高碳鉻軸承鋼主要用于滾動(dòng)軸承。因滾動(dòng)軸承工作條件嚴(yán)峻，所 以對(duì)材料性能要求更高。本文是對(duì)高碳鉻軸承鋼材料的性能要求，材料成分，合格組織，熱處理要點(diǎn)的學(xué)習(xí)摘錄淺述。
一、滾動(dòng)軸承用鋼的服役條及對(duì)性能要求：
滾動(dòng)軸承工作時(shí)，套圈、滾動(dòng)體受交變接觸應(yīng)力，最大接觸應(yīng)力高達(dá)3000-5000Mpa。套圈、滾動(dòng)體還與保持架有相對(duì)滑動(dòng)，且受含有水分及雜質(zhì)的潤(rùn)滑油的化學(xué)侵蝕。某些情況下還受著復(fù)雜的扭曲、沖擊載荷。所以，軸承是在嚴(yán)峻的條件下工作的。其破壞方式有疲勞剝落、卡死、套圈斷裂、磨損、銹蝕等等。因此，對(duì)滾動(dòng)軸承鋼有如下性能要求：
1，高的淬硬性和必要的淬透性，以保證熱處理后高而均勻表面硬度，以及沿截面有比較均勻的硬
度分布，高的耐磨性。
2，高的接觸疲勞性能。
3，高的彈性極限和一定的沖擊韌性。
4，持久的尺寸穩(wěn)定性。
5，一定的抗腐蝕能力。
6，良好的工藝性。
因此，正確選擇軸承鋼的成分、正確的冶煉、加工和熱處理，才能保證軸承在使用條件下具有最佳的組織狀態(tài)，這樣才會(huì)滿足上述性能要求。
二、高碳鉻軸承鋼的化學(xué)成分與合格組織
1，化學(xué)成分：
高碳鉻軸承鋼加工工藝性好，便于得到均勻穩(wěn)定的組織，高而穩(wěn)定的硬度，良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，合適的彈性和韌性，滿意的防銹性能，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常用高碳鉻軸承鋼的化學(xué)成分見表1。
表1 鉻軸承鋼的化學(xué)成分
鋼牌號(hào)
化 學(xué) 成 分 %
退火后的硬度
HB
C
Mn
Si
Cr
GCr6
1.05-1.15
0.20-0.40
0.15-0.35
0.40-0.70
170-207
GCr9
1.00-1.10
0.20-0.40
0.15-0.35
0.90-1.20
170-207
GCr9SiMn
1.00-1.10
0.90-1.20
0.40-0.70
0.90-1.20
179-217
GCr15
0.95-1.05
0.90-1.20
0.15-0.35
1.30-1.65
170-207
GCr15SiMn
0.95-1.10
0.90-1.20
0.40-0.65
1.30-1.65
179-217
注：鋼中含Ni≤0.30%、含Cu≤0.25%、二者總量≤0.50%，含S≤0.20%、含P≤0.027%。
高碳鉻軸承鋼屬于過共析鋼。淬火、低溫回火后，希望得到高硬度、高的接觸疲勞性能和耐磨性。含碳量是決定這些性能的主要因素。時(shí)實(shí)踐證明，同樣硬度的條件下，馬氏體上有均勻細(xì)小的碳化物存在，比單純的馬氏體耐磨性高。為形成足夠數(shù)量的碳化物，鋼中的含碳量就不能太低，故選用過共析成分。但含碳量高，會(huì)增加碳化物的分布不均勻性，極易生成網(wǎng)狀碳化物而使性能降低。故軸承鋼中的含碳量為0.95-1.15%。鋼中的Cr、Mn、Si都可以提高淬透性，這些鋼在油中最大淬透直徑（中心硬度≥HRC60）：GCr6為Φ6-9，GCr9為Φ14-15，GCr15為Φ23-25，GCr15SiMn為Φ50-60，GCr9SiMn介于GCr15與GCr15SiMn之間。
