三种高淬透性轴承钢的主要工艺与性能对比分析

三种高淬透性轴承钢的主要工艺与性能对比分析
现行高碳铬轴承钢国家标准GB/T18254-2002中所纳入的钢号共有5个，其中3个牌号的轴承钢GCr15SiMn、GCr15SiMo和GCr18Mo是淬透性较高的钢种。GCr15SiMn钢的应用时间较长，它是在GCr15钢的基础上，适当增加Si、Mn含量的改进型钢种，以改善其淬透性和弹性极限，耐磨性比GCr15钢好，但切削加工性能较GCr15钢稍差，有回火脆性倾向，主要用于制造壁厚大于12mm、外径大于250mm的轴承套圈，以及钢球直径大于50mm，圆锥、圆柱及球面滚子直径大于22mm的轴承零件。
GCr15SiMo和GCr18Mo钢分别是在1986～1995年期间先后开发的高淬透性轴承钢，其目的是为了适应国民经济的发展，特别是重型机械、矿山机械、采掘钻井机械等大型化、重型化的发展需求。这些领域对大型轴承的品种、规格和数量的需求越来越多，轴承尺寸增加，要求轴承内外套圈的有效壁厚和滚体直径也随之加大，用GCr15SiMn钢的淬透性、淬硬性及轴承的寿命满足不了实际需要。
GCr15SiMo钢开发的基本思路为：通过研究Si对Cr-Mo系SKF25及Mo对Cr-Si-Mn系的GCr15SiMn钢各项性能的影响，而筛选出淬透性J60≥25mm，同时淬硬性等各项性能良好的钢种；GCr18Mo钢则是以德国钢号100CrMo7（相当于SKF24）为基础而开发的适宜于贝氏体等温淬火的钢种，其淬透性为880端淬J60值为18mm。自三种钢开发并纳标以来，GCr15SiMn和GCr18Mo用量较大，GCr15SiMn钢则多用于制造大型轴承。GCr18Mo钢用于贝氏体等温淬火处理，在铁路客车轴承上大量应用。而GCr15SiMo钢目前的用量较少，其原因很多，诸如使用习惯、材料价格等，更重要的是与轴承生产厂家和轴承用户对其工艺和性能并不十分清楚有关。为了合理、有效地选择使用这三种材料，研究人员对它们的主要工艺与性能进行了综合实验研究和对比分析。
试验用料选取不同的熔炼炉号，以及不同规格的GCr15SiMn、GCr15SiMo和GCr18Mo热轧退火棒材。三种钢材均以电炉+真空脱气方法熔炼，化学成分和冶金质量符合GB/T18254-2002标准。以顶端淬火试验法比较了三种材料的淬透性；试验研究了三种钢淬火温度、回火温度与硬度的关系；试验研究了三种钢在不同热处理工艺下冲击韧性与断裂韧度KIC；试验研究了GCr15SiMn钢和GCr15SiMo钢常规马氏体淬回火后TLP试样的接触疲劳寿命；对GCr15SiMo钢下贝氏体与M/B复合组织的TLP试样的接触疲劳寿命进行了对比试验。
研究结果表明：
由三种轴承钢的淬透性比较可知，以GCr15SiMo钢最好，GCr15SiMn钢和GCr18Mo钢稍差一些，且两者相近。因此，在要求高淬透性及零件有效壁厚（或直径）增大的情况下，在马氏体淬火时，可优先考虑使用GCr15SiMo钢

，其次为GCr15SiMn钢。GCr18Mo钢则多用于下贝氏体等温淬火处理。
由三种轴承钢的淬硬性比较可知，以GCr15SiMo钢最好，GCr15SiMo钢的65～80方的试样可以淬透，而GCr15SiMn钢与GCr15SiMo钢则相差很多。
GCr15SiMo钢抗回火性能明显优于GCr15SiMn钢和GCr18Mo钢。
GCr15SiMn钢和GCr15SiMo钢常规马氏体淬回火后的冲击韧度与断裂韧度基本相当，GCr18Mo钢的等温淬火贝氏体组织的冲击韧度和断裂韧度明显优于GCr15SiMo钢和GCr15SiMn钢。
在常规马氏体淬回火条件下，GCr15SiMo钢的接触疲劳寿命高于GCr15SiMn钢。GCr15SiMo钢与GCr18Mo钢的等温淬火下，其全下贝氏体（BL）组织的疲劳寿命高于M/B复合组织的疲劳寿命。
在承受大冲击载荷下使用的轴承，优先适宜选择GCr18Mo钢等温贝氏体淬火，在较小冲击载荷下，也可使用GCr15SiMo钢等温贝氏体淬火。（心远）