第三章-轴承钢-合金钢冶炼课件

第三章轴承钢第三章轴承钢轴承钢轴承钢：适于制造不同环境中工作的各类滚动轴承套圈和滚动体的钢统称为滚动（或滚珠）轴承钢（简称轴承钢）。80％用于轴承，其余制作：油泵片、喷嘴、轧辊、工模具等。/13:11:022轴承钢轴承钢：适于制造不同环境中工作的各类滚动轴承套圈和滚动轴承/13:11:023轴承/09:30:123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/13:11:024主要内容3.1分类、化学成分及基本要求/09:30:1243.1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/13:11:0253.1分类、化学成分及基本要求3.1.1分类/09:33.1.1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、高温轴承钢。钢类标准钢号非标准钢号高碳铬轴承钢GCr9,GCr15,GCr15SiMnG8Cr15无铬轴承钢GSiMnV(RE)GSiMnMoV(RE)GMnMoV(RE)GSiMn(RE)渗碳轴承钢20Gr2Ni4A(20GrNi2MoA)20Cr2Mn2SiMoA(20Cr2Mn2MoA)不锈轴承钢9Gr18Mo中、高温轴承钢GCrSiWV(中温)GrMo4V,Gr14Mo4V(高温)/13:11:0263.1.1分类按化学成分及特性分为五大类：高碳铬轴承钢无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。/13:11:0273.1.1分类注：/09:30:1473.1.2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。YB(T)1-80(或YJZ-84)：C0.95~1.05%Cr1.40~1.65%Si0.15~0.35%Mn0.25~0.45%P≤0.025%S≤0.025％Mo≤0.08%Ni+Cu≤0.50%Ni0.30%Cu≤0.25%为了提高轴承钢的疲劳寿命（N），成分上有些改进。/13:11:0283.1.2成分（以GCr15为例）1901年问世，主要优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＋KC：α过饱和C（M）0.4~0.6%；Fe3C7～8％许多人指出：只要保证M中C就好了，具有最大疲劳强度；认为弥散的K使得[C]↑，脆性↑，偏析加剧，寿命↓。/13:11:0291）[C]通常0.90~1.15%C，理由是保证淬火、回火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）/13:11:02101）[C]近年来，[C]有所下降，出现中碳铬轴承钢的趋势。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]max1.70%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。/13:11:02112）[Mn][Mn]有增有减；/09:30:14113）[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。/13:11:02123）[Si][Si]含量并不相同/09:30:14124）[Cr]同等级钢中Cr稍有差别三个等级：0.60.91.5%[Cr]作用：①形成K：Cr7C3、Cr3C6、(Fe,Cr)3C、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。/13:11:02134）[Cr]同等级钢中Cr稍有差别/09:30:14135）[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。/13:11:02145）[Mo]增加Mo钢号，制作大尺寸轴承；/09:30:156）[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。/13:11:02156）[S]、[P]S、P限制规定有差别/09:30:15157）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。危害：表面裂纹，加剧Cu的热脆作用，形成夹杂（TiN、TiCN）等，↓寿命。/13:11:02167）残余元素对残余元素限制更加严格。/09:30:15163.1.3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。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。/13:11:02173.1.3基本要求1）工作条件（分析）/09:30:12）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。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。/13:11:02182）性能和组织要求性能要求：/09:30:15183.2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/13:11:02193.2轴承钢标准3.2.1冶炼方法/09:30:1519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)/13:11:0220标准发展高碳铬轴承钢标准：/09:30:15203.2.1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”→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。