第十一章金屬學(xué)

1、第十一章 軸承鋼一、工作條件對軸承鋼性能的要求 滾動軸承是由內(nèi)、外套圈，滾動體(滾珠、滾柱和滾針)和保持器四部分組成，除保持器外，其余都是用軸承鋼制成。 對軸承鋼的性能有下列要求：(1) 高的彈性極限和高的接觸疲勞強度；(2) 高而均勻的硬度(HRC6165)和高的耐磨性；(3) 適當(dāng)?shù)捻g性；(4) 良好的尺寸穩(wěn)定性；(5) 一定的耐蝕性；(6) 良好的工藝性能。對于在特殊工作條件下的軸承尚有不同要求，如耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊和防磁等。R=Qcos圖11-1 滾動軸承載荷分布示意圖 滾 動 體 和 套 圈 滾 道 之 間 的 接 觸 應(yīng) 力 可 高 達5000MN/m2，循環(huán)應(yīng)力次數(shù)每分鐘可達

2、數(shù)萬次。 根據(jù)工作條件對軸承鋼性能的要求，軸承鋼在使用狀態(tài)下的組織應(yīng)是在回火馬氏體基體上均勻分布細顆粒的碳化物。二、軸承鋼的合金化 除了一些特殊要求(高溫、耐酸、低溫)的軸承鋼外，通常所用的軸承鋼大致有以下三類：(1) 高碳低鉻(約11.5%)軸承鋼；(2) 高碳Si-Mn(大約各含1%)軸承鋼；(3) 特大型(尺寸大于450mm者)軸承用的低碳高合金滲碳軸承鋼。 高碳低鉻軸承鋼的化學(xué)成分有以下特點： (1) 高碳：當(dāng)鋼中含碳量超過0.60.7%時，淬火后的硬度才能達到最高值；同時為了獲得一定數(shù)量的耐磨碳化物，軸承鋼中的碳含量一般控制在0.951.05%。 (2) 以鉻作為基本的合金元素：一方

3、面鉻可以提高鋼的淬透性，使鋼淬火后獲得高而均勻的硬度和均勻的組織；另一方面鉻溶于滲碳體中形成比較穩(wěn)定的合金滲碳體(Fe、Cr)3C，淬火加熱時溶解較慢，以細小顆粒均勻分布在基體上，可提高基體的耐磨性；鉻還可以增加鋼的耐蝕性。但是鋼中含鉻量過高，會使淬火鋼中殘余奧氏體量增加；同時還會增大液析程度，增高碳化物不均勻性。因此，軸承鋼中的鉻含量應(yīng)控制在1.65%以下。 (3) 添加鉬、錳、硅和釩等元素，進一步提高鋼的淬透性，用以制造大型軸承。 (4) 嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素(硫、磷)和殘余元素(鎳、銅)的含量。因為磷促使晶粒長大，增加鋼的脆性；硫增加鋼中的非金屬夾雜物；鎳降低鋼的淬火硬度；銅引起時效硬化。

4、在高碳低鉻軸承鋼中，典型的鋼種是GCr15，它的使用量約占鉻軸承鋼的90%。 三、軸承鋼中的非金屬夾雜物1. 非金屬夾雜物的分類 按照化學(xué)成分的不同，軸承鋼中的非金屬夾雜物可分為： (1) 氧化物，如FeO、Al2O3、尖晶石和鈣的鋁酸鹽等； (2) 氮化物，如AlN、TiN、VN等； (3) 硅酸鹽和硅酸鹽玻璃； (4) 硫化物，如MnS、CaS等。 按照熱變形能力的不同，軸承鋼中的非金屬夾雜物又可分為： (1) 脆性夾雜物，即不具有塑性的氧化物(剛玉、尖晶石等)和氮化物。這類夾雜物在熱變形后，一般沿軋制方向排列成串或呈點鏈狀分布； (2) 點狀(或球狀)不變形夾雜物，這類夾雜物主要是含鈣鎂

5、的鋁酸鹽。它們在熱加工時沒有塑性，保持球形不變，只有壓下量很大時才被破碎，呈點鏈狀分布； (3) 塑性夾雜物，屬于這類夾雜物的有硫化物和含SiO2較低的鐵錳硅酸鹽等。這類夾雜物在熱變形溫度下具有良好的塑性，在熱變形鋼中沿軋制方向呈連續(xù)的條帶狀分布。 2. 非金屬夾雜物對軸承鋼疲勞壽命的影響 存在于鋼中的非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續(xù)性，在交變應(yīng)力作用下，易于引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，顯著降低鋼的疲勞壽命。夾雜物對疲勞壽命的影響，與夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布有關(guān)。 就夾雜物的類型而言，對疲勞壽命危害最大的是點狀夾雜和剛玉；其次是氮化物；塑性硅酸鹽危害較??；硫化物無有害影響。 就夾雜

