gcr15高碳铬轴承钢的选择与应用

gcr15高碳铬轴承钢的选择与应用

kbr15高碳铬轴承钢（德国1003c6、美国22100、日本suj2等）的研究和生产于1905年开始。20世纪20年代，它在世界范围内被广泛用于滚动轴承的制造。作为世界上第一支特殊的轴承钢，它经历了100多年的发展过程，到目前为止，它的基本上是不变的。轴承钢是所有合金钢中质量要求最严格及检验项目最多的钢种。世界公认,轴承钢的冶炼水平代表着一个国家的冶金水平,因此,轴承钢也被称作是“特钢之王”。从应用角度上评价,轴承钢是非常优秀的钢种———主要合金元素不多且含量低,属于“高碳低合金钢”,但经过常规热处理后,对于轴承的不同使用条件具有“广谱”适用性———如载荷能力高(接触应力一般为1000~4000MPa),使用温度范围宽(-45~100℃或120℃),具有抗疲劳、耐磨损、刚度高、尺寸与形状稳定性好、一定的耐腐蚀能力等显著优点;同时还具有良好的工艺性能(包括锻造等热加工性能和车削、磨削等冷加工性能等),便于实现高质量、高效率的轴承制造。1轴承钢的一般原理1.1轴承钢的结构性能要求(1)严格的化学成分要求。化学成分是决定钢材组织与性能最本质的因素。轴承钢中的“高碳”———约含1%的C元素,使其具有高硬度并容易球化;加入相对便宜的1.5%左右Cr元素,使其具有良好的淬透性及碳化物稳定性,并具有一定的耐腐蚀性;对其他合金元素如Si,Mn,Mo,P,S,Ni和Cu等均规定了相应的含量,因为Si可增强回火抗力从而提高疲劳寿命,Mn能增加淬透性但不会像Cr,Mo那样形成难以分解的碳化物,Mo同Cr的作用一样,但可细化晶粒,P会增加冷脆性并容易偏析,S和Cu会产生热脆性,Ni能提高强韧性并保持良好的塑性;对残余元素Sn,As,Ti和Al等元素的含量也都需要有严格的限制。(2)高纯净度要求。轴承正常失效形式主要是疲劳剥落。由滚动接触而产生的疲劳剥落,是由于在很小的材料体积内反复承受交变应力,若材料基体硬度很高,则由应力集中所产生的危害更大。因此,容易导致应力集中的非金属夹杂物、特别是氧化物等脆性夹杂物对轴承钢疲劳特性的影响要比其他结构钢更为显著,必须通过降低氧含量等措施降低钢中的夹杂物含量,尽量提高纯净度。(3)严格的低倍组织和显微组织要求。低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析;显微组织包括退火组织、碳化物网状、带状和液析等。低倍组织中的多数缺陷均可导致应力集中,成为疲劳剥落源,而且较大疏松和偏析会造成锻造裂纹;显微(高倍)组织中的退火组织的粗大及不均匀等会导致淬火裂纹及切削性能和力学性能变差;碳化物网状易于造成淬火裂纹及变形,降低机械强度、冲击韧性和接触疲劳强度;碳化物带状会影响退火和淬回火组织、淬火加热的过热敏感性、硬度均匀性、机械加工性能以及接触疲劳强度;碳化物液析硬而脆,其危害性与脆性夹杂物相同,是碳化物不均匀性中最有害的一种,可显著降低接触疲劳强度及增大摩擦因数和磨损率。(4)特别严格的碳化物不均匀性控制要求。轴承钢中的碳含量较高,又含有一定数量的碳化物形成元素(如Cr等),因此在钢液的冷凝过程中,这些元素极易发生成分偏析,引起碳化物颗粒大小和分布的不均匀性。碳化物不均匀,会造成组织和硬度不均匀;若严重不均匀,还容易产生淬火裂纹。(5)特别严格的内部缺陷和表面缺陷控制要求。内部缺陷包括缩孔、气泡和白点等,表面缺陷包括裂纹、夹渣、结疤和氧化皮等。这些缺陷对于轴承的加工质量、使用性能和寿命可靠性等都有很大的影响。如轴承钢对白点敏感性很强,容易造成回火脆性,并显著影响接触疲劳强度。(6)特别严格的表面脱碳层控制要求。轴承钢中的碳含量高,在加热过程中表面脱碳倾向性较大,若脱碳层过厚,且在热处理前没有将其全部清除掉,容易产生淬火裂纹和软点。(7)高精度的尺寸要求。轴承零件毛坯通常都要经过压力成形,如套圈的锻造成形、滚动体的冷镦或热轧成形等。如果钢材的尺寸精度不高,就无法精确计算下料尺寸和重量,既难以保证零件的尺寸与形状精度要求,也容易造成加工设备和模具的损坏。1.2微观组织与硬度(1)严格的热处理规范。轴承通常在高强度状态下工作,因此常规热处理为(830~860)℃马氏体淬火+(160~180)℃低温回火———这也是保证轴承零件疲劳强度的最佳热处理规范。必须进行的低温回火可以在保持高硬度和良好耐磨性的前提下,降低材料的内应力和脆性,以免使用时产生崩裂等过早损坏现象。