/13:11:02213.2.1冶炼方法以前：“应用电炉冶炼并经真空脱气处理”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。（P463.2.2）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。/13:11:02223.2.2钢中夹杂物衡量质量的重要指标、影响寿命重要因素。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/13:11:0223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。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。/13:11:02243.2.3碳化物不均匀性K（含Cr渗碳体，[(Fe,Cr3.3轴承钢质量3.3.1夹杂物3.3.2碳化物不均匀/13:11:02253.3轴承钢质量3.3.1夹杂物/09:30:16253.3.1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/13:11:02263.3.1夹杂物夹杂物特点：成分复杂，形成原因、形态、分布（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。/13:11:0227（1）分类※各国标准并不统一，有按来源、大小、成分、热变形夹杂物分类（ASTM）/13:11:0228夹杂物分类（ASTM）/09:30:1628夹杂物分类（ASTM）/13:11:0229夹杂物分类（ASTM）/09:30:1629“粗类”和“细类“评级/13:11:0230“粗类”和“细类“评级/09:30:1730夹杂物评级/13:11:0231夹杂物评级/09:30:1731A、B、D类夹杂物/13:11:0232A、B、D类夹杂物/09:30:1732“DS”和“DOS”类夹杂物/13:11:0233“DS”和“DOS”类夹杂物/09:30:1733（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（C,N）更为突出。/13:11:0234（2）形成1）硫化物：占总量大部分，基本形式MnS（三种形（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。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。/13:11:0235（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）/13:11:02361）类型相同尺寸时：刚玉危害>点状，但点状大直径时，危害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。/13:11:02371）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/13:11:0238/09:30:18382）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”。/13:11:02392）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。/13:11:02403）尺寸大小同类型夹杂，d夹杂↑，N↓；夹杂对钢材规格小的影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。/13:11:02414）形态与分布形态有：点状、条带状、链状、片状、角状、簇状等（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；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）/13:11:0242（4）减少或消除夹杂物的主要途径1）最大限度地降低[O]：/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/13:11:02433.3.2碳化物不均匀（1）轴承钢中的碳化物/09:30:（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直接从钢液中析出钢锭（室温下）2、P＋KⅡ

（A→P＋KⅡ）KⅡ从A中析出的/13:11:0244（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（1）轴承钢中的碳化物P体中原始K热加工及冷却阶段和网状K热处理及冷却阶段钢材（室温下）带状K（共析K：A→P＋KⅡ）凝固K液析（共晶K：L→A＋KⅠ）阶段碳化物形成根本原因：枝晶偏析引起的显微组织不均匀，凡是增加枝晶偏析的因素，都会增大碳化物的不均匀程度。/13:11:0245（1）轴承钢中的碳化物P体中原（2）退火材组织和K粒度冶炼→浇注→钢锭处理（高温扩散退火，1220℃/17h，消除K液析、K带）→控制轧制（↑K均匀性）→正火（消除网状K）、退火球化处理＝连续式退火→轴承钢材退火组织：细小、均匀、完全球化的珠光体。材→车削→淬火＋低温回火→稳定化处理（消除应力）→磨光或抛光→装配轴承。