6、物的數(shù)量和尺寸而言，疲勞壽命隨夾雜物數(shù)量的增多和尺寸的增大而降低，并且試樣尺寸越小，夾雜物尺寸的影響就越大。一般認(rèn)為，只有尺寸在68m以下的夾雜物才對疲勞壽命影響不大。圖11-2 氧化物夾雜的數(shù)目與疲勞壽命的關(guān)系圖11-3 點狀夾雜物尺寸對疲勞壽命的影響 夾雜物的形態(tài)是多種多樣的，有圓的、方的、條狀、角狀和鏈狀等不規(guī)則形狀，一般認(rèn)為細條狀塑性夾雜物對疲勞壽命的危害較小，尖棱狀硬脆夾雜物對疲勞壽命的危害較大。 由于疲勞裂紋源通常出現(xiàn)在最大切應(yīng)力處(離表面約0.350.55mm)，因此，夾雜物離開這個位置越遠，對疲勞壽命的危害就越小。 由此可見，要減小夾雜物對疲勞壽命的危害，不僅要降低鋼中夾雜物的

7、數(shù)量，而且還要控制夾雜物的類型、大小、形態(tài)和分布。理想的情況是夾雜物數(shù)量少、尺寸小、塑性好、并呈細條狀均勻分布。 3. 非金屬夾雜物的來源與消除 非金屬夾雜物依其來源可分為內(nèi)生和外來兩類。 內(nèi)生非金屬夾雜物包括： (1) 脫氧反應(yīng)的產(chǎn)物，它大部分上浮進入渣中，尚有少部分來不及上浮排出而殘留在鋼中。 (2) 鋼液在凝固過程中，由于溫度降低，氧和硫在鋼中的溶解度下降，以氧化物和硫化物形式析出。 (3) 在熔煉至澆注的過程中，鋼液吸收大氣中的氮和氧形成的夾雜物，有一部分未排出而保留在鋼中。 外來非金屬夾雜物主要包括原料帶入的夾雜、從爐襯、鋼包、出鋼槽和湯道侵蝕下來的耐火材料以及渣洗和鋼渣混出造成的混

8、渣等。 在正常冶煉情況下，鋼中非金屬夾雜物主要來自內(nèi)生。為了減少鋼中非金屬夾雜物，降低鋼中氧和硫的含量是十分重要的。這就要求冶煉時進行充分的脫氧和脫硫?？刂坪贸鲣摵蜐沧囟?，掌握好鎮(zhèn)靜時間對減少鋼中非金屬夾雜物也非常重要。為了減少鋼中的外來夾雜物，應(yīng)注意精選原料，在爐體良好的情況下進行冶煉，并保持鋼包、出鋼槽、湯道等的清潔。 四、軸承鋼中的碳化物 碳化物是軸承鋼組織中的重要組成相之一，其數(shù)量、大小和分布對鋼的疲勞壽命和耐磨性有重要的影響。 碳化物在軸承鋼中的作用是兩方面的：一方面，細小均勻分布在基體上的碳化物，有利于提高鋼的耐磨性，加熱時有阻止奧氏體晶粒長大的作用。另一方面，碳化物硬而脆，降低

9、鋼的塑性和韌性；在碳化物和馬氏體界面易引起應(yīng)力集中，促使裂紋沿界面擴展；粗大碳化物本身也易開裂，因此，鋼的疲勞壽命隨著碳化物數(shù)量的增多而降低。減小碳化物尺寸，使其圓正，大小與分布均勻，則可減少其有害的影響，發(fā)揮其有利的作用。 軸承鋼中可能出現(xiàn)的碳化物的形態(tài)有以下幾種： (1) 網(wǎng)狀碳化物：軸承鋼屬過共析鋼，在熱軋(或熱鍛)后的緩慢冷卻過程中，由于碳在奧氏體中的溶解度降低，二次碳化物將沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，隨后的淬火不能完全消除它。殘留在鋼中的網(wǎng)狀碳化物顯著增加零件的脆性和淬火開裂傾向，使零件易沿晶界破壞。因此軸承鋼中網(wǎng)狀碳化物必須控制在允許級別以內(nèi)(3級)。 (2) 帶狀碳化物：鋼液凝固時產(chǎn)

