轴承钢材料
高碳铬轴承钢主要用于滚动轴承。因滚动轴承工作条件严峻，所 以对材料性能要求更高。本文是对高碳铬轴承钢材料的性能要求，材料成分，合格组织，热处理要点的学习摘录浅述。
一、滚动轴承用钢的服役条及对性能要求：
滚动轴承工作时，套圈、滚动体受交变接触应力，最大接触应力高达3000-5000Mpa。套圈、滚动体还与保持架有相对滑动，且受含有水分及杂质的润滑油的化学侵蚀。某些情况下还受着复杂的扭曲、冲击载荷。所以，轴承是在严峻的条件下工作的。其破坏方式有疲劳剥落、卡死、套圈断裂、磨损、锈蚀等等。因此，对滚动轴承钢有如下性能要求：
1，高的淬硬性和必要的淬透性，以保证热处理后高而均匀表面硬度，以及沿截面有比较均匀的硬
度分布，高的耐磨性。
2，高的接触疲劳性能。
3，高的弹性极限和一定的冲击韧性。
4，持久的尺寸稳定性。
5，一定的抗腐蚀能力。
6，良好的工艺性。
因此，正确选择轴承钢的成分、正确的冶炼、加工和热处理，才能保证轴承在使用条件下具有最佳的组织状态，这样才会满足上述性能要求。
二、高碳铬轴承钢的化学成分与合格组织
1，化学成分：
高碳铬轴承钢加工工艺性好，便于得到均匀稳定的组织，高而稳定的硬度，良好的耐磨性和抗接触疲劳性能，合适的弹性和韧性，满意的防锈性能，因而得到了广泛的应用。常用高碳铬轴承钢的化学成分见表1。
表1 铬轴承钢的化学成分
| 钢牌号 | 化 学 成 分 % | 退火后的硬度 HB |
||
| Mn | Si | Cr | ||
| 1.05-1.15 | 0.20-0.40 | 0.15-0.35 | 0.40-0.70 | 170-207 |
| 1.00-1.10 | 0.20-0.40 | 0.15-0.35 | 0.90-1.20 | 170-207 |
| 1.00-1.10 | 0.90-1.20 | 0.40-0.70 | 0.90-1.20 | 179-217 |
| 0.95-1.05 | 0.90-1.20 | 0.15-0.35 | 1.30-1.65 | 170-207 |
| 0.95-1.10 | 0.90-1.20 | 0.40-0.65 | 1.30-1.65 | 179-217 |
注：钢中含Ni≤0.30%、含Cu≤0.25%、二者总量≤0.50%，含S≤0.20%、含P≤0.027%。
高碳铬轴承钢属于过共析钢。淬火、低温回火后，希望得到高硬度、高的接触疲劳性能和耐磨性。含碳量是决定这些性能的主要因素。时实践证明，同样硬度的条件下，马氏体上有均匀细小的碳化物存在，比单纯的马氏体耐磨性高。为形成足够数量的碳化物，钢中的含碳量就不能太低，故选用过共析成分。但含碳量高，会增加碳化物的分布不均匀性，极易生成网状碳化物而使性能降低。故轴承钢中的含碳量为0.95-1.15%。钢中的Cr、Mn、Si都可以提高淬透性，这些钢在油中最大淬透直径（中心硬度≥HRC60）：GCr6为Φ6-9，GCr9为Φ14-15，GCr15为Φ23-25，GCr15SiMn为Φ50-60，GCr9SiMn介于GCr15与GCr15SiMn之间。
滚动轴承钢中的Cr含量范围在0.40-1.65%之间，它除了增加淬透性外，在钢中部分地溶于铁素体，部分地溶于渗碳体，溶于渗碳体的Cr，形成了较稳定的合金渗碳体（Fe、Cr）3 C。含Cr的合金渗碳体
在淬火加热时溶解较慢，可减少过热倾向，经过热处理后可以得到较细的组织，碳化物能以细小的质点均匀分布于钢中，Cr也可以提高马氏体的低温回火稳定性。因此在淬火和低温回火后，可以得到高而均匀的硬度，有效地提高钢的耐磨性并且又具有高强度。但如果含Cr量过高（＞1.65%），则会促使残余奥氏体量增加，使钢的硬度降低，并且不能获得均匀组织，影响钢的韧性。