使用状态：M回＋A残＋K/13:11:0246（2）退火材组织和K粒度冶炼→浇注→钢锭处理（高温扩散退火，（2）退火材组织和K粒度使用状态：M回＋A残＋K通常淬火下：>80%10％7～9％三者比例随K溶解度↑，A残↑，K余↓；随A中C↑，A粗化，M中C、合金浓度也会相应↑；铸态时K不均匀，淬火后不能改善；控制原始组织上K数量，并使颗粒细，大小匀称，分布均匀。/13:11:0247（2）退火材组织和K粒度使用状态：M回（2）退火材组织和K粒度在含碳0.45~0.50%的M基体上均匀分布着平均粒度0.5~0.6μm的3～6％K和必要的细小的A残→Nmax。必须控制原始组织上碳化物数量，并使颗粒细、大小均称、分布均匀。因此要，严格控制球化退火工艺，控制退火组织，消除K网、K带、K液析。/13:11:0248（2）退火材组织和K粒度在含碳0.45~0.50%的M基体上（3）碳化物不均匀分布及消除措施1）带状碳化物2）碳化物液析3）网状碳化物/13:11:0249（3）碳化物不均匀分布及消除措施1）带状碳化物/09:30:1）带状碳化物枝晶偏析（富Cr和富C）引起的显微区骗局的共析碳化物（二次碳化物），经压力加工后，顺延展方向分布成条带状。严重带状碳化物，黑白区域分明，带条宽度大，带与带之间也宽。为了降低带状碳化物级别，主要措施是钢锭或钢坯进行扩散退火。/13:11:02501）带状碳化物枝晶偏析（富Cr和富C）引起的显微区骗局的共析2）碳化物液析液相中碳及合金元素富集（液态偏析）产生的亚稳态莱氏体共晶（一次碳化物），在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布。消除和改善措施：控制C、Cr中下限，加V；低温浇注；采用较大锻压比；扩散退火；热处理过程不能太慢。/13:11:02512）碳化物液析液相中碳及合金元素富集（液态偏析）产生的亚稳态3）网状碳化物沿A晶粒边界析出的呈网状分布的碳化物。原始碳化物偏析大，易出现；停轧温度高及冷却太慢，使网状碳化物的连续性和粗大程度显著增加。消除或减轻措施：控制C、Cr中下限，Si、Mn有破坏和减小网状碳化物作用；控制低的终轧温度和强化轧后冷却速度。/13:11:02523）网状碳化物沿A晶粒边界析出的呈网状分布的碳化物。/09:3.4轴承钢冶炼3.4.1轴承钢及轴承生产过程3.4.2电炉＋VAD/13:11:02533.4轴承钢冶炼3.4.1轴承钢及轴承生产过程/09:33.4.1轴承钢及轴承生产过程1）冶炼：成分：Cr、C下限控制；温度：高温氧化、中温还原，较低温度出钢（1580℃）纯净度：P、S尽可能低；残余金属元素少；[H]≤2～3ppm；[O]≤20ppm；2）浇注：模铸：表面质量好，成分组织均匀基本组织：P（细片）（或P、A、K）连铸：致密度，亚稳态莱氏体。/13:11:02543.4.1轴承钢及轴承生产过程1）冶炼：/09:30:203.4.1轴承钢及轴承生产过程3）扩散退火（均匀化退火）：消除K液、改善K带；形成均匀A组织、K溶解↓4）热轧（或锻）：变形比、尺寸精度；良好的组织、性能控轧、轧后控冷：t开始、V冷、t终冷基本组织：P（细片）最好组织索氏体、K网不明显5）球化退火（不完全退火）：粒状P（为淬火准备），消除加工后的硬化程度，保证综合性能。/13:11:02553.4.1轴承钢及轴承生产过程3）扩散退火（均匀化退火）3.4.1轴承钢及轴承生产过程6）正火处理（常化）：消除K网及线条组织，返修退火不合格产品，满足特殊要求；破网温度：930～950℃；返修（破小网）：850～870℃；保温：30～50min（空冷，比退火快降温）；冷却：≥50℃/min。7）材8）车削/13:11:02563.4.1轴承钢及轴承生产过程6）正火处理（常化）：/03.4.1轴承钢及轴承生产过程9）淬火：硬度，弯曲疲劳强度，冲击韧性；840℃左右水或油淬；基本组织：M回（隐晶型）+细小均匀K+少量A残。10）回火：消除淬火应力，残余应力—稳定尺寸，防止淬裂；综合性能淬火＋回火连续进行的，淬火后冷到150～170℃后回火（回火时间≥2.5h）/13:11:02573.4.1轴承钢及轴承生产过程9）淬火：/09:30:203.4.1轴承钢及轴承生产过程11）稳定化：进一步消除应力，稳定组织，平衡三个组织关系（减少M淬和A残）－40～70℃，10～12h；120℃，12h；130～150℃，3～6h。12）磨光或抛光：尺寸精度、表面光洁13）附加回火：消除磨削应力；稳定尺寸；防止龟裂14）成品。/13:11:02583.4.1轴承钢及轴承生产过程11）稳定化：/09:30:3.4.2电炉＋VADVAD：真空吹氩；VD：真空去气；VOD：真空Ar-O2炉外精炼）（1）工艺流程1）电炉2）VAD3）连铸（2）冶金质量（3）质量因素分析/13:11:02593.4.2电炉＋VADVAD：真空吹氩；VD：真空去气；V1）电炉采用氧化法操作。全熔取样分析→矿氧气综合氧化→自动流渣去P→调整渣成分→预脱氧，加FeCr（MnSi、FeSi、Al块——沉淀；C粉、Si粉——炉渣）→出钢（随钢液加入脱S剂）/13:11:02601）电炉采用氧化法操作。/09:30:21602）VAD精炼手段：真空+吹氩（+加热）操作过程：入坑，取样，合盖吹氩；抽真空（5min→66.6Pa（0.5托），维持15min，脱气H、N，调成分Cr、Mn和Si，加Al脱氧，吹Ar）；搅拌继续10min；破真空、停吹Ar、取样（t=1510℃）；盖炭化稻壳。/13:11:02612）VAD精炼手段：真空+吹氩（+加热）/09:30:2163）连铸轴承钢属于过共析钢，凝固收缩性强，偏析倾向大，凝固温度间距宽，加之导热性差，裂纹敏感性强。一般情况下，适当低的浇注温度、慢的拉速和适中的冷却强度对保证铸坯质量是有好处的。