滚动轴承零件材料及热处理工艺

6.良好的尺寸稳定性 滚动轴承系精密的机械零件，其精度是以微米为计算单位的。在 长期的保存和使用中，因内在组织发生变化或应力变化会引起尺寸发生 变化，导致轴承丧失精度。这就要求轴承用钢应具有较好的尺寸稳定性。 7.一定的防锈性能 滚动轴承的生产工序繁多，周期长，而成品亦需长期存放，故要 求制造轴承用钢应具有一定的防锈性能，以便轴承零件在生产流程中和 轴承保存期间不致锈蚀。 8.良好的工艺性能 轴承生产过程中，要经过很多道冷、热加工工序。要求轴承应具 有良好的工艺性能，如：冷、热成型性能；切削性能；磨削性能；热处 理性能等，以便适应大批量、高效率、高质量的生产需要。 另外对于特殊工作条件下使用的轴承，对其用钢还必须提出相应的特 殊性能要求如耐高温性能、抗腐蚀性能等等。
2.渗碳轴承钢
常用的渗碳轴承钢有G20Cr2Ni4A、 G20CrNi2MoA 、G20CrNiMoA。用于制造承受冲 击载荷较大的汽车、铁路货车轴承、轧机轴承等。渗碳轴承钢实际上是低碳优质合金结构 钢，含有较低的碳和一定量的合金元素。经渗碳淬火回火等热处理工序后，表面硬度为 58—62HRC心部25—45HRC。表面耐磨性较好，且心部又具有良好的韧性。用这类钢制 造的轴承，即可以承受较大的冲击载荷，又具有较高的耐磨性和抗接触疲劳强度。
二、滚动轴承常用材料和性能
目前滚动轴承套圈和滚动体常用的钢种有高碳铬轴承钢，渗碳轴承钢、耐 腐蚀轴承钢、高温轴承钢、防磁轴承钢和中碳合金钢。我国生产的铬轴承钢牌号 及其化学成份见下表。 轴承钢牌号及化学成份 %
牌号 C Si Mn Cr Mo P S 不大于 GCr4 0.95 ～ 1.05 GCr15 0.95 ～ 1.05 GCr15SiMn 0.95 ～ 1.05 GCr15SiMo 0.95 ～ 1.05 GCr18Mo 0.95 ～1.05 0.20 ～ 0.40 0.15 ～ 0.30 0.15 ～ 0.35 0.45 ～ 0.75 0.65 ～0.85 0.15 ～ 0.30 0.25 ～ 0.45 0.95 ～ 1.25 0.20 ～ 0.40 0.25 ～ 0.40 0.35 ～ 0.50 1.40 ～ 1.65 1.40 ～ 1.65 1.40 ～ 1.70 1.65 ～ 1.95 0.10 0.30 ～ 0.40 0.15 ～ 0.25 0.025 0.020 0.25 0.25 0.027 0.020 0.30 0.25 0.10 ≤ 0.025 0.025 0.30 0.25 0.08 ≤ 0.025 0.025 0.30 0.25 ≤ 0.025 0.020 0.25 0.20 Ni Cu
⒊高的弹性极限 滚动轴承工作时，滚动体与内、外套圈的接触面积很小，但承受 负荷大。为了防止在高负荷作用下发生过大的塑性变形，以致破坏轴承 的精度和引起表面裂纹，所以要求轴承材料具有高的弹性极限。
⒋适宜的硬度 硬度是滚动轴承的重要指标之一。它与材料接触疲劳强度、耐磨 性、弹性极限有着密切的关系，直接影响滚动轴承的寿命。滚动轴承用 钢的硬度要适宜，过大或过小都将影响使用寿命因此硬度是轴承质量的 关键指标之一。 ⒌一定的韧性 很多轴承在使用时承受冲出负荷，尤其是轧钢机上使用的压下轴 承。因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因承受冲出负荷而 破坏。对于承受较大冲击载荷的轴承如轧机轴承铁路轴承等要求材料具 有相对较高的冲击韧性和断裂韧性，这些轴承有的用贝氏体淬火热处理 工艺，有的用渗碳钢材料，就是为了保证这些轴承具有较好的冲击韧性。
1.高碳铬轴承钢
