轴承钢 GCR15 宝钢

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其热加工、冷加工性能较好、与渗碳、碳氮共渗相比较、工艺也较简单、且同样达到表面硬化效果、因此、近年来发展较快。ISO/FDIS683-17中纳标的中碳轴承钢钢种有:C56E2(相当于S55C或SAE1055)、56Mn4、70Mn4(相当于SAE1070)、43CrMo4(相当于SCM440或SAE4142)。美国中碳轴承钢标准ASTMA866(2001)中、除了C56E2和56Mn4之外、还有:1030、1040、1050、1541、1552、4130、4140、4150、5140、5150、6150和43CrMo4。这些中碳轴承钢淬回火处理后具有高的屈强比、较高弹性极限和耐磨性能、良好的抗疲劳和抗多次冲击性能。中国没有专用的中碳轴承钢。常借用于中碳轴承的中碳合金钢钢种有:55、50MnA、70Mn、37CrA、65Mn、50CrVA或50CrNi、55SiMoVA、50SiMo、50CrNiMo或SAE8660。

轴承用钢的表面缺陷
①、裂纹：钢锭的皮下气泡、严重的非金属夹杂物及钢材在锻、轧过程中、加热温度过高、锻、轧后冷却快；终轧、终锻温度过低等原因都有产生裂纹的可能性②、折叠：钢材在锻、轧过程中产生的飞边、毛刺、皱折和尖锐棱角等、在继续轧制时压入金属内部、则形成折叠。
③、结疤：由于钢锭表面的夹渣、凹坑、在锻、轧过程中形成较薄、扁平的分层、称之为结疤。
④、刮伤：因轧机导板上沾有金属颗粒、导板安装不当等原因、使钢材表面刻划出沟槽、称为刮伤或划痕。
⑤、夹渣：炉渣和各种耐火材料、在钢浇注过程中未浮在钢锭头部、而集聚在钢锭表面、钢锭修整时、又未清理掉、因此、在钢材表面形成夹渣。
⑥、脱碳：钢材在加热过程中、表面要发生氧化作用、炉气中的氧与钢材表面的碳进行氧化、形成气体、使钢材表面的碳量低于规定数值称脱碳。脱碳对高碳轴承钢来说是一个严重的缺陷、往往造成轴承零件表面脱碳、淬火后的硬度达不到技术要求。

（2）、轴承钢材的低倍缺陷
①、缩孔：钢液在浇注后的冷凝过程中、由于体积收缩而在钢锭的中心部位形成孔洞、称为缩孔。为了减少缩孔钢材的危害、因此在钢液浇注、结晶过程中要采用合理的工艺、使体积收缩而形成的孔洞移向钢锭的头部、在钢锭开坯后、将缩孔部分切掉、但是、由于浇注、冷却工艺不当、如定琪不合理、钢锭头部保温不足、开坯后锭头部位切除量少等、使缩孔残留在钢材内、低倍检查时、就会显示出来。

②、白点：经酸洗后的钢样横向截面中心或其附近区域呈现短小、不连续、一般呈辐射状态分布的发丝状开明缝、或在钢材的纵向断口上出现表面光滑、形状近似圆形或椭圆形的银白色斑点、称为白点。白点形成的原因、一是钢中氢气的存在、二是钢材锻造后在600~300℃没有缓冷、氢气未充分扩散、产生组织应力而开裂。有白点的钢材或零件、其纵向、横向机械性能都有显著下降、故有白点的钢材或零件没有使用价值。

③、过烧：钢锭或钢坯在锻造加热时、温度过高、表面层沿晶界处被氧气侵入而产生氧化物。在晶界处和枝晶轴间的一些低熔点化合物发生熔化、以致在冷凝后形成裂纹或孔洞。这种现象称为过烧。钢材过烧后、再锻时将引起开裂、即使不开裂、在补天浴日下的强度和冲击韧性都大大降低、故不能使用。

④、气泡：钢在液体状态溶解气体的能力比固态时大、钢液在冷凝过程中、气体从钢液中逸出、如来不及排出、则形成气孔。此外、钢锭模烘烤不良、会在钢模表面存在水分或气体、以及钢锭模内表面涂料不良、形成大量气体、这些水分或气体来不及排出钢液、则形成皮下气泡。气泡的存在大大地降低了钢材的强度。

⑤、偏析：在钢液冷凝过程中、由于钢中各种化学成分碳、铬、钨、磷等元素结晶、扩散速度不同而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。偏析的存在会给以后的变形加工造成困难、硫的析易产生热脆、磷的偏析易产生冷脆。偏析的存在易引起金属疲劳断裂。
⑥、疏松：钢液在冷凝过程中、由于体积收缩而引起的细小孔隙称为疏松。分散分布的细小孔隙称为一般疏松。分布在钢材中心部位的细小孔隙称为中心疏松。疏松降低了钢材的致密度、使机械性能显著下降、降低轴承的使用寿命。

（3）、非金属夹杂物：钢在冶炼、浇铸过程中、由于钢液内各成分之间、钢液与炉衬之间接触所引起的化学反应产物、脱氧产物、以及炉壁、出钢槽、钢水包、汤道等耐炎材料被蚀肃落而进入钢液。这些进入钢液而未排出的非钢液物质称为非金属夹杂物。非金属夹杂物在轴承钢中的存在、是降低轴承使用寿命的主要原因之一。钢中非金属夹杂物按其特征、形状和分布等分为以下几种。