滾動(dòng)軸承鋼中的Cr含量范圍在0.40-1.65%之間，它除了增加淬透性外，在鋼中部分地溶于鐵素體，部分地溶于滲碳體，溶于滲碳體的Cr，形成了較穩(wěn)定的合金滲碳體（Fe、Cr）3 C。含Cr的合金滲碳體
在淬火加熱時(shí)溶解較慢，可減少過熱傾向，經(jīng)過熱處理后可以得到較細(xì)的組織，碳化物能以細(xì)小的質(zhì)點(diǎn)均勻分布于鋼中，Cr也可以提高馬氏體的低溫回火穩(wěn)定性。因此在淬火和低溫回火后，可以得到高而均勻的硬度，有效地提高鋼的耐磨性并且又具有高強(qiáng)度。但如果含Cr量過高（＞1.65%），則會(huì)促使殘余奧氏體量增加，使鋼的硬度降低，并且不能獲得均勻組織，影響鋼的韌性。
在GCr9SiMn和GCr15SiMn鋼中有稍高的Si、Mn含量，可以提高鋼的淬透性，因此GCr9SiMn可以替代GCr15，以節(jié)約Cr的用量。而GCr15SiMn適用于大型零件，以彌補(bǔ)GCr15的淬透性的不足。Si、Mn可以適當(dāng)增加奧氏體含量，有利于減小變形和增加工件工作時(shí)的穩(wěn)定性。但是Mn的增加，會(huì)增加鋼的過熱傾向，含量過高會(huì)使殘余奧氏體的含量過多，并使淬火開裂傾向增大。Si會(huì)增加鋼中氧化物夾雜的污染并影響韌性，所以含量須加以限制。
軸承鋼中對(duì)于P、S有嚴(yán)格的限制，P在加熱時(shí)會(huì)促使晶粒長(zhǎng)大并增加鋼的脆性，降低強(qiáng)度，增加淬火開裂傾向，S會(huì)增加鋼中硫化物夾雜。作為殘余元素的Ni、Cu含量亦有限制，Ni會(huì)降低淬火層的硬度，Cu可以引起時(shí)效硬化，影響軸承長(zhǎng)期使用的精度。
GCr15從其成分看，可作為合金工具鋼使用。故也常用來做沖模、量具、絲錐等，也常用于柴油機(jī)的精密偶件，某些轉(zhuǎn)子泵的定子等。
2，合格的低倍組織、非金屬夾雜物及顯微組織
對(duì)于軸承鋼的低倍組織、非金屬夾雜物和顯微組織在GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格要求。表2列出了標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低倍組織的要求。
表2 高碳鉻軸承鋼低倍組織合格級(jí)別
低倍組織類型
評(píng)級(jí)圖
合格級(jí)別 不大于
模鑄鋼
連鑄鋼
中心疏松
第1級(jí)別圖
1.0
1.5
一般疏松
第2級(jí)別圖
1.0
1.0
偏析
第3級(jí)別圖
1.0
1.0
非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼的機(jī)械性能，特別是接觸疲勞性能，以及使用壽命都有顯著的影響。一些研究指出，非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼疲勞性能的影響隨夾雜物的類型、數(shù)量、形態(tài)不同而異。氧化物系夾雜物對(duì)軸承鋼接觸疲勞壽命的影響是明顯的，尤其鋼中Al2O3、球狀不變形夾雜物對(duì)疲勞壽命的影響最為嚴(yán)重，其次是TiN和塑性硅酸鹽。夾雜物顆粒越大，危害越嚴(yán)重，而且越能在較深處引發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生。疲勞裂紋是在工作表層發(fā)生的破壞，軸承零件在工作時(shí)，最大切應(yīng)力發(fā)生在距表層0.35-0.55mm某處。