工艺要求过热度为≤25℃；实际水平：30～40℃。中间包工作衬为MgO质，长水口和浸入式水口都为石英质。/13:11:02623）连铸轴承钢属于过共析钢，凝固收缩性强，偏析倾向大，凝固温（2）冶金质量P65表3－10、3－11/13:11:0263（2）冶金质量P65表3－10、3－11/09:30:2（3）质量因素分析1）渣系(表3-12)1.5≤R≤2.5，粘度小，吸收夹杂↑/13:11:0264（3）质量因素分析1）渣系(表3-12)/09:30（3）质量因素分析2）初炼钢液脱氧：彻底脱氧（真空下高C与O反应有限）炉内或出钢时包中用Si-Mn-Al复合脱氧重视炉渣脱氧，即FeO尽量低－（（FeO）与∑[O]成线性关系，（FeO）↓σ夹-钢，不利于去夹杂）防止渣进入真空（无渣出钢）。/13:11:0265（3）质量因素分析2）初炼钢液脱氧：/09:30:2265（3）质量因素分析3）精炼参数ε、QAr、真空度、渣量/13:11:0266（3）质量因素分析3）精炼参数/09:30:2266（3）质量因素分析4）钢包材料Al2O3去除顺序：MgO、Al2O3、SiO2、CaO＋CaF2SiO2是O来源，SiO2去除顺序SiO2、MgO、Al2O3、CaO＋CaF2脱氧产物和钢包材料中Me-O差别大，耐材＋夹杂形成化合物熔点低，越容易吸收。/13:11:0267（3）质量因素分析4）钢包材料/09:30:2267（3）质量因素分析5）[Al]Al全＝Al酸溶＋Al酸不溶＝(AlN＋Al溶)＋Al2O3Al以金属固溶体状态存在为主，少部分以Al2O3和AlN存在。（Al残＝Al溶）残铝稳定控制在0.02~0.025%，钢中氧含量和点状出现率都较低。残铝过高，钢中铝酸盐、刚玉、尖晶石夹杂物数量增加，钢的疲劳寿命反而下降。电炉＋真空（70％以上，质量可靠）。/13:11:0268（3）质量因素分析5）[Al]/09:30:2268第三章小结轴承钢的分类；轴承钢优点和成分特点；轴承钢的主要破坏形式和性能要求，轴承钢使用状态组织。轴承钢标准要求内容，碳化物均匀性。夹杂物的分类，夹杂物类型、数量、尺寸和形态与分布对轴承钢性能的影响，控制轴承钢夹杂物的措施；轴承钢中的碳化物及其形成的根本原因。轴承钢的电炉+VAD生产工艺。/13:11:0269第三章小结轴承钢的分类；轴承钢优点和成分特点；轴承钢的主要第三章轴承钢第三章轴承钢轴承钢轴承钢：适于制造不同环境中工作的各类滚动轴承套圈和滚动体的钢统称为滚动（或滚珠）轴承钢（简称轴承钢）。80％用于轴承，其余制作：油泵片、喷嘴、轧辊、工模具等。/13:11:0271轴承钢轴承钢：适于制造不同环境中工作的各类滚动轴承套圈和滚动轴承/13:11:0272轴承/09:30:123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/13:11:0273主要内容3.1分类、化学成分及基本要求/09:30:1243.1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/13:11:02743.1分类、化学成分及基本要求3.1.1分类/09:33.1.1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、高温轴承钢。钢类标准钢号非标准钢号高碳铬轴承钢GCr9,GCr15,GCr15SiMnG8Cr15无铬轴承钢GSiMnV(RE)GSiMnMoV(RE)GMnMoV(RE)GSiMn(RE)渗碳轴承钢20Gr2Ni4A(20GrNi2MoA)20Cr2Mn2SiMoA(20Cr2Mn2MoA)不锈轴承钢9Gr18Mo中、高温轴承钢GCrSiWV(中温)GrMo4V,Gr14Mo4V(高温)/13:11:02753.1.1分类按化学成分及特性分为五大类：高碳铬轴承钢无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。/13:11:02763.1.1分类注：/09:30:1473.1.2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。YB(T)1-80(或YJZ-84)：C0.95~1.05%Cr1.40~1.65%Si0.15~0.35%Mn0.25~0.45%P≤0.025%S≤0.025％Mo≤0.08%Ni+Cu≤0.50%Ni0.30%Cu≤0.25%为了提高轴承钢的疲劳寿命（N），成分上有些改进。/13:11:02773.1.2成分（以GCr15为例）1901年问世，主要优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＋KC：α过饱和C（M）0.4~0.6%；Fe3C7～8％许多人指出：只要保证M中C就好了，具有最大疲劳强度；认为弥散的K使得[C]↑，脆性↑，偏析加剧，寿命↓。/13:11:02781）[C]通常0.90~1.15%C，理由是保证淬火、回火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）/13:11:02791）[C]近年来，[C]有所下降，出现中碳铬轴承钢的趋势。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]max1.70%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。/13:11:02802）[Mn][Mn]有增有减；/09:30:14113）[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。