轴承钢对冶金质量要求（轴承钢冶炼控制要点）

轴承钢冶炼质量基本要求

滚动轴承的使用寿命和可靠性与轴承钢的冶炼质量密切相关。由于轴承钢的特点，对冶炼质量的要求比一般工业用钢严格得多，如钢的化学成分、纯净度、组织和均匀性等。

1、严格的化学成分要求

一般轴承钢主要是高碳铬轴承钢，它是含碳量1%左右的过共析钢，添加1.5%左右的铬，以及少量的锰、硅元素。铬能改善热处理性能，提高淬透性、组织均匀性、回火稳定性，提高钢的防锈性能和磨削性能。但当铬含量超过1.65%时，淬火后钢中残余奥氏体增多，硬度和尺寸稳定性降低，碳化物不均匀性增加，钢的冲击韧性和疲劳强度降低。为此，高碳铬轴承钢中铬含量一般控制在1.65%以下。只有严格控制轴承钢的化学成分，才能通过热处理工艺获得满足轴承性能的组织和硬度。

2、高精度尺寸要求

滚动轴承用钢要求较高的尺寸精度，因为大多数轴承零件必须压力成型。为了节省材料，提高劳动生产率，大多数轴承套圈采用锻造成型，钢球采用冷镦或热轧成型，小型滚子也采用冷镦成型。如果钢材的尺寸精度不高，则无法准确计算下料尺寸和重量，轴承零件的产品质量无法保证，并且很容易对设备和模具造成损坏。

3、纯度要求特别严格

钢的纯净度是指钢中所含非金属夹杂物的数量。纯度越高，钢中的非金属夹杂物越少。轴承钢中的氧化物、硅酸盐等有害夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落、显着降低轴承寿命的主要原因。尤其是脆性夹杂物危害最大，因为它们在加工过程中极易从金属基体上剥离，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此，为了提高轴承的使用寿命和可靠性，必须降低轴承钢中夹杂物的含量。

4.严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求

轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和压扁。显微（高倍）组织包括钢的退火组织、碳化物网状、带状和液态析出物等。碳化物液态硬而脆，其危害与脆性夹杂物相同。网状碳化物降低了钢的冲击韧性，并使其组织不均匀，淬火时容易变形和开裂。带状碳化物影响退火和调质组织以及接触疲劳强度。低倍和高倍结构的质量对滚动轴承的性能和使用寿命影响很大。因此，轴承材料标准中对低倍率和高倍率结构都有严格的要求。

5、对表面缺陷和内部缺陷要求特别严格

对于轴承钢来说，表面缺陷有裂纹、夹渣、毛刺、结疤、氧化皮等，内部缺陷有缩孔、气泡、白点、严重气孔和偏析等，这些缺陷对轴承加工影响很大、轴承性能和寿命。轴承材料标准中明确规定不允许存在这些缺陷。

6.特别严格的碳化物不均匀度要求

在轴承钢中，如果碳化物分布严重不均匀，则在热处理时容易造成组织和硬度不均匀。钢材的不均匀组织对接触疲劳强度影响很大。另外，严重的碳化物不均匀性很容易导致轴承零件在淬火和冷却时产生裂纹。碳化物不均匀也会降低轴承的寿命。因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材都有明确的规定。特殊要求。

7、对表面脱碳层要求特别严格

轴承材料标准中对钢材的表面脱碳层有严格的规定。如果表面脱碳层超过标准范围，且在热处理前的加工过程中未完全去除，则在热处理和淬火过程中将其去除。容易产生淬火裂纹，造成零件报废。

八、其他要求

轴承钢的材料标准对轴承钢的冶炼方法、氧含量、退火硬度、断口、残余元素、火花检验、交货状态、标记等也有严格的要求。

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影响轴承寿命的材料因素及其控制

影响轴承寿命的材料因素

滚动轴承的早期失效模式主要有裂纹、塑性变形、磨损、腐蚀和疲劳等。在正常情况下，主要的失效模式是接触疲劳。轴承零件的失效除使用条件外，主要受钢材的硬度、强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性和内应力状态控制。影响这些性能和状态的主要内部因素如下。

1淬火钢中的马氏体

当高碳铬钢的原始组织为粒状珠光体时，在淬火和低温回火状态下，淬火马氏体的含碳量将显着影响钢的力学性能。强度和韧性在0.5%左右，接触疲劳寿命在0.55%左右，抗压碎性在0.42%左右。当GCr15钢淬火马氏体含碳量为0.5%0.56%时，可获得最强的抗失效综合力学性能。

