滚动轴承钢成分特点及特性热处理

滚动轴承钢简称轴承钢，主要用于制作滚动轴承的内外套圈及滚动体的钢种。

1)性能要求

滚动轴承工作时，滚动体和套圈呈点或线接触，承受高达3000～5000 N/mm2的交变接触应力和极大的摩擦力，还将受到大气、水及润滑剂的侵蚀，其主要损坏形式有接触疲劳(麻点剥落)、磨损和腐蚀等。故对滚动轴承钢的主要性能要求有：

(1)高的接触疲劳强度和弹性极限；

(2)高的硬度和耐磨性；

(3)对于制造承受冲击载荷如汽车、矿山机械的轴承的材料应有足够的强度和冲击韧度。

(4)一定的耐蚀性。

2)成分特点

(1)高碳 常用的轴承钢碳质量分数一般为wc＝0.95%～1.15%，以保证热处理后钢的高硬度和高耐磨性；

(2)低合金 常用的轴承钢一般是低合金钢，主加合金元素是铬，且wCr＝0.40%～1.65%，它的主要作用是增加钢的淬透性、形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C，细化奥氏体晶粒，淬火后得到隐晶马氏体，提高接触疲劳强度和耐磨性，但当wCr>1.65％时，会增加残留奥氏体量，降低强度硬度。辅加合金元素是Si、Mn、Mo等，能进一步提高淬透性，其中Si还能提高回火稳定性，用于制造大型轴承的材料；对无铬轴承钢还应加入V、RE等元素，形成VC以保证耐磨性并细化钢基体晶粒。

(3)钢的纯净度及组织的均匀性

滚动轴承的失效分析结果表明，由原材料质量问题引起的失效约占65％，其中，钢的纯净度不高和组织均匀性不好是引起失效的两个主要原因。

①钢的纯净度 研究表明，滚动轴承的接触疲劳寿命与钢中非金属夹杂物的数量、类型有很大关系。钢中存在夹杂物时，由于它们和基体交界处的弹塑性变形不协调，引起应力集中，在夹杂物边缘处最易产生微裂纹，从而降低接触疲劳寿命。通过严格控制钢中杂质元素质量分数(ws＜0.020%、wp＜0.025% )、采用真空精炼等新的先进技术来降低钢中夹杂物数量，控制夹杂物类型、尺寸、形态和分布，可减轻非金属夹杂物对滚动轴承钢的危害。

②钢的组织均匀性 主要是碳化物均匀性。

在轴承钢退火前原始组织中可能出现的碳化物分布不均匀的缺陷有网状碳化物、带状碳化物等。网状碳化物是轴承钢在锻轧后的冷却过程中形成的，随后的退火、淬火、回火都不能把它完全消除而会存在于最终组织中严重降低钢的力学性能。带状碳化物是由于钢锭在结晶时所产生的枝晶偏析引起的，热塑性变形后偏析区被拉长，一些富铬和碳的偏析区将析出较多的碳化物而形成碳化物的带状分布。

碳化物具有高的硬度和脆性，它们的存在使轴承钢的组织和性能不均匀，增加内应力，并使疲劳裂纹易于形成，严重降低轴承钢的韧性和接触疲劳抗力，使轴承钢的耐用度大为下降。此外，还增加钢淬火变形的倾向等。一般通过改进冶炼、浇注、锻轧工艺可降低碳化物的不均匀性。

3)热处理特点

(1)预备热处理 滚动轴承零件一般采用球化退火作为预备热处理。滚动轴承钢属过共析钢，球化退火的目的一是使锻造组织中片状的碳化物球化，降低钢的硬度(180～207HBW)，改善切削性能。如锻造后的珠光体片厚或存在网状渗碳体，则在球化退火之前进行一次正火来消除网状碳化物；二是为最终热处理作好组织准备。

(2)最终热处理 滚动轴承零件的最终热处理为淬火+低温回火。淬火温度在Acl和Accm之间，即不完全奥氏体化，保证获得的淬火组织为隐晶马氏体+细小均匀的球状碳化物+少量残留奥氏体。其硬度为64～66HRC。

低温回火需在淬火后及时进行，回火温度为150～160℃，目的是稳定组织，消除淬火应力。回火组织为回火马氏体+均匀分布的细小球状碳化物+少量残留奥氏体，硬度为61～65HRC。

