軸承鋼的冶煉質(zhì)量基本要求

滾動(dòng)軸承的使用壽命和可靠性很大程度上與軸承用鋼的冶煉質(zhì)量有著密切的關(guān)系。由于軸承鋼所具有的特性，對(duì)冶煉質(zhì)量的要求比一般工業(yè)用鋼要嚴(yán)格得多，如鋼的化學(xué)成分、純潔度、組織和均勻性等。

一、嚴(yán)格的化學(xué)成分要求

一般軸承用鋼主要是高碳鉻軸承鋼，即含碳量1％左右，加入1．5％左右的鉻，并含有少量的錳、硅元素的過共析鋼。鉻可以改善熱處理性能、提高淬透性、組織均勻性、回火穩(wěn)定性，又可以提高鋼的防銹性能和磨削性能。但當(dāng)鉻含量超過1．65％時(shí)，淬火后會(huì)增加鋼中殘余奧氏體，降低硬度和尺寸穩(wěn)定性，增加碳化物的不均勻性，降低鋼的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度。為此，高碳鉻軸承鋼中的含鉻量一般控制在1，65％以下。只有嚴(yán)格控制軸承鋼中的化學(xué)成分，才能通過熱處理工序獲得滿足軸承性能的組織和硬度。

二、高精度的尺寸要求

滾動(dòng)軸承用鋼要求鋼材尺寸精度較高，這是因?yàn)榇蟛糠州S承零件都要經(jīng)過壓力成型。為了節(jié)省材料和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，絕大部分軸承套圈都是經(jīng)過鍛造成型，鋼球是經(jīng)過冷鐓或熱軋成型，小尺寸的滾子也是經(jīng)過冷鐓成型。如果鋼材的尺寸精度不高，就無法精確地計(jì)算下料尺寸和重量，而不能保證軸承零件的產(chǎn)品質(zhì)量，也容易造成設(shè)備和模具的損壞。

三、特別嚴(yán)格的純潔度要求

鋼的純潔度是指鋼中所含非金屬夾雜物的多少，純潔度越高，鋼中的非金屬夾雜物越少。軸承鋼中的氧化物、硅酸鹽等有害夾雜物是導(dǎo)致軸承早期疲勞剝落、顯著降低軸承壽命的主要原因。特別是脆性夾雜物危害最大，由于在加工過程中容易從金屬基體上剝落下來，嚴(yán)重影響軸承零件精加工后的表面質(zhì)量。因此，為了提高軸承的使用壽命和可靠性，必須降低軸承鋼中夾雜物的含量。

四、嚴(yán)格的低倍組織和顯微（高倍）組織要求

軸承鋼的低倍組織是指一般疏松、中心疏松和扁析，顯微（高倍）組織包括鋼的退火組織、碳化物網(wǎng)狀、帶狀和液析等。碳化物液析硬而脆，它的危害性與脆性夾雜物相同。網(wǎng)狀碳化物降低鋼的沖擊韌性，并使之組織不均勻，在淬火時(shí)容易變形與開裂。帶狀碳化物影響退火和淬火回火組織以及接觸疲勞強(qiáng)度。低、高倍組織的優(yōu)劣對(duì)滾動(dòng)軸承的性能和使用壽命有很大的影響，所以，在軸承材料標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低、高倍組織有著嚴(yán)格的要求。

五、特別嚴(yán)格的表面缺陷和內(nèi)部缺陷要求

對(duì)軸承鋼而言，表面缺陷包括裂紋、夾渣、毛刺、結(jié)疤、氧化皮等，內(nèi)部缺陷包括縮孔、氣泡、白點(diǎn)、嚴(yán)重的疏松和偏析等。這些缺陷對(duì)于軸承的加工、軸承的性能和壽命有很大的影響，在軸承材料標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定不允許出現(xiàn)這些缺陷。

六、特別嚴(yán)格的碳化物不均勻性要求

在軸承鋼中，如果出現(xiàn)嚴(yán)重的碳化物分布不均勻，則在熱處理加工過程中就容易造成組織和硬度的不均勻，鋼的組織不均勻性對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度有較大的影響。另外，嚴(yán)重的碳化物不均勻性還容易使軸承零件在淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生裂紋，碳化物不均勻性還會(huì)導(dǎo)致軸承的壽命降低因此，在軸承材料標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)不同規(guī)格的鋼材均有明確的特別要求。