需要说明的是，此时得到的马氏体为隐晶马氏体，测得的碳含量为平均碳含量。事实上，马氏体中的碳含量在微观区域内并不均匀。靠近碳化物的碳浓度高于远离碳化物的原始铁素体。因此，它们开始发生马氏体转变的温度是不同的。这抑制了马氏体晶粒的生长和微观形貌的显示，并成为隐晶马氏体。可避免高碳钢淬火时易产生的微裂纹，其亚结构为位错板条马氏体，具有较高的强度和韧性。因此，只有高碳钢淬火时获得中碳隐晶马氏体，轴承零件才有可能获得最佳的抗破坏基体。

2淬火钢中的残余奥氏体

高碳铬钢正常淬火后可含有8%20%Ar（残余奥氏体）。轴承零件中的Ar有优点也有缺点。为了发挥优点、消除缺点，Ar含量要适当。由于Ar的含量主要与淬火加热的奥氏体化条件有关，因此其含量也会影响淬火马氏体的含碳量和未溶碳化物的量。很难准确反映Ar量对力学性能的影响。为此，固定奥氏体条件，采用奥氏体化热稳定工艺来获得不同含量的Ar。研究了Ar含量对GCr15钢淬火低温后硬度和接触疲劳寿命的影响。随着奥氏体含量的增加，硬度和接触疲劳寿命增加，达到峰值后又下降，但Ar含量峰值不同。硬度峰值出现在17%Ar左右，而接触疲劳寿命峰值出现在9%左右。当试验载荷减小时，Ar含量的增加对接触疲劳寿命的影响减小。这是因为Ar量较少时，对强度降低影响不大，但增韧效果较明显。原因是，当载荷较小时，Ar发生少量变形，不仅降低了应力峰值，而且通过加工和应力应变诱导马氏体相变强化了变形的Ar。但如果载荷较大，Ar和基体发生较大的塑性变形，会引起局部应力集中而破裂，从而降低使用寿命。需要指出的是，Ar的有益作用必须在Ar的稳定状态下进行。若自发转变为马氏体，则钢的韧性急剧降低，钢发生脆化。

3 淬火钢中的未溶碳化物

淬火钢中未溶碳化物的数量、形貌、尺寸和分布不仅受钢的化学成分和淬火前原始组织的影响，而且还受奥氏体化条件的影响。关于未溶解碳化物对轴承寿命的影响，目前研究较少。碳化物是一种硬而脆的相。除有利于耐磨性外，在承载时(特别是碳化物为非球形时)会与基体产生应力集中而产生裂纹，从而降低韧性和抗疲劳性能。淬火未溶碳化物除了其本身对钢的性能产生影响外，还影响淬火马氏体的碳含量和Ar含量及分布，从而对钢的性能产生额外的影响。为了揭示未溶解碳化物对性能的影响，使用了不同碳含量的钢。淬火后马氏体碳含量和Ar含量相同，但未溶碳化物含量不同。 150回火后，由于马氏体含碳量相同，硬度较高，未溶碳化物少量增加，硬度不会增加太多，但反映强度和韧性的压碎载荷会下降，接触疲劳寿命降低。对应力集中敏感的会减小。明显减少。因此，过多的淬火未溶碳化物对钢的综合力学性能和抗破坏能力有害。适当降低轴承钢的碳含量是提高零件使用寿命的方法之一。

除了淬火未溶解碳化物的数量影响材料性能外，其尺寸、形貌和分布也影响材料性能。为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物少（数量少）、小（尺寸小）、均匀（尺寸彼此相差很小，分布均匀），圆形（每个碳化物都是球形的）。应该指出的是，淬火后轴承钢中必须有少量未溶碳化物，这不仅是为了保持足够的耐磨性，而且是为了获得细晶粒的隐马氏体。

4 淬火、回火后的残余应力

轴承零件经淬火、低温回火后仍存在较大内应力。零件中的残余内应力既有优点也有缺点。钢件热处理后，随着表面残余压应力的增加，钢件的疲劳强度增加。反之，当表面残余内应力为拉应力时，钢材的疲劳强度下降。这是因为零件受到过大的拉应力时会发生疲劳失效。当表面残留有较大的压应力时，会抵消同值的拉应力，从而降低钢材的实际拉应力值，降低疲劳强度。当极限值增大时，当表面残留有较大的拉应力时，它将与所承受的拉应力载荷叠加，导致钢材的实际拉应力显着增大，即使疲劳强度极限值降低。因此，轴承零件在调质后表面留下较大的压应力也是提高使用寿命的措施之一（当然，残余应力过大可能会导致零件变形甚至开裂，因此应引起足够的重视）有薪酬的）。