由于低温回火不能彻底消除内应力及残留奥氏体，在长期使用中会发生应力松弛和组织转变，引起尺寸变化，所以对于精密轴承零件，在淬火后应立即进行一次冷处理(-60℃～-80℃)，并分别在低温回火和磨削加工后再进行120℃～130℃保温5～10h的低温时效处理，以进一步减少残留奥氏体和消除内应力，保证尺寸稳定。

一般滚动轴承的加工工艺路线为：轧制或锻造→球化退火→机加工→淬火→低温回火→磨削→成品。

精密轴承的加工工艺路线为：轧制或锻造→球化退火→机加工→淬火→冷处理→低温回火→时效处理→磨削→时效处理→成品。

热处理应用举例：某GCr15钢制精密微型轴承要求硬度≥62HRC，其热处理工艺如图5-4所示。

a) 球化退火    b) 淬火、回火及时效处理

4)常用滚动轴承钢

(1) 高碳铬轴承钢 具有良好的使用性能和良好的工艺性能及较低价格，同时，其冶炼工艺及热处理等加工工艺均比较成熟，是制造套圈和滚动体的首选钢种，适用于工作温度低于200℃的轴承，列入GB/T18254—2002中的牌号有GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等，主要差别是淬透性，其它性能差别不大，其中GCr15是我国应用最广泛的轴承钢。对于尺寸较大的轴承(如铁路轴承)可采用铬锰硅钢，如GCr15SiMn钢等。为提高轴承的冲击韧度和断裂韧度、尺寸稳定性、延长接触疲劳寿命、减小淬火变形可采用贝氏体等温淬火。GCr4为新研制的限制淬透性轴承钢，用于制造工作温度低于100℃、壁厚大于14mm，承受较大冲击负荷的轴承套圈。

顺便指出，由于GCr15与低铬工具钢在化学成分上相近，因此它也可作为工具钢，用于制造形状复杂的刃具、精密量具、冷冲模及某些精密零件(如精密丝杠等)。

高碳铬轴承钢的热处理及应用范围见表5-6。

(2)渗碳轴承钢 低碳的合金渗碳钢如G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Mn2Mo等，经渗碳淬火和低温回火后，表层坚硬耐磨，心部保持高的强韧性，同时表面处于压应力状态，对提高疲劳寿命有利，主要用于制造工作温度低于100℃的大型轧机、发电机及矿山机械等上的、在极高的接触应力下工作，频繁地经受冲击和磨损的大型(外径大于450mm)轴承。

(3)不锈轴承钢 在各种腐蚀环境中工作的轴承必须有高的耐蚀性能，一般铬质量分数的轴承钢已不能胜任，因此发展了高碳高铬不锈轴承钢。铬是此类钢的主要合金元素，如9Cr18、9Cr18Mo等。它是适应现代化学、石油、造船等工业发展而研制的。

(4)高温轴承钢 GCr15钢的最高工作温度不超过180℃，含Si、Mo、V、A1的低合金轴承钢的工作温度也只能在250℃以下，如果温度再升高，则会导致硬度急剧下降而失效。而航空发动机、航天飞行器、燃气轮机等装置中的轴承是在高温高速和高负荷条件下工作的，其工作温度在300℃以上，具有足够高的高温硬度、高温耐磨性、高温接触疲劳强度及高的抗氧化性、高温抗冲击性能和高温尺寸稳定性等。目前高温轴承钢有两类：

一是高速钢类轴承钢。用高速钢W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2制作的轴承可以在430℃下长期工作，此时的高温硬度大于57HRC。Cr4Mo4V是性能较好的高温轴承钢，其热处理工艺与性能具有高速钢的特点。因含合金元素少，其高温硬度不如高速钢，但加工性能优于高速钢。Cr4Mo4V主要用于航空发动机，可以在315℃长期工作(此时高温硬度大于57HRC)，短时可用到430℃(高温硬度大于54HRC)。

二是高铬马氏体不锈钢。Cr14Mo4V是在9Cr18Mo的基础上升Mo降Cr并加人少量V而形成，提高了钢的高温性能，钢的高温硬度较高，耐蚀性良好，因V量较少(wV≈0.15％)，其耐磨性比Cr4Mo4V稍差，但加工性能更好。Cr14Mo4V适于制作承受中、低负荷，在300℃下长期工作的轴承。

表5-6 常用高碳铬轴承钢的牌号、热处理、性能及应用范围