第三章 轴承钢 合金钢冶炼课件

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危害:表面裂纹,加剧Cu的热脆作用,形成夹 杂(TiN、TiCN)等,↓寿命。
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3.1.3 基本要求
1)工作条件 (分析)
工作条件十分复杂,承受各类高的交变应力, 如拉力、压缩、剪切应力及摩擦力,使轴承极 易产生疲劳裂纹和摩擦破坏。
两种破坏方式:接触疲劳破坏和摩损破坏。
➢ 3 渗碳钢系列的数量很大(十几个钢号,美国 占自己轴承钢量的1/3,日本15%,中国 GB3202-82列出了6个钢号,中国自己设计 只有2个)。
➢ 4 不锈及中、高温轴承钢与国外钢号相似。
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3.1.2 成分(以GCr15为例)
1901年问世,主要优点:成分简单,合金量低, 性能良好,价格便宜等。
高温轴承钢。
钢类
标准钢号
非标准钢号
高碳铬轴承钢 GCr9,GCr15,GCr15SiMn G8Cr15
无铬轴承钢 GSiMnV(RE) GSiMnMoV(RE)
GSiMn (RE)
GMnMoV(RE) 渗碳轴承钢 20Gr2Ni4A
20Cr2Mn2SiMoA
(20GrNi2MoA)
(20Cr2Mn2MoA)
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1) [C]
通常0.90~1.15%C,理由是保证淬火、回火 后有高硬度、强度、疲劳极限,必须具有过共析 成分,才能经热处理后,在回火M基体上弥散细 小的K。
使用组织:回火M+A残+K C:α过饱和C(M) 0.4~0.6%;
Fe3C
7~8%
许多人指出:只要保证M中C就好了,具有最大
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2) [Mn]
[Mn]有增有减;
[Mn]作为脱氧元素,有利改变Si、Al脱氧产物 形态,减少脆性夹杂物含量,主张<0.5%Mn。
[Mn]作为合金元素,有增有减。
俄、美、瑞典 [Mn] max 1.70%
中、德等
<1.20~1.25%
➢ 增加观点:Mn溶于F中,↑强度、硬度,↑淬透性;
➢ 减少观点:Mn≥1.20%,↓Ms点,从而↑A残, 强度反而↓。
Mn使晶粒粗大,↑过热敏感性和淬火裂纹倾向。
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3) [Si]
[Si]含量并不相同
[Si]作为脱氧元素 0.15~0.35%Si即可;
[Si]作为合金元素,各国并不完全相同。
美国、瑞典 上限 0.80~0.85%;
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(1)分类
※ 各国标准并不统一,有按来源、大小、成分、 热变形能力和形态分的。中国延用苏联方法: 塑性、脆性、点状不变形
ISO4967-79(参考ASTM分类)规定:钢 中夹杂物分为A、B、C、D四大类,分别为: 硫化物、氧化铝、硅酸盐和球状氧化物。
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我国和瑞典对碳化物不仅有原则要求,而且有 具体评级图片和合格极限。
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3.3 轴承钢质量
3.3.1 夹杂物 3.3.2 碳化物不均匀
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3.3.1 夹杂物
夹杂物特点:成分复杂,形成原因、形态、分 布、危害都不一样。
(1)分类 (2)形成 (3)夹杂物对疲劳寿命的影响 (4)减少或消除夹杂物的主要途径
材质差,利用率低,寿命不长,不能满足国内 外用户要求,向国际标准靠拢逐步过渡。
最新: ➢ 《高碳铬轴承钢》 (GB/T18254—2002) ➢ 《高碳铬轴承钢丝》 (GB/T18579—2001)
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3.2.1 冶炼方法
以前:“应用电炉冶炼并经真空脱气处理” , “经供需双方协议,亦可采用能满足本标准要 求的其它冶炼方法”→
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6)[S]、[P]
S、P限制规定有差别
大多数国家要求<0.030%以下,英国、意大 利要求不大于0.050%。
优势的观点认为硫在轴承钢中至少是无害的。
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7)残余元素
对残余元素限制更加严格。
以往通常只限制Ni、Cu,现在增加对五大有害 元素As、Sn、Ti、Sb、Pb的限制。
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4)形态与分布
形态有:点状、条带状、链状、片状、角状、 簇状等,细条状塑性夹杂物危害较小,棱角锋 锐夹杂危害最大;