在GCr9SiMn和GCr15SiMn钢中有稍高的Si、Mn含量，可以提高钢的淬透性，因此GCr9SiMn可以替代GCr15，以节约Cr的用量。而GCr15SiMn适用于大型零件，以弥补GCr15的淬透性的不足。Si、Mn可以适当增加奥氏体含量，有利于减小变形和增加工件工作时的稳定性。但是Mn的增加，会增加钢的过热倾向，含量过高会使残余奥氏体的含量过多，并使淬火开裂倾向增大。Si会增加钢中氧化物夹杂的污染并影响韧性，所以含量须加以限制。
轴承钢中对于P、S有严格的限制，P在加热时会促使晶粒长大并增加钢的脆性，降低强度，增加淬火开裂倾向，S会增加钢中硫化物夹杂。作为残余元素的Ni、Cu含量亦有限制，Ni会降低淬火层的硬度，Cu可以引起时效硬化，影响轴承长期使用的精度。
GCr15从其成分看，可作为合金工具钢使用。故也常用来做冲模、量具、丝锥等，也常用于柴油机的精密偶件，某些转子泵的定子等。
2，合格的低倍组织、非金属夹杂物及显微组织
对于轴承钢的低倍组织、非金属夹杂物和显微组织在GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》标准中有严格要求。表2列出了标准中对低倍组织的要求。
表2 高碳铬轴承钢低倍组织合格级别
| 低倍组织类型 | 评级图 | 合格级别 不大于 |
| 连铸钢 | ||
| 第1级别图 | 1.0 | 1.5 |
| 第2级别图 | 1.0 | 1.0 |
| 第3级别图 | 1.0 | 1.0 |
非金属夹杂物对轴承钢的机械性能，特别是接触疲劳性能，以及使用寿命都有显著的影响。一些研究指出，非金属夹杂物对轴承钢疲劳性能的影响随夹杂物的类型、数量、形态不同而异。氧化物系夹杂物对轴承钢接触疲劳寿命的影响是明显的，尤其钢中Al2O3、球状不变形夹杂物对疲劳寿命的影响最为严重，其次是TiN和塑性硅酸盐。夹杂物颗粒越大，危害越严重，而且越能在较深处引发疲劳裂纹的产生。疲劳裂纹是在工作表层发生的破坏，轴承零件在工作时，最大切应力发生在距表层0.35-0.55mm某处。因此，从工件表层至1mm深处，其组织的均匀性至关重要，同样的夹杂物，在距表层1mm以内的夹杂物会比其它部位的危害更大。研究实验指出，可成为破坏起点的夹杂物平均直径，随深度增加而变大。一般认为，在试样表层能引起疲劳破坏的夹杂物最小直径为6-8μm，在这个数值以下的夹杂物对疲劳性能不起影响。此外，夹杂物的形状分布也是影响疲劳寿命的因素之一。夹杂物细小、呈细条状、分布均匀者疲劳寿命较高。由此可见，夹杂物对疲劳寿命的影响不是绝对的，与其性质、种类、大小和分布有关。
还有研究认为，硫化物对疲劳寿命并无有害影响，而钢中含硫对切削加工有利，自动化加工轴承场合，可以放宽对硫的限制。
用于重要用途的轴承钢对非金属夹杂物的允许含量较一般用途的轴承钢有更严格的要求。
表3，是GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》标准中对非金属夹杂物合格级别的规定。
为了提高轴承钢的使用寿命，不仅要严格控制钢中非金属夹杂物，还要认真改善钢中碳化物的不均匀性。钢材原始的退火组织中，碳化物的形状、大小、分布良好，是获得具有良好使用性能的组织的前提。
表3 高碳铬轴承钢非金属夹杂物合格级别
| 非金属夹杂物类型 | 合格级别 不大于 |
| 粗系 | |
| 2.5 | 1.5 |
| 2.0 | 1.0 |
| 0.5 | 0.5 |
| 1.0 | 1.0 |