七、 特別嚴(yán)格的表面脫碳層要求

在軸承材料標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼材表面脫碳層有著嚴(yán)格的規(guī)定，如果表面脫碳層超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍，且在熱處理前的加工過程中又沒有將其全部清除掉，則在熱處理淬火過程中就容易產(chǎn)生淬火裂紋，造成零件的報(bào)廢。

八、其他要求

在軸承鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)軸承鋼的冶煉方法、氧含量、退火硬度、斷口、殘余元素、火花檢驗(yàn)、交貨狀態(tài)、標(biāo)識(shí)等有嚴(yán)格的要求。

（運(yùn)轉(zhuǎn)世界大國(guó)龍騰 龍出東方 騰達(dá)天下 龍騰三類調(diào)心滾子軸承 劉興邦CA CC E MB MA）

影響軸承壽命的材料因素及其控制

影響軸承壽命的材料因素

滾動(dòng)軸承的早期失效形式，主要有破裂、塑性變形、磨損、腐蝕和疲勞，在正常條件下主要是接觸疲勞。軸承零件的失效除了服役條件之外，主要受鋼的硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、抗蝕性和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)制約。影響這些性能和狀態(tài)的主要內(nèi)在因素有如下幾項(xiàng)。

1淬火鋼中的馬氏體

高碳鉻鋼原始組織為粒狀珠光體時(shí)，在淬火低溫回火狀態(tài)下，淬火馬氏體含碳量，明顯影響鋼的力學(xué)性能。強(qiáng)度、韌性在0.5％左右，接觸疲勞壽命在0.55％左右，抗壓潰能力在0.42％左右，當(dāng)GCr15鋼淬火馬氏體含碳量為0.5％～0.56％時(shí)，可以獲得抗失效能力最強(qiáng)的綜合力學(xué)性能。

應(yīng)該指出，在這種情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體，測(cè)得的含碳量是平均含碳量。實(shí)際上，馬氏體中的含碳量在微區(qū)內(nèi)是不均勻的，靠近碳化物周圍的碳濃度高于遠(yuǎn)離碳化物原鐵素體部分，因而它們開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度不同，從而抑制了馬氏體晶粒的長(zhǎng)大和顯微形態(tài)的顯示而成為隱晶馬氏體。它可避免高碳鋼淬火時(shí)易出現(xiàn)的顯微裂紋，而且其亞結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度與韌性均高的位錯(cuò)型板條狀馬氏體。因此，只有當(dāng)高碳鋼淬火時(shí)獲得中碳隱晶馬氏體時(shí)軸承零件才可能獲得抗失效能力最佳的基體。

2淬火鋼中的殘留奧氏體

高碳鉻鋼經(jīng)正常淬火后，可含有8％～20％Ar（殘留奧氏體）。軸承零件中的Ar有利也有弊，為了興利除弊，Ar含量應(yīng)適當(dāng)。由于Ar量主要與淬火加熱奧氏體化條件有關(guān)，它的多少又會(huì)影響淬火馬氏體的含碳量和未溶碳化物的數(shù)量，較難正確反映Ar量對(duì)力學(xué)性能的影響。為此，固定奧氏條件，利用奧氏體體化熱穩(wěn)定化處理工藝，以獲得不同Ar量，在此研究了淬火低溫回火后Ar含量對(duì)GCr15鋼硬度和接觸疲勞壽命的影響。隨著奧氏體含量的增多，硬度和接觸疲勞壽命均隨之而增加，達(dá)到峰值后又隨之而降低，但其峰值的Ar含量不同，硬度峰值出現(xiàn)在17％Ar左右，而接觸疲勞壽命峰值出現(xiàn)在9％左右。當(dāng)試驗(yàn)載荷減小時(shí)，因Ar量增多對(duì)接觸疲勞壽命的影響減小。這是由于當(dāng)Ar量不多時(shí)對(duì)強(qiáng)度降低的影響不大，而增韌的作用則比較明顯。原因是載荷較小時(shí)，Ar發(fā)生少量變形，既消減了應(yīng)力峰，又使已變形的Ar加工強(qiáng)化和發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變而強(qiáng)化。但如載荷大時(shí)，Ar較大的塑性變形與基體會(huì)局部產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，從而使壽命降低。應(yīng)該指出，Ar的有利作用必須是在Ar穩(wěn)定狀態(tài)之下，如果自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，將使鋼的韌性急劇降低而脆化。