/13:11:02813）[Si][Si]含量并不相同/09:30:14124）[Cr]同等级钢中Cr稍有差别三个等级：0.60.91.5%[Cr]作用：①形成K：Cr7C3、Cr3C6、(Fe,Cr)3C、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。/13:11:02824）[Cr]同等级钢中Cr稍有差别/09:30:14135）[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。/13:11:02835）[Mo]增加Mo钢号，制作大尺寸轴承；/09:30:156）[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。/13:11:02846）[S]、[P]S、P限制规定有差别/09:30:15157）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。危害：表面裂纹，加剧Cu的热脆作用，形成夹杂（TiN、TiCN）等，↓寿命。/13:11:02857）残余元素对残余元素限制更加严格。/09:30:15163.1.3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。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。/13:11:02863.1.3基本要求1）工作条件（分析）/09:30:12）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。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。/13:11:02872）性能和组织要求性能要求：/09:30:15183.2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/13:11:02883.2轴承钢标准3.2.1冶炼方法/09:30:1519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)/13:11:0289标准发展高碳铬轴承钢标准：/09:30:15203.2.1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”→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。/13:11:02903.2.1冶炼方法以前：“应用电炉冶炼并经真空脱气处理”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。（P463.2.2）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。/13:11:02913.2.2钢中夹杂物衡量质量的重要指标、影响寿命重要因素。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/13:11:0292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。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。/13:11:02933.2.3碳化物不均匀性K（含Cr渗碳体，[(Fe,Cr3.3轴承钢质量3.3.1夹杂物3.3.2碳化物不均匀/13:11:02943.3轴承钢质量3.3.1夹杂物/09:30:16253.3.1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/13:11:02953.3.1夹杂物夹杂物特点：成分复杂，形成原因、形态、分布（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。/13:11:0296（1）分类※各国标准并不统一，有按来源、大小、成分、热变形夹杂物分类（ASTM）/13:11:0297夹杂物分类（ASTM）/09:30:1628夹杂物分类（ASTM）/13:11:0298夹杂物分类（ASTM）/09:30:1629“粗类”和“细类“评级/13:11:0299“粗类”和“细类“评级/09:30:1730夹杂物评级/13:11:02100夹杂物评级/09:30:1731A、B、D类夹杂物/13:11:02101A、B、D类夹杂物/09:30:1732“DS”和“DOS”类夹杂物/13:11:02102“DS”和“DOS”类夹杂物/09:30:1733（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（C,N）更为突出。/13:11:02103（2）形成1）硫化物：占总量大部分，基本形式MnS（三种形（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。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。/13:11:02104（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）/13:11:021051）类型相同尺寸时：刚玉危害>点状，但点状大直径时，危害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。