因此，從工件表層至1mm深處，其組織的均勻性至關(guān)重要，同樣的夾雜物，在距表層1mm以內(nèi)的夾雜物會(huì)比其它部位的危害更大。研究實(shí)驗(yàn)指出，可成為破壞起點(diǎn)的夾雜物平均直徑，隨深度增加而變大。一般認(rèn)為，在試樣表層能引起疲勞破壞的夾雜物最小直徑為6-8μm，在這個(gè)數(shù)值以下的夾雜物對(duì)疲勞性能不起影響。此外，夾雜物的形狀分布也是影響疲勞壽命的因素之一。夾雜物細(xì)小、呈細(xì)條狀、分布均勻者疲勞壽命較高。由此可見，夾雜物對(duì)疲勞壽命的影響不是絕對(duì)的，與其性質(zhì)、種類、大小和分布有關(guān)。
還有研究認(rèn)為，硫化物對(duì)疲勞壽命并無有害影響，而鋼中含硫?qū)η邢骷庸び欣詣?dòng)化加工軸承場(chǎng)合，可以放寬對(duì)硫的限制。
用于重要用途的軸承鋼對(duì)非金屬夾雜物的允許含量較一般用途的軸承鋼有更嚴(yán)格的要求。
表3，是GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)非金屬夾雜物合格級(jí)別的規(guī)定。
為了提高軸承鋼的使用壽命，不僅要嚴(yán)格控制鋼中非金屬夾雜物，還要認(rèn)真改善鋼中碳化物的不均勻性。鋼材原始的退火組織中，碳化物的形狀、大小、分布良好，是獲得具有良好使用性能的組織的前提。
表3 高碳鉻軸承鋼非金屬夾雜物合格級(jí)別
非金屬夾雜物類型
合格級(jí)別 不大于
細(xì)系
粗系
A
2.5
1.5
B
2.0
1.0
C
0.5
0.5
D
1.0
1.0
大量的生產(chǎn)實(shí)踐和研究實(shí)驗(yàn)表明，原始組織為均勻細(xì)粒狀珠光體時(shí)，軸承零件在各個(gè)方面都能得到滿意的效果。原始組織是細(xì)粒狀珠光體的鋼材，具有合適的低硬度，便于切削加工，加工后表面質(zhì)量好。并且，在正常的淬火溫度范圍內(nèi)，具有較高的淬硬性和淬透性，具有寬的淬火溫度范圍和淬火開裂傾向，淬火質(zhì)量高而且穩(wěn)定。原始組織為片狀珠光體的鋼，淬火時(shí)較易開裂。均勻細(xì)粒狀珠光體原始組織，在淬火回火后，能得到最佳綜合機(jī)械性能。就是說，一方面具有高強(qiáng)度，另一方面又兼有良好的韌性和塑性，疲勞壽命和耐磨性也較高。關(guān)于碳化物對(duì)疲勞壽命的影響，一般認(rèn)為原始組織中碳化物顆粒越小，壽命越高。碳化物對(duì)疲勞壽命的影響，是通過其對(duì)基體固溶成分的改變而起作用的。淬火后，除碳化物外的基體雖然有一個(gè)平均含碳量（一般認(rèn)為0.5-0.6%比較好），但基體上，近碳化物處和遠(yuǎn)碳化物處的碳濃度是不一樣的。碳化物顆粒粗大，顆粒間距遠(yuǎn)，顆粒間基體碳濃度的不均勻程度就大，相反，碳化物顆粒細(xì)小，顆粒密集，間距近，顆粒間基體碳濃度差就小。碳濃度相差大，就有高碳區(qū)和低碳區(qū)，這樣的區(qū)域，疲勞裂紋就容易產(chǎn)生、發(fā)展，表象就是低疲勞壽命。
GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)珠光體合格級(jí)別有這樣的規(guī)定：
≤Φ60的球化退火圓鋼、盤條、所有尺寸的鋼管2-4級(jí)合格。
＞Φ60球化退火鋼材，供需雙方協(xié)議商定。