氧化物：性质较脆、故也称为脆性夹杂、在钢材中一般沿轧制方向呈点链状分布、如三氧化二铝（Al2O3）和氧化铁(FeO)就属此类。
硫化物：有较好的塑性、可以变形、故也称塑性夹杂。在钢材中沿轧制方向呈较连续条状分布。如硫化铁(FeS)和硫化锰(MnS)属此类。除硫化物外、硅酸盐也有一定塑性、也称塑性夹杂物。
点状不变形夹杂物：性质脆而硬、在钢材中呈点状或球状、加工时不变形、如石英（SiO2）、铝硅酸盐(3Al2O3、2SiO2)和钙硅酸盐等属此类。

(4)、碳化物不均匀性：高碳轴承钢碳量较高、并含有一定数量的碳化物形成元素（如铬）。在钢液冷凝过程中、这些元素又易发生成分偏析、而引起钢材中碳化物分布的不均匀性。
碳化物液析：钢液在结晶过程中、由于冷却速度过慢、造成碳成分的严重偏析。在枝晶间形成粗大的一次碳化物、这种一次碳化物很难消除。在钢材中沿轧制方向呈条状或块状分布其危害性与非金属夹杂物一样、因此、在钢材的技术标准中有严格的控制。

碳化物带状：其形成原因与碳化物液析一样。在锻造、轧制过程中被破碎的粗大一次碳化物呈小块而集聚、并沿轧制方向形成条带状分布。碳化物带状严重会影响零件的热处理质量、使零件的组织局部欠热或过热、造成零件硬度不均匀、组织不均匀。以致造成零件热处理质量不合格。碳化物带状和碳化物液析严重时、会使轴承零件早期疲劳损坏。
碳化物网状：钢材在锻造、轧制冷却过程中、奥氏体对碳的溶解度随温度下降而下降。如在800~900℃之间冷却速度过慢、则碳从奥氏体中析出并扩散晶界、在晶界间形成二次碳化物、呈网络状存在、故称碳化物网状。碳化物是硬而脆的相、使晶粒之间的连续性遭到破坏、严重地降低了钢的冲击韧性。因此、使轴承零件寿命降低。

退火组织不均匀：轴承钢的退火组织要求是分布均匀的或球状的珠光体。由于钢材带状严重、锻造轧制后的冷却不当、或退火工艺不正确都可能造成退火组织不均匀。带状严重时、两带之间的贫碳区在退火过程中产生过热的粗片层状珠光体。锻造后冷却过慢不仅产生网状、而且命名片层状珠光体特别粗大、造成退火时碳化物核心减少、从而导致退火组织中部分保留原来的片层和分布极不均匀的粗大颗粒碳化物。若钢材原始组织正常、而退火温度过高就会产生粗片层状珠光体。退火温度偏低就会出现细片状或堆积的细点状珠光体。退火组织不均匀、导致钢材的切削性能变坏、淬火后的零件组织不均匀、从而造成轴承零件寿命降低。

为了满足以上对动轴承的性能的要求、对轴承钢材料提出了以下一些基本的性能要求：
1)高的接触疲劳强度、
2)热处理后应具有高的硬度或能满足轴承使用性能要求的硬度、
3)高的耐磨性、低的摩擦系数、
4)高的弹性极限、
5)良好的冲击韧性和断裂韧性、
6)良好的尺寸稳定性、
7)良好的防锈性能、
8)良好的冷、热加工性能。

冶炼质量要求根据以上对轴承用钢的基本要求、对轴承用钢的冶金质量提出以下的基本要求；

①严格的化学成分要求。一般轴承用钢主要是高碳铬轴承钢、即含碳量1%左右、加入1．5%左右的铬、并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。铬可以改善热处理性能、提高淬透性、组织均匀性、回火稳定性、又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。

但当铬含量超过1．65%时、淬火后会增加钢中残余奥氏体、降低硬度和尺寸稳定性、增加碳化物的不均匀性、降低钢的冲击韧性和疲劳强度。为此、高碳铬轴承钢中的含铬量一般控制在1、65%以下。只有严格控制轴承钢中的化学成分、才能通过热处理工序获得满足轴承性能的组织和硬度。
②较高的尺寸精度要求、对于使用在高速镦锻机上锻造的热轧退火棒料、应该对其尺寸精度有更高的要求。
滚动轴承用钢要求钢材尺寸精度较高、这是因为大部分轴承零件都要经过压力成型。为了节省材料和提高劳动生产率、绝大部分轴承套圈都是经过锻造成型、钢球是经过冷镦或热轧成型、小尺寸的滚子也是经过冷镦成型。如果钢材的尺寸精度不高、就无法精确地计算下料尺寸和重量、而不能保证轴承零件的产品质量、也容易造成设备和模具的损坏。

③特别严格的纯洁度要求。钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少、纯洁度越高、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、显著降低轴承寿命的主要原因。特别是脆性夹杂物危害*大、由于在加工过程中容易从金属基体上剥落下来、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、中心疏松和扁析、显微(高倍)组织包括钢的退火组织、碳化物网状、带状和液析等。碳化物液析硬而脆、它的危害性与脆性夹杂物相同。网状碳化物降低钢的冲击韧性、并使之组织不均匀、在淬火时容易变形与开裂。带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。低、高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响、所以、在轴承材料标准中对低、高倍组织有着严格的要求。
⑤特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求。