分布均匀危害较小,聚集严重、危害越大; 分布分散,均匀较好,层下1mm内夹杂越少
越好。
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(4)减少或消除夹杂物的主要途径
1)最大限度地降低[O]: 合理选择脱氧制度;加速夹杂物上浮和去除; 控制钢种残Al量;夹杂物变性处理;
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夹杂物分类(ASTM)
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夹杂物分类(ASTM)
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“粗类”和“细类“评级
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夹杂物评级
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A、B、D类夹杂物
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“DS”和“DOS”类夹杂物
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第三章 轴承钢
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主要内容
3.1 分类、化学成分及基本要求 3.2 轴承钢标准 3.3 轴承钢质量 3.4 轴承钢冶炼
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3.1 分类、化学成分及基本要求
3.1.1 分类 3.1.2 成分(以GCr15为例) 3.1.3 基本要求
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3.1.1 分类
按化学成分及特性分为五大类:高碳铬轴承钢 无铬轴承钢;渗碳轴承钢;不锈轴承钢;中、
(C,N)更为突出。
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(3) 夹杂物对疲劳寿命的影响
轴承破坏最常见形式为接触疲劳破坏。实质:疲 劳裂纹发生和发展(首先产生在局部应力)。
疲劳试验证明:疲劳裂纹发生在:夹杂附近、夹 杂本身断裂、夹杂-基体边界剥落(最多)。说 明夹杂物是一种应力破坏源(潜在危险点)。
夹杂对寿命影响与很多方面有关:夹杂本身;钢 基体;夹杂-基体界面特征;施加应力的方法等。 应综合考虑。
不锈轴承钢
9Gr18Mo
中、高温 轴承钢
GCrSiWV(中温) GrMo4V,Gr14Mo4V(高温)
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3.1.1 分类
注:
➢ 1 大多数国家只有四大类,无铬系列没有。
➢ 2 淘汰了高碳铬系中低铬级(GCr6、GCr9) 钢号,以加Mo钢号代替。中国保留了GCr9, 没有含Mo钢号。
疲劳强度;认为弥散的K使得[C]↑,脆性↑,偏
析加剧,寿命↓。
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1) [C]
近年来,[C]有所下降,出现中碳铬轴承钢的 趋势。
美国:0.85~1.00% C 日本:0.70~0.85% C 瑞典:0.87~0.97% C
中国:0.75~0.8% C (G8Cr15,改善了 K不均匀性,↑冷热变形性能,切削性能,N比 GGr15高)
2)尽可能减少或避免钢液受外部环境的污染: 炉料干净、干燥;合理耐材-低SiO2; 炉衬、包衬等良好状态;防止二次氧化。
3)采用新的冶炼方法和技术: 低碱度渣处理工艺;炉外精炼技术(真空、电渣 重熔)
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3.3.2 碳化物不均匀
(1)轴承钢中的碳化物 (2)退火材组织和K粒度 (3)碳化物不均匀分布及消除措施
接触疲劳寿命对钢的组织和性质的不均匀性特 别敏感。要求:使用状态下组织为回火马氏体 +K(细粒)。对原始组织要求:一要纯净,二 要均匀。
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3.2 轴承钢标准
3.2.1 冶炼方法 3.2.2 钢中夹杂物 3.2.3 碳化物不均匀性
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标准发展
高碳铬轴承钢标准: ➢ 早期:重10-52;YB9-59;YB9-68 ➢ 较早:YB(T )1-80;YJZ-84
MenCrmC 等; ➢ ②↑淬透性(尤其是有Mn存在时更明显) ➢ ③↑抗蚀性 但Cr改变临界点(共析点S和Ms),导致偏析,
增加残余奥氏体比例,影响轴承的精度和稳定性。
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5)[Mo]