在GB/T18254《高碳铬轴承钢》标准中，高碳铬轴承钢GCr4、GCr15、 GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo几种。目前，轴承行业普遍使用的主要是 GCr15、 GCr15SiMn两种材料，是轴承钢总量的80%以上。 GCr15钢大量用来制造汽车、拖拉机等所使用的发动机轴承，机床、电机等所使用 的主轴轴承以及铁路车辆、矿山机械、通用机械用轴承。 GCr15SiMn、 GCr15SiMo主要用于制造壁厚比较大的轴承。 GCr15SiMn适用于 制造壁厚在15mm---35mm范围内的轴承， GCr15SiMo适用于制造壁厚大于35mm尺寸的 轴承。如各种大型和特大型轴承，多用在重型机床及轧钢机无较大冲击载荷的工作条件下。 GCr4轴承钢是限制淬透性钢，即经过合适的热处理可得到表面硬心部软的硬度匹 配，具有良好的耐磨性，抗冲击性和断裂韧性及高的接触疲劳寿命。 GCr18Mo淬透性比较高，其性能比GCr15SiMn钢优越，可在铁路轴承、轧机轴承、 矿山机械轴承上代替GCr15SiMn。它还是一种被广泛用于贝氏体处理的轴承钢，用于制 造高速列车、矿山和冶金机械轴承。
表 9—1
钢号 C G20CrNiMo 0.17 ～ 0.23 G20CrNi2Mo 0.17 ～ 0.23 G20CrMo 0.17 ～ 0.23 G20Cr2Ni4 0.17 ～ 0.23 G10CrNi3Mo 0.08 ～ 0.13 G20Cr2Mn2Mo 0.17 ～ 0.23 Si 0.15 ～ 0.40 0.15 ～ 0.40 0.20 ～ 0.35 0.15 ～ 0.40 0.15 ～ 0.40 0.15 ～ 0.40
第二部分铬轴承钢制轴承零件的热处理
铬轴承钢的热处理按加工工艺的不同，可分为正火、退火、淬火、冷处 理、回火等五种加工方法，下面分别叙述。 （一）铬轴承钢的正火 一 正火的目的 ⒈消除网状碳化物及线条状组织 ⒉返修退火的不合格品 ⒊为满足特殊性能要求的需要 ⒋为退火做好组织准备 二 正火工艺规范的确定 ⒈加热温度 正火加热温度主要依据正火目的和正火前零件的组织状况来确定。消除 粗大网状碳化物，正火温度选用930～950℃；若一次正火不能消除粗大网状 碳化物，可按相同温度进行第二次正火；消除不太粗的网状碳化物及退火过 热组织，正火温度选用900～920℃；细化组织的正火则采用890～900℃。 ⒉保温时间 在正常正火温度下，一般经30分钟保温，其目的是使轴承钢中剩余碳化 物基本溶入奥氏体中。但还应根据实际生产中的零件大小、批量、加热方式、 装炉方法等情况进行调整。
滚动轴承零件材料及热处理工艺
主讲人:李文琴
讲义内容:
第一部分滚动轴承零件的材料 第二部分铬轴承钢轴承零件的热处理 第三部分渗碳钢轴承零件的热处理 第四部分简述轴承零件热处理的加工设备
第一部分滚动轴承零件的材料
滚动轴承是广泛应用于各类机械中的重要基础 件,其品种和规格有数万种之多。滚动轴承由内、外 套圈、滚动体和保持架四部分组成。滚动轴承及其 零件绝大多数由钢制成，滚动轴承用钢通常是高碳 铬轴承钢和渗碳钢。随着近代科学技术的发展和滚 动轴承使用量日益增加，对轴承的要求越来越高， 如高精度、长寿命及高可靠性等，对于一些特殊用 途轴承，还要求轴承材料具有耐高温、抗腐蚀、无 磁性、超高温、抗辐射等性能。所以轴承材料还包 括合金材料、有色金属、和非金属材料。
常用渗碳轴承钢的化学成分及用途
化学成分 Mn 0.60 ～ 0.90 0.40 ～ 0.70 0.65 ～ 0.95 0.30 ～ 0.60 0.40 ～ 0.70 1.30 ～ 1.60 Cr 0.35 ～ 0.65 0.35 ～ 0.65 0.35 ～ 0.65 1.25 ～ 1.75 1.00 ～ 1.40 1.70 ～ 2.00 3.25 ～ 3.75 3.00 ～ 3.50 ≤ 0.30 0.08 ～ 0.15 0.20 ～ 0.30 ≤ 0.25 ≤ 0.03 ≤ 0.03 ≤ 0.25 ≤ 0.03 ≤ 0.03 — — Ni 0.40 ～ 0.70 1.60 ～ 2.00 % Mo 0.15 ～ 0.30 0.20 ～ 0.30 0.08 ～ 0.15 ≤ 0.25 ≤ 0.03 ≤ 0.03 ≤ 0.25 ≤ 0.03 ≤ 0.03 ≤ 0.25 ≤ 0.03 ≤ 0.03 Cu ≤ 0.25 P ≤ 0.03 S ≤ 0.03 制造冲击负荷较 大的中小型轴承 零件 制造冲击负荷较 大的中小型轴承 零件 制造冲击负荷较 大的中小型轴承 零件 制造高冲击载荷 的特大型和中小 型轴承零件 制造高冲击载荷 的特大型和中小 型轴承零件 制造高冲击载荷 的特大型和中小 型轴承零件 用途