3淬火鋼中的未溶碳化物

淬火鋼中未溶碳化物的數(shù)量、形貌、大小、分布，既受到鋼的化學(xué)成分和淬火前原始組織的影響，又受奧氏體化條件的影響，有關(guān)未溶碳化物對(duì)軸承壽命的影響研究較少。碳化物是硬脆相，除了對(duì)耐磨性有利之外，承載時(shí)因會(huì)（特別是碳化物呈非球形）與基體引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，從而會(huì)降低韌性和疲勞抗力。淬火未溶碳化物除了自身對(duì)鋼的性能產(chǎn)生影響之外，還影響淬火馬氏體的含碳量和Ar含量及分布，從而對(duì)鋼的性能產(chǎn)生附加影響。為了揭示未溶碳化物對(duì)性能的影響，采用不同含碳量的鋼，淬火后使其馬氏體含碳量和Ar含量相同而未溶碳化物含量不同的狀態(tài)，經(jīng)150℃回火后，由于馬氏體含碳量相同，而且硬度較高，因而未溶碳化物少量增高對(duì)硬度增高值不大，反映強(qiáng)度和韌性的壓潰載荷則有所降低，對(duì)應(yīng)力集中敏感的接觸疲勞壽命則明顯降低。因此淬火未溶碳化物過多對(duì)鋼的綜合力學(xué)性能和失效抗力是有害的。適當(dāng)降低軸承鋼的含碳量是提高制件使用壽命的途徑之一。

淬火未溶碳化物除了數(shù)量對(duì)材料性能有影響之外，尺寸、形貌、分布也對(duì)材料性能產(chǎn)生影響。為了避免軸承鋼中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物少（數(shù)量少）、小（尺寸小）、勻（大小彼此相差很小，而且分布均勻）、圓（每粒碳化物皆呈球形）。應(yīng)該指出，軸承鋼淬火后有少量未溶碳化物是必要的，不僅可以保持足夠的耐磨性，而且也是獲得細(xì)晶粒隱晶馬氏體的必備條件。

4淬火回火后的殘留應(yīng)力

軸承零件經(jīng)淬火低溫回火后，仍具有較大的內(nèi)應(yīng)力。零件中的殘留內(nèi)應(yīng)力有利和弊兩種狀態(tài)。鋼件熱處理后，隨著表面殘留壓應(yīng)力的增大，鋼的疲勞強(qiáng)度隨之增高，反之表面殘留內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，則使鋼的疲勞強(qiáng)度降低。這是由于零件的疲勞失效出現(xiàn)在承受過大拉應(yīng)力的時(shí)候，當(dāng)表面有較大壓應(yīng)力殘存時(shí)，會(huì)抵消同等數(shù)值的拉應(yīng)力，而使鋼的實(shí)際承受拉應(yīng)力數(shù)值減小，使疲勞強(qiáng)度極限值增高，當(dāng)表面有較大拉應(yīng)力殘存時(shí)，會(huì)與承受的拉應(yīng)力載荷疊加而使鋼的實(shí)際承受的拉應(yīng)力明顯增大，即使疲勞強(qiáng)度極限值降低。因此，使軸承零件淬火回火后表面殘留較大的壓應(yīng)力，也是提高使用壽命的措施之一（當(dāng)然過大的殘留應(yīng)力可能引起零件的變形甚至開裂，應(yīng)給予足夠重視）。

5鋼的雜質(zhì)含量

鋼中的雜質(zhì)包括非金屬夾雜物和有害元素（酸溶）含量，它們對(duì)鋼性能的危害往往是相互助長(zhǎng)的，如氧含量越高，氧化物夾雜物就越多。鋼中雜質(zhì)對(duì)力學(xué)性能和制件抗失效能力的影響與雜質(zhì)的類型、性質(zhì)、數(shù)量、大小及形狀有關(guān)，但通常都有降低韌性、塑性和疲勞壽命的作用。

隨著夾雜物尺寸的增大，疲勞強(qiáng)度隨之而降低，而且鋼的抗拉強(qiáng)度越高，降低趨勢(shì)加大。鋼中含氧量增高（氧化物夾雜增多），彎曲疲勞和接觸疲勞壽命在高應(yīng)力作用下也隨之降低。因此，對(duì)于在高應(yīng)力下工作的軸承零件，降低制造用鋼的含氧量是必要的。一些研究表明，鋼中的MnS夾雜物，因形狀呈橢球狀，而且能夠包裹危害較大的氧化物夾雜，故其對(duì)疲勞壽命降低影響較小甚至還可能有益，故可從寬控制。