大量的生产实践和研究实验表明，原始组织为均匀细粒状珠光体时，轴承零件在各个方面都能得到满意的效果。原始组织是细粒状珠光体的钢材，具有合适的低硬度，便于切削加工，加工后表面质量好。并且，在正常的淬火温度范围内，具有较高的淬硬性和淬透性，具有宽的淬火温度范围和淬火开裂倾向，淬火质量高而且稳定。原始组织为片状珠光体的钢，淬火时较易开裂。均匀细粒状珠光体原始组织，在淬火回火后，能得到最佳综合机械性能。就是说，一方面具有高强度，另一方面又兼有良好的韧性和塑性，疲劳寿命和耐磨性也较高。关于碳化物对疲劳寿命的影响，一般认为原始组织中碳化物颗粒越小，寿命越高。碳化物对疲劳寿命的影响，是通过其对基体固溶成分的改变而起作用的。淬火后，除碳化物外的基体虽然有一个平均含碳量（一般认为0.5-0.6%比较好），但基体上，近碳化物处和远碳化物处的碳浓度是不一样的。碳化物颗粒粗大，颗粒间距远，颗粒间基体碳浓度的不均匀程度就大，相反，碳化物颗粒细小，颗粒密集，间距近，颗粒间基体碳浓度差就小。碳浓度相差大，就有高碳区和低碳区，这样的区域，疲劳裂纹就容易产生、发展，表象就是低疲劳寿命。
GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》标准中对珠光体合格级别有这样的规定：
≤Φ60的球化退火圆钢、盘条、所有尺寸的钢管2-4级合格。
＞Φ60球化退火钢材，供需双方协议商定。
为了得到优良的球化退火组织，材料球化退火前的组织也要控制。球化退火前，轴承钢可能会存在三种碳化物分布不均匀的缺陷，一是网状、二是带状、三是液析。
轴承钢中的网状碳化物是在锻造或轧制后的冷却过程中形成的。
随后的退火、淬火、回火都不能把它完全消除。保留在淬火、回火后的轴承钢零件中的网状碳化物，急剧地降低零件的强度和韧性。碳化物的不均匀分布以及终锻（轧）的温度过高，以及随后冷却太慢，都会促使网状碳化物的形成。轴承钢在轧制、锻造温度下，碳化物已经全部溶进了奥氏体中，网状碳化物在900℃开始析出，在750-700℃范围内急剧形成，终锻、终轧温度过高会形成粗大的网状碳化物。适宜的终锻温度是830-850℃，轧制或锻造后在850-700℃范围内需要用鼓风、喷雾、水冷等方法迅速冷却来抑制。
带状碳化物是先有钢锭存在枝晶偏析，在轧制后枝晶变成带状形成的，在钢材的纵向磨片中呈现带状故名。
带状碳化物对退火和淬火后的组织转变有相当大的影响。热加工后钢材若存在严重的带状碳化物，退火后就很难获得均匀一致的球化组织。退火后，在那些贫碳区域，往往形成层片状的珠光体组织，或者即使在这些贫碳区域获得了球化珠光体，但从整体来看，碳化物在颗粒大小和分布上是不均匀的。严重的带状碳化物组织也使获得均匀的淬火组织发生困难。淬火加热时，原来的贫碳区域容易发生过热，奥氏体晶粒粗大且不均匀，马氏体是针状而不是隐晶的，原来的富碳区域容易出现曲氏体组织。由于带状碳化物组织所引起的淬火组织的不均匀性，使得零件中的内应力增大，而淬火组织中出现的曲氏体组织也使零件表面硬度不均匀。此外，也使工件淬火时产生较大的淬火变形，增加了淬火后钢的各向异性，带状碳化物组织也是产生淬火裂纹的根源。
液析碳化物是铸锭凝固时形成的，其形态粗大，沿轧制方向分布。它是一种一次碳化物。其在轴承钢中的危害不再赘述。
GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》标准中对网状碳化物的合格级别有如下规定：
≤Φ60的球化退火圆钢、盘条、所有尺寸的钢管，网状碳化物，不大于2.5级。
＞Φ60至Φ120的球化退火钢材的网状碳化物不得大于3级。
＞Φ120的球化退火钢材的网状碳化物级别由供需双方协议商定。
表4和表5，是GB/T18254-2002《高碳铬轴承钢》标准中对带状碳化物、液析碳化物合格级别的规定。
表4 高碳铬轴承钢带状碳化物合格级别
| 规 格 | 合格级别 不大于 |
| 2.0 |
| 2.5 |
| 3.0 |
| 3.5 |
表5 高碳铬轴承钢液析碳化物合格级别
| 规 格 | 合格级别 不大于 |
| 0.5 |
| 1.0 |
| 2.0 |
| 2.5 |
end
