳素钢”，以及还包含其他元素的“合金钢”。

制作轴承时主要使用的是“轴承钢”，这是合金钢的一种。轴承钢的碳含量在1%左右，还包含了铬等其他金属元素。另外，碳含量在0.2%~0.4%的“渗碳钢”也常用于轴承制造。“轴承钢”和“渗碳钢”在性质上存在差异，但用于轴承制造时，没有明显的优劣之分。厂商会根据自己的需求和各行业的倾向来选择使用哪种钢材。

大木进一步解释道：“我们对轴承钢采用了FA处理技术。而这次对渗碳钢所做的处理称为ETFA处理。简单来说，ETFA处理是将轴承钢的FA处理技术应用于渗碳钢，并融入其他技术的热处理方法。”

工程机械在运行时常常会受到强烈的冲击，因此轴承的工作环境较为严苛。随着机械的小型化发展趋势，轴承不仅要承受更为严峻的使用环境，还要不断提升自身的强度以适应时代的变化。

控制钢材强度的“位错”是什么？

淬火是提高钢材强度的重要步骤，通过将钢材加热至高温后迅速冷却，可以显著提高其强度。淬火的方式对钢材的强度产生深远影响，这一点由山田进行了详细解释：

钢材是由排列成格子状的铁原子组合而成的多结晶体。在高温加热后，铁原子间的间隙会扩大，并在这些间隙中加入碳元素进行渗碳。在淬火过程中，铁原子会重新归位，但由于铁原子填充了碳元素，导致铁原子间的间隙无法收缩，形成与原始状态不同的结构。这时，会发生位错现象，使格子产生大量的畸变。随着畸变的增多，钢材的强度也会相应提高。简而言之，淬火通过增加位错来提高钢材的强度。

然而，位错也会导致金属疲劳。当对钢材施加力时，位错会逐渐移动并集中在一点。当压力超过一定限度时，会发生龟裂现象，这被称为疲劳破坏。这意味着在提高钢材强度的同时，也要注意避免过度集中应力，以防止金属疲劳和过早的破坏。因此，选择合适的淬火方法和工艺对于获得高强度且具有良好疲劳性能的钢材至关重要。

为了防止位错移动而采取多种对策

那么，要如何防止位错的移动和聚集呢？

大木给出的解释是：“FA处理原本是用于对轴承钢的结晶粒进行细微化强化处理的方法。然而，我们将这一技术应用于渗碳钢，同时结合了其他强化技术，从而开发出了全新的ETFA处理技术。具体而言，我们运用了将碳元素和氮元素融入钢材的“固溶强化”技术，以及形成析出物(即溶入钢材中的碳化物固化后的产物)的“分散强化”。通过这些强化手段的结合，我们成功地实现了前所未有的高强度和耐异物性。”

NTN传统品与ETFA的结晶粒对比

ETFA处理的结晶粒比NTN传统的渗碳渗氮轴承更为细微。此外，ETFA处理的析出物(白色斑点)分布细小且均匀，能够更有效地防止位错移动。