第三章 轴承钢 合金钢冶炼课件

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。
➢ 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。
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。
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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。
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。
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）
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。
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。
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
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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
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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。
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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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%；
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、
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。
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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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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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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
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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（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）。