5 钢中杂质含量

钢中的杂质包括非金属夹杂物和有害元素（酸溶）含量。它们对钢铁性能的损害往往是相互加强的。例如，氧含量越高，氧化物夹杂物越多。钢中杂质对零件力学性能和抗失效能力的影响与杂质的种类、性质、数量、大小和形状有关，但通常具有降低韧性、塑性和疲劳寿命的作用。

随着夹杂物尺寸的增大，疲劳强度下降，钢的抗拉强度越高，下降趋势越大。随着钢中氧含量的增加（氧化物夹杂物增加），高应力下的弯曲疲劳和接触疲劳寿命也降低。因此，对于在高应力下工作的轴承零件，有必要降低制造时所用钢材的氧含量。有研究表明，钢中MnS夹杂物形状为椭圆体，能包裹较多有害的氧化物夹杂物，因此对降低疲劳寿命的影响较小，甚至可能是有利的，因此可以宽松地控制。

影响轴承寿命的材料因素的控制

为了使上述影响轴承寿命的材料因素保持在最佳状态，首先必须在淬火前控制钢材的原始组织。可采取的技术措施包括：高温（1050）奥氏体化快冷至630等温正火以获得准共析细小珠光体组织，或420等温处理以获得贝氏体组织。还可利用锻轧余热进行快速退火，获得细晶珠光体组织，保证钢中碳化物细小、分布均匀。当这种状态下的原始组织通过淬火加热而奥氏体化时，除了溶解在奥氏体中的碳化物外，未溶解的碳化物会聚集成细小的颗粒。

当钢中原始组织一定时，淬火马氏体的含碳量（即淬火加热后奥氏体的含碳量）、残余奥氏体量和未溶碳化物量主要取决于淬火加热温度和保持时间。随着淬火加热温度升高（一定时间），钢中未溶碳化物数量减少（淬火马氏体含碳量增加），残余奥氏体量增加，硬度首先随淬火温度的增加而增加温度。达到峰值后，随着温度的升高而降低。当淬火加热温度一定时，随着奥氏体化时间的延长，未溶碳化物量减少，残余奥氏体量增加，硬度增加。当时间较长时，这种趋势会减慢。当原始组织中的碳化物较细时，碳化物很容易溶入奥氏体中，因此淬火后的硬度峰值向较低的温度移动，并在较短的奥氏体化时间内出现。

综上所述，GCrl5钢淬火后最佳组织成分为未溶碳化物7%左右，残余奥氏体9%左右（隐晶马氏体平均含碳量0.55%左右）。而且，当原始组织中的碳化物较小且分布均匀时，当显微组织成分可靠地控制在上述水平时，有利于获得较高的综合机械性能，从而具有较高的使用寿命。需要指出的是，当对含有细小弥散碳化物的原始组织进行淬火、加热和保温时，未溶解的细小碳化物会聚集长大，使其粗大。因此，这种原有结构的轴承零件淬火加热时间不宜过长。采用快速加热奥氏体化淬火工艺将获得更高的综合机械性能。

为了保证轴承零件淬火、回火后表面仍残留有较大的压应力，可在淬火、加热时引入渗碳或氮化气氛，进行短时间的表面渗碳或氮化。由于此类钢淬火加热时奥氏体实际碳含量不高，远低于相图所示的平衡浓度，因此可以吸收碳（或氮）。当奥氏体含碳或氮较高时，其Ms降低，淬火时表层在内层和心部后面发生马氏体转变，产生较大的残余压应力。 GCrl5钢在渗碳气氛和非渗碳气氛下（均低温回火）加热淬火后，接触疲劳试验表明，表面渗碳钢的使用寿命比非渗碳钢长1.5倍。其原因是渗碳件表面存在较大的残余压应力。

综上所述

影响高碳铬钢滚动轴承零件使用寿命的主要材料因素及控制程度有：

(1)要求淬火前钢原始组织中的碳化物细小、分散。可采用630或420高温奥氏体化，或利用锻轧余热进行快速退火来实现。

(2)GCr15钢淬火后，要求获得平均含碳量为0.55%左右的隐晶马氏体、9%左右的Ar、7%左右的均匀圆整状态的未溶碳化物的显微组织。这种显微组织可以通过控制淬火加热温度和时间来获得。

(3)零件经过低温调质后，表面要求有较大的残余压应力，有利于提高抗疲劳性能。淬火加热时表面可发生短时间的渗碳或氮化，使表面残留有较大的压应力。

(4)制造轴承零件的钢要求纯度高，主要是减少O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量。可采用电渣重熔、真空熔炼等技术措施，保证物料氧含量15PPM。