一、滚动轴承对材料的基本性能要求
由于使用滚动轴承的机械及工作环境千差万别。滚动轴承零件(套圈和 滚动体)要在拉伸、冲击、压缩、弯曲、剪切等交变复杂应力状态下长期工作。 一般情况下，轴承的主要破坏形式是在交变应力作用下的疲劳剥落，以及由 于摩擦磨损而使轴承精度丧失。此外，还有裂纹压痕锈蚀等原因造成轴承的 非正常破坏。所以就要求滚动轴承应具有高的抗塑性变形能力，少的摩擦磨 损，良好的旋转精度，良好的尺寸精度和稳定性，以及长的接触疲劳寿命。 而且其中很多性能是有材料和热处理工艺共同决定的。因此要求制造滚动轴 承零件的材料经过后工序的热处理后具有下列性能： ⒈高的接触疲劳强度 滚动体在轴承内外圈的滚道间滚动时，接触部分承受周期负荷，多数 每分钟可达数万次。在周期负荷的作用下，表层发生疲劳破坏，即出现龟裂 剥落。开始出现剥落后的轴承噪音、振动要增大，工作温度不断上升，以致 最后不能使用。接触疲劳破坏是轴承正常破坏的主要特征。 ⒉高的耐磨性 滚动轴承工作时，除了发生滚动摩擦外，在滚动体与套圈的滚动接触 面；滚动体与保持架兜孔的接触面；保持架引导和套圈挡边引导的接面；滚 子端面和套圈挡边的接触面，都会发生滑动摩擦。 滚动轴承工作时，轴承零件产生摩擦是不可避免的。若轴承材料的耐磨性差， 轴承便会过早出现磨损，造成轴承精度丧失，振动增加。旋转精度下降，降 低轴承寿命。
三、滚动轴承用钢冶可靠性很大程度上与轴承用钢的冶金质量有 着密切的关系。由于轴承钢所具有的特性，对冶金质量的要求比一般工业用 钢要严格得多。 1.严格的化学成分要求: 一般轴承用钢主要是高碳铬钢即含碳量是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，高碳铬钢中的 含铬量一般控制在1.65%。只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热 处理工序获得轴承性能组织和硬度。 2.高精度的尺寸要求 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最大，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、中心疏松和偏析，显微组织包括钢的退火 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： 对轴承钢而言，表面缺陷包括裂纹夹渣、毛刺、结疤，氧化皮等，内部缺陷 包括缩孔，气泡白点严重的疏松和偏析等。这些缺陷对于轴承的加工轴承的性能和 寿命有很大的影响在轴承材料中明确规定不允许出现这些缺陷。 6.特别严格的碳化物不均匀性要求： 在轴承钢中，如果出现严重的碳化物分布的不均匀，则在热处理加工过程中 就容易造成组织和硬度的不均匀，钢的组织不均匀性对接触疲劳强度有较大的影响。 另外严重的碳化物不均匀性容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹，碳化物不均匀 性还会导致轴承的寿命降低。因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材均有明 确的特别要求。 7.特别严格的表面脱碳层要求： 在轴承材料标准中对钢材表面脱碳层有着严格的规定，如果表面脱碳层超过 标准的规定范围，且在热处理前的加工过程中又没有将其全部清除掉，则在热处理 淬火过程中就容易产生淬火裂纹，造成零件的报废。