10、生了枝晶偏析，偏析區(qū)域在熱加工時被拉長，富鉻碳的偏析區(qū)域析出較多的碳化物，這些碳化物就沿軋向呈帶狀分布。帶狀碳化物直接降低軸承的疲勞壽命，增加淬火變形與開裂的傾向，降低加工表面光潔度。 (3) 液析碳化物：鋼液凝固時產(chǎn)生了嚴(yán)重的枝晶偏析，使局部地區(qū)碳和鉻的含量達到了共晶成分，當(dāng)這種成分的液體量很少時，發(fā)生共晶離異，從共晶組織中離異出粗大的共晶碳化物，在軋制過程中被拉成條帶狀。由于這種碳化物是由液體發(fā)生共晶反應(yīng)形成的，故稱為液析碳化物。液析碳化物尺寸大，硬度高，脆性大，暴露在工作表面容易剝落，加速軸承的磨損；同時，液析碳化物還增大零件淬火開裂的傾向，造成淬火硬度不均勻和機械性能各向異性，因此對液

11、析碳化物要嚴(yán)格控制。 帶狀碳化物和液析碳化物都是枝晶偏析造成的，當(dāng)偏析程度小時，只出現(xiàn)帶狀碳化物；偏析嚴(yán)重以致鋼液成分達到共晶成分時，會同時出現(xiàn)液析碳化物與帶狀碳化物。液析碳化物是從液體中形成的共晶碳化物；而帶狀碳化物則是從奧氏體中析出的二次碳化物。五、軸承鋼的熱處理 軸承鋼的熱處理包括預(yù)先熱處理(正火和球化退火)和最終熱處理(淬火、回火和穩(wěn)定化處理)。1. 軸承鋼的球化退火 球化退火的目的不僅是為了降低硬度便于切削加工，更重要的是為了獲得細粒狀珠光體組織，為淬火作組織準(zhǔn)備。球化退火前原始組織應(yīng)為細片狀珠光體或網(wǎng)狀碳化物不明顯的片狀珠光體。如果網(wǎng)狀碳化物超過三級，則應(yīng)消除網(wǎng)狀碳化物后再進行球化

12、退火。軸承鋼常用的球化退火工藝有普通和等溫球化退火兩種。 圖10-4 GCr15鋼一般球化退火工藝圖10-5 GCr15鋼等溫球化退火工藝2. 軸承鋼的正火 正火的目的是：消除網(wǎng)狀碳化物，返修退火不合格品及滿足某些軸承的特殊要求。 正火加熱溫度根據(jù)具體要求選擇，為消除粗大網(wǎng)狀碳化物須采用較高的加熱溫度(930950)；消除細網(wǎng) 狀 碳 化 物 或 返 修 產(chǎn) 品 宜 選 用 較 低 的 加 熱 溫 度(850870)。 正火的冷速應(yīng)足夠快(50/min)，以防網(wǎng)狀碳化物再次析出。 值得指出的是，經(jīng)正火的鋼材再經(jīng)球化退火之后，往往會出現(xiàn)不均勻的粒狀珠光體，即在細粒狀珠光體中出現(xiàn)大顆粒的碳化物，因

13、此，如無必要，應(yīng)盡量不采用正火處理。3. 軸承鋼的淬火 淬火加熱應(yīng)獲得細小的奧氏體晶粒，快冷之后應(yīng)得到隱晶馬氏體基體上分布著細小均勻的顆粒狀碳化物(79%)與少量殘余奧氏體(10%)的組織，淬火硬度應(yīng)為HRC6466。為了滿足這些要求，對于GCr15鋼，淬火溫度一般選用840，這樣可得到最高的硬度、彎曲疲勞強度和沖擊韌性。 由于在空氣中加熱會引起零件表面氧化脫碳，降低軸承的耐磨性和接觸疲勞強度，因此，軸承零件最好采用保護氣氛加熱或真空淬火。 一般軸承零件用油淬，尺寸大于12mm的鋼球用蘇打水冷卻，薄壁套圈采用分級淬火(120180停留25min)。4. 軸承鋼淬火后的回火 軸承淬火后處于高應(yīng)力狀態(tài)，使鋼的韌性和疲勞強度等性能都很低；同時淬火組織中馬氏體和殘余奧氏