為了得到優(yōu)良的球化退火組織，材料球化退火前的組織也要控制。球化退火前，軸承鋼可能會(huì)存在三種碳化物分布不均勻的缺陷，一是網(wǎng)狀、二是帶狀、三是液析。
軸承鋼中的網(wǎng)狀碳化物是在鍛造或軋制后的冷卻過程中形成的。
隨后的退火、淬火、回火都不能把它完全消除。保留在淬火、回火后的軸承鋼零件中的網(wǎng)狀碳化物，急劇地降低零件的強(qiáng)度和韌性。碳化物的不均勻分布以及終鍛（軋）的溫度過高，以及隨后冷卻太慢，都會(huì)促使網(wǎng)狀碳化物的形成。軸承鋼在軋制、鍛造溫度下，碳化物已經(jīng)全部溶進(jìn)了奧氏體中，網(wǎng)狀碳化物在900℃開始析出，在750-700℃范圍內(nèi)急劇形成，終鍛、終軋溫度過高會(huì)形成粗大的網(wǎng)狀碳化物。適宜的終鍛溫度是830-850℃，軋制或鍛造后在850-700℃范圍內(nèi)需要用鼓風(fēng)、噴霧、水冷等方法迅速冷卻來抑制。
帶狀碳化物是先有鋼錠存在枝晶偏析，在軋制后枝晶變成帶狀形成的，在鋼材的縱向磨片中呈現(xiàn)帶狀故名。
帶狀碳化物對(duì)退火和淬火后的組織轉(zhuǎn)變有相當(dāng)大的影響。熱加工后鋼材若存在嚴(yán)重的帶狀碳化物，退火后就很難獲得均勻一致的球化組織。退火后，在那些貧碳區(qū)域，往往形成層片狀的珠光體組織，或者即使在這些貧碳區(qū)域獲得了球化珠光體，但從整體來看，碳化物在顆粒大小和分布上是不均勻的。嚴(yán)重的帶狀碳化物組織也使獲得均勻的淬火組織發(fā)生困難。淬火加熱時(shí)，原來的貧碳區(qū)域容易發(fā)生過熱，奧氏體晶粒粗大且不均勻，馬氏體是針狀而不是隱晶的，原來的富碳區(qū)域容易出現(xiàn)曲氏體組織。由于帶狀碳化物組織所引起的淬火組織的不均勻性，使得零件中的內(nèi)應(yīng)力增大，而淬火組織中出現(xiàn)的曲氏體組織也使零件表面硬度不均勻。此外，也使工件淬火時(shí)產(chǎn)生較大的淬火變形，增加了淬火后鋼的各向異性，帶狀碳化物組織也是產(chǎn)生淬火裂紋的根源。
液析碳化物是鑄錠凝固時(shí)形成的，其形態(tài)粗大，沿軋制方向分布。它是一種一次碳化物。其在軸承鋼中的危害不再贅述。
GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)網(wǎng)狀碳化物的合格級(jí)別有如下規(guī)定：
≤Φ60的球化退火圓鋼、盤條、所有尺寸的鋼管，網(wǎng)狀碳化物，不大于2.5級(jí)。
＞Φ60至Φ120的球化退火鋼材的網(wǎng)狀碳化物不得大于3級(jí)。
＞Φ120的球化退火鋼材的網(wǎng)狀碳化物級(jí)別由供需雙方協(xié)議商定。
表4和表5，是GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)帶狀碳化物、液析碳化物合格級(jí)別的規(guī)定。
表4 高碳鉻軸承鋼帶狀碳化物合格級(jí)別
規(guī) 格
合格級(jí)別 不大于
鋼管、冷拉（軋）材、≤Φ30熱軋球化退火材
2.0
＞Φ30至Φ60球化退火或軟化退火材
2.5
＞Φ60熱軋（鍛）球化退火或軟化退火材
≤Φ80熱軋不退火材
3.0
＞Φ80至Φ150熱軋不退火材
3.5
表5 高碳鉻軸承鋼液析碳化物合格級(jí)別
規(guī) 格
合格級(jí)別 不大于
鋼管、冷拉（軋）材、≤Φ30熱軋球化退火材
0.5
＞Φ30至Φ60球化退火或軟化退火材
1.0
＞Φ60熱軋（鍛）球化退火或軟化退火材
≤Φ80熱軋不退火材
2.0
＞Φ80至Φ150熱軋不退火材
2.5
end