影響軸承壽命的材料因素的控制

為了使上述影響軸承壽命的材料因素處于最佳狀態(tài)，首先需要控制淬火前鋼的原始組織，可以采取的技術(shù)措施有：高溫（1050℃）奧氏體化速冷至630℃等溫正火獲得偽共析細(xì)珠光體組織，或者冷至420℃等溫處理，獲得貝氏體組織。也可采用鍛軋余熱快速退火，獲得細(xì)粒狀珠光體組織，以保證鋼中的碳化物細(xì)小和均勻分布。這種狀態(tài)的原始組織在淬火加熱奧氏體化時(shí)，除了溶入奧氏體中的碳化物外，未溶碳化物將聚集成細(xì)粒狀。

當(dāng)鋼中的原始組織一定時(shí)，淬火馬氏體的含碳量（即淬火加熱后的奧氏體含碳量）、殘留奧氏體量和未溶碳化物量主要取決于淬火加熱溫度和保持時(shí)間，隨著淬火加熱溫度增高（時(shí)間一定），鋼中未溶碳化物數(shù)量減少（淬火馬氏體含碳量增高）、殘留奧氏體數(shù)量增多，硬度則先隨著淬火溫度的增高而增加，達(dá)到峰值后又隨著溫度的升高而降低。當(dāng)淬火加熱溫度一定時(shí)，隨著奧氏體化時(shí)間的延長(zhǎng)，未溶碳化物的數(shù)量減少，殘留奧氏體數(shù)量增多，硬度增高，時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，這種趨勢(shì)減緩。當(dāng)原始組織中碳化物細(xì)小時(shí)，因碳化物易于溶入奧氏體，故使淬火后的硬度峰移向較低溫度和出現(xiàn)在較短的奧氏體化時(shí)間。

綜上所述，GCrl5鋼淬火后未溶碳化物在7％左右，殘留奧氏體在9％左右（隱晶馬氏體的平均含碳量在0．55％左右）為最佳組織組成。而且，當(dāng)原始組織中碳化物細(xì)小，分布均勻時(shí)，在可靠地控制上述水平的顯微組織組成時(shí)，有利于獲得高的綜合力學(xué)性能，從而具有高的使用壽命。應(yīng)該指出，具有細(xì)小彌散分布碳化物的原始組織，淬火加熱保溫時(shí)，未溶的細(xì)小碳化物會(huì)聚集長(zhǎng)大，使其粗化。因此，對(duì)于具有這種的原始組織軸承零件淬火加熱時(shí)間不宜過長(zhǎng)，采用快速加熱奧氏體化淬火工藝，將可獲得更高的綜合力學(xué)性能。

為了使軸承零件淬回火后表面殘留較大的壓應(yīng)力，可在淬火加熱時(shí)通入滲碳或滲氮的氣氛，進(jìn)行短時(shí)間的表面滲碳或滲氮。由于這種鋼淬火加熱時(shí)奧氏體實(shí)際含碳量不高，遠(yuǎn)低于相圖上示出的平衡濃度，因此可以吸碳（或氮）。當(dāng)奧氏體含有較高的碳或氮后，其Ms降低，淬火時(shí)表層較內(nèi)層和心部后發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了較大的殘留壓應(yīng)力。GCrl5鋼以滲碳?xì)夥蘸头菨B碳?xì)夥占訜岽慊穑ň?jīng)低溫回火）處理后，經(jīng)接觸疲勞試驗(yàn)可以看出，表面滲碳的壽命比未滲碳的提高了1.5倍。其原因就是滲碳的零件表面具有較大的殘留壓應(yīng)力。

結(jié)論

影響高碳鉻鋼滾動(dòng)軸承零件使用壽命的主要材料因素及控制程度為：

（1）鋼在淬火前的原始組織中的碳化物要求細(xì)小、彌散。可采用高溫奧氏體化630℃、或420℃高溫，也可利用鍛軋余熱快速退火工藝來實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)于GCr15鋼淬火后，要求獲得平均含碳量為0.55％左右的隱晶馬氏體、9％左右Ar和7％左右呈勻、圓狀態(tài)的未溶碳化物的顯微組織。可利用淬火加熱溫度和時(shí)間來控制得到這種顯微組織。

（3）零件淬火低溫回火后要求表面殘留有較大的壓應(yīng)力，這有助于疲勞抗力的提高。可采用在淬火加熱時(shí)進(jìn)行表面短時(shí)間滲碳或滲氮的處理工藝，使得表面殘留有較大的壓應(yīng)力。

（4）制造軸承零件用鋼，要求具有較高的純凈度，主要是減少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量。可采用電渣重熔，真空冶煉等技術(shù)措施使材料含氧量≤15PPM為宜。