增加Mo钢号,制作大尺寸轴承; 作用: ① 强化固溶体(稳定K) ② 提高K稳定性; ③↓回火脆性; ④↑淬透性,耐磨性(K细小) Mo会增加钢的脱碳倾向。
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(2) 形成
1)硫化物:占总量大部分,基本形式MnS(三 种形态:球、枝状、不规则)
2)氧化铝:脱氧产物,占氧化物夹杂一半以上。 危害严重(空洞、裂纹,↓N)。
3)硅酸盐:二次氧化物。有危险,可以防范。 4)点状不变形夹杂:钙铝酸盐,还有少量
MgO·Al2O3(尖晶石)。危害最大。 5)钛夹杂物:严重↓N,尤其是条带状的Ti
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3.2.3 碳化物不均匀性
K(含Cr渗碳体, [(Fe,Cr)3C])的两重性: ➢ 易偏析而成疲劳源;
➢ 回火组织稳定,且细小,可能均匀分布在M基 体上起强化作用。
对K不均匀性应作具体规定,这是当今标准发 展的一个特点。
K均匀性:指轴承钢中K的偏析强度,即不同成 分、不同形态的K在钢中不同部位分布的数量 多少。
仅考虑夹杂物本身(如类型、数量、大小、形状 和分布),也能说明问题。
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1)类型
相同尺寸时: 刚玉危害>点 状,但点状大 直径时,危害 最大;钛夹杂 亦严重;其次 硅酸盐(半塑 性及塑性)。 (低温塑性很 差)
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1)类型
因为相对基体而言,在不同温度下存在不同的 弹性模量(E)和塑性变形能力;在外力作用 下,两者热压缩+展宽量也不同;应力集中程 度也不同;当钢基体(相对于夹杂)发生滑动 时,夹杂就会“划伤”和“掘松”,造成与基 体脱开,形成裂纹或空洞。
接触疲劳破坏:在高的接触应力作用下,经过 多次应力循环后,其工作面局部区域产生剥落 凹坑,使工作时噪音增大,振动增强,升温快, 磨损大,导致轴承不能正常工作甚至完全破坏。 最常见的破坏类型。
磨损破坏:由相对滑动引起的摩损破坏。
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2)性能和组织要求
性能要求:
➢ ① 高的接触疲劳强度和抗压强度; ➢ ② 高而均匀的硬度(HRC61~65); ➢ ③ 高的弹性极限; ➢ ④ 一定的韧性; ➢ ⑤ 尺寸稳定性好; ➢ ⑥ 一定的抗腐蚀性能; ➢ ⑦ 良好的工艺性能。
YB(T)1-80(或YJZ-84):
C 0.95~1.05% Cr 1.40~1.65%
Si 0.15~0.35% Mn 0.25~0.45%
P ≤0.025%
S ≤0.025%
Mo ≤0.08% Ni+Cu ≤0.50%
Ni 0.30%
Cu ≤0.25%
为了提高轴承钢的疲劳寿命(N),成分上有些 改进。
中国却
<0.75%
因为Si不形成K,溶于F、A中强化基体,即↑淬 透性,↑弹性极限,↑屈服强度,↑疲劳强度。
但Si增加钢的过热和产生裂纹的倾向,加剧脱碳 和石墨化倾向。
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4)[Cr]
同等级钢中Cr稍有差别 三个等级:0.6 0.9 1.5% [Cr]作用: ➢ ①形成K:Cr7C3、Cr3C6、(Fe,Cr)3C、
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2)数目
舒里捷有个说法:夹 杂物含量是钢重要性 能指标,在很大程度 上决定着钢的综合性 能。
几乎所有裂纹都发生 在20μm夹杂附近 (无论是何种夹 杂)—“临界尺寸”。
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3)尺寸大小
同类型夹杂,d夹杂↑,N↓;夹杂对钢材规格小 的影响更严重。
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(1)轴承钢中的碳化物
过共析钢中由于枝晶偏析引起铸态显微组织不 均匀度(分布及颗粒大小不均匀),常以K不 均匀分布状态来检查。 1、亚稳态莱氏体 (KⅠ+A共晶) KⅠ直接从钢液中析出
新标准——“钢应采用真空脱气处理”。 两层含意:一是这样规定能限制许多不具备条
件的生产厂,没有折衷的余地;二是初炼方法 更加灵活。 炉外精炼:↓钢中气体、夹杂物,改善夹杂物形 态,↑疲劳寿命。
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3.2.2 钢中夹杂物
衡量质量的重要指标、影响寿命重要因素。 (P46 3.2.2)
标准规定了: ➢ 1)评级图片和评级方法; ➢ 2)取样方法; ➢ 3)判定规则; ➢ 4)评级 新标准的非金属夹杂物级别采用美国
ASTMA295—94的指标,明显比YJZ84严。
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非金属夹杂物合格级别的对比
A-硫化物;B-氧化铝;C-硅酸盐;D-点状不变形夹杂
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