/13:11:021061）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/13:11:02107/09:30:18382）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”。/13:11:021082）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。/13:11:021093）尺寸大小同类型夹杂，d夹杂↑，N↓；夹杂对钢材规格小的影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。/13:11:021104）形态与分布形态有：点状、条带状、链状、片状、角状、簇状等（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；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）/13:11:02111（4）减少或消除夹杂物的主要途径1）最大限度地降低[O]：/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/13:11:021123.3.2碳化物不均匀（1）轴承钢中的碳化物/09:30:（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直接从钢液中析出钢锭（室温下）2、P＋KⅡ

（A→P＋KⅡ）KⅡ从A中析出的/13:11:02113（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（1）轴承钢中的碳化物P体中原始K热加工及冷却阶段和网状K热处理及冷却阶段钢材（室温下）带状K（共析K：A→P＋KⅡ）凝固K液析（共晶K：L→A＋KⅠ）阶段碳化物形成根本原因：枝晶偏析引起的显微组织不均匀，凡是增加枝晶偏析的因素，都会增大碳化物的不均匀程度。/13:11:02114（1）轴承钢中的碳化物P体中原（2）退火材组织和K粒度冶炼→浇注→钢锭处理（高温扩散退火，1220℃/17h，消除K液析、K带）→控制轧制（↑K均匀性）→正火（消除网状K）、退火球化处理＝连续式退火→轴承钢材退火组织：细小、均匀、完全球化的珠光体。材→车削→淬火＋低温回火→稳定化处理（消除应力）→磨光或抛光→装配轴承。使用状态：M回＋A残＋K/13:11:02115（2）退火材组织和K粒度冶炼→浇注→钢锭处理（高温扩散退火，（2）退火材组织和K粒度使用状态：M回＋A残＋K通常淬火下：>80%10％7～9％三者比例随K溶解度↑，A残↑，K余↓；随A中C↑，A粗化，M中C、合金浓度也会相应↑；铸态时K不均匀，淬火后不能改善；控制原始组织上K数量，并使颗粒细，大小匀称，分布均匀。/13:11:02116（2）退火材组织和K粒度使用状态：M回（2）退火材组织和K粒度在含碳0.45~0.50%的M基体上均匀分布着平均粒度0.5~0.6μm的3～6％K和必要的细小的A残→Nmax。必须控制原始组织上碳化物数量，并使颗粒细、大小均称、分布均匀。因此要，严格控制球化退火工艺，控制退火组织，消除K网、K带、K液析。/13:11:02117（2）退火材组织和K粒度在含碳0.45~0.50%的M基体上（3）碳化物不均匀分布及消除措施1）带状碳化物2）碳化物液析3）网状碳化物/13:11:02118（3）碳化物不均匀分布及消除措施1）带状碳化物/09:30:1）带状碳化物枝晶偏析（富Cr和富C）引起的显微区骗局的共析碳化物（二次碳化物），经压力加工后，顺延展方向分布成条带状。严重带状碳化物，黑白区域分明，带条宽度大，带与带之间也宽。为了降低带状碳化物级别，主要措施是钢锭或钢坯进行扩散退火。/13:11:021191）带状碳化物枝晶偏析（富Cr和富C）引起的显微区骗局的共析2）碳化物液析液相中碳及合金元素富集（液态偏析）产生的亚稳态莱氏体共晶（一次碳化物），在热加工时被压碎并沿轧向呈条带状分布。消除和改善措施：控制C、Cr中下限，加V；低温浇注；采用较大锻压比；扩散退火；热处理过程不能太慢。/13:11:021202）碳化物液析液相中碳及合金元素富集（液态偏析）产生的亚稳态3）网状碳化物沿A晶粒边界析出的呈网状分布的碳化物。原始碳化物偏析大，易出现；停轧温度高及冷却太慢，使网状碳化物的连续性和粗大程度显著增加。消除或减轻措施：控制C、Cr中下限，Si、Mn有破坏和减小网状碳化物作用；控制低的终轧温度和强化轧后冷却速度。/13:11:021213）网状碳化物沿A晶粒边界析出的呈网状分布的碳化物。/09:3.4轴承钢冶炼3.4.1轴承钢及轴承生产过程3.4.2电炉＋VAD/13:11:021223.4轴承钢冶炼3.4.1轴承钢及轴承生产过程/09:33.4.1轴承钢及轴承生产过程1）冶炼：成分：Cr、C下限控制；温度：高温氧化、中温还原，较低温度出钢（1580℃）纯净度：P、S尽可能低；残余金属元素少；[H]≤2～3ppm；[O]≤20ppm；2）浇注：模铸：表面质量好，成分组织均匀基本组织：P（细片）（或P、A、K）连铸：致密度，亚稳态莱氏体。/13:11:021233.4.1轴承钢及轴承生产过程1）冶炼：/09:30:203.4.1轴承钢及轴承生产过程3）扩散退火（均匀化退火）：消除K液、改善K带；形成均匀A组织、K溶解↓4）热轧（或锻）：变形比、尺寸精度；良好的组织、性能控轧、轧后控冷：t开始、V冷、t终冷基本组织：P（细片）最好组织索氏体、K网不明显5）球化退火（不完全退火）：粒状P（为淬火准备），消除加工后的硬化程度，保证综合性能。/13:11:021243.4.1轴承钢及轴承生产过程3）扩散退火（均匀化退火）3.4.1轴承钢及轴承生产过程6）正火处理（常化）：消除K网及线条