(2)严格的显微组织要求。轴承钢退火后要求为细小、均匀分布的球化(球状珠光体)组织,以保证良好的切削性能并为淬火做准备。淬火后的理想组织由隐晶马氏体(平均含碳量为0.55%左右)、残余奥氏体(7%~10%)和未溶(残留)碳化物(6%~8%)组成,在此组织状态下的疲劳性能最佳。(3)比较严格的硬度及其均匀性要求。退火后的硬度要求通常为179~207HB,以获得良好的切削性能;淬火要保证淬透,淬、回火后的硬度要求通常为58~66HRC。根据零件尺寸不同,如套圈有效壁厚12~30mm为58~64HRC;钢球直径不大于30mm为61~66HRC等;且同一零件的硬度差要求为1~3HRC,更严格的要求为0.5HRC。(4)严格的裂纹、脱碳及软点、变形等控制要求。淬、回火后不允许有裂纹;脱碳及软点、变形均规定有相关技术要求,如套圈公称直径不大于30mm,脱碳层深度不大于0.05mm等。2对产品本身的影响顾名思义,轴承钢是滚动轴承专用钢种。因此,对轴承钢所有质量改进和技术进步的出发点和落脚点都必须聚焦到轴承产品本身上来,如对轴承精度、性能和寿命的更契合本质的影响,而不是就原材料谈原材料,就热处理说热处理。2.1常规热处理原材料及热处理对轴承精度的影响,一是能否具备良好的加工性,尤其是适应于磨削、超精等精密终加工的特性;二是在储运和使用过程中能否具有良好的尺寸稳定性,不致使加工精度丧失。(1)轴承钢淬、回火后属于高硬度材料,比较适应于磨削加工,但钢中存在的脆性夹杂物,在零件磨削加工中易于从金属基体上脱落下来,产生划伤,影响精加工表面质量。(2)常规热处理要求轴承在工作温度120℃以下保持尺寸稳定性。但即使是一些通用轴承,由于主要用途所决定,也形成了不同于常规要求的基本技术特征,如调心滚子轴承多用于振动、冲击工况,易于产生高温,因此SKF,FAG,Timken,NTN和SNR等公司的标准型轴承都要求在200℃以下能保持尺寸稳定;精密轴承则要求在淬火后进行冷处理(减少淬火后不稳定的残余奥氏体组织),在磨加工过程中进行附加回火(消除磨削应力和稳定组织)等措施,有些公司的标准型精密机床轴承,则要求能耐受150℃的工作温度。2.2影响因素的影响(1)对振动噪声的影响。显著的化学成分偏析,特别是有大的碳化物颗粒以及大的脆性夹杂物(如氧化物、氮化钛等)或塑性夹杂物(如硫化物),将导致材料基体组织不连续均匀,弹性模量发生变化(如硫化物和硅酸盐的弹性模量比钢低,氧化铝弹性模量比钢高),影响轴承的振动噪声性能。(2)对硬度的影响。碳化物偏析,特别是严重的碳化物带状,会造成组织和硬度不均匀性达不到相关技术要求,影响轴承的耐磨损和抗疲劳性能。(3)对切削性能的影响。适度降低碳含量(如下限降至0.9%)、增加硫含量(如0.04%~0.07%)并保证氧含量在较低水平(如10×10-6以下),则有利于切削性能的提高。热轧压缩比大或经冷加工后塑性降低也对切削性能产生有利影响。(4)对锻造性能的影响。除了S,Cu和Sn等元素的含量过高,容易形成低熔点相使锻件出现热脆开裂外,C元素在规定范围内偏高,也将使材料的强韧性降低,在锻造加工成形中有时会产生开裂。(5)对耐腐蚀性能的影响。一般疏松,或者存在大量细小的硫化物、氧硫化物,或者金属流线在加工中被切断,都会引起耐腐蚀性降低,在材料表面形成“黑点”。(6)退火力学性能对疲劳强度的无关影响。轴承钢的疲劳强度与退火状态下的力学性能之间几乎无相关性,因此对交货状态下的热轧材等,一般需要检测的内容很少。一些检测项目,如对热轧退火料抽检硬度等,只是为了保证其工艺性能(如良好的切削性能),而不是其机械强度和疲劳性能。2.3影响轴承的长期寿命2.3.1缺陷的基本表现(1)氧含量。非金属夹杂物中对轴承疲劳寿命危害最大的是氧化物系夹杂物,氧含量越高,不仅造成氧化物夹杂数量增多,而且尺寸增大,对疲劳寿命的危害也就显著加剧。因此,最直接的手段就是控制钢中的氧含量。但氧含量降至一定水平(如低于6×10-6)后,继续降低氧含量对疲劳寿命的提高作用不明显,所以氧含量并非越低越好,而是应有一个基于试验分析验证的科学认识。在氧化物夹杂中,其中D类(球状不变形氧化物)夹杂物比B类(氧化铝)夹杂物对疲劳寿命更为有害。(2)钛含量。钛属于残余元素,含量很低,过去在标准中没有明确规定其控制指标。但研究发现,钛型夹杂物危害很大,因为碳氮化钛、氮化钛等夹杂物具有很高的刚性,并在几何形状上呈棱角状,因而极易造成应力集中,诱发疲劳裂纹。另外,氮化钛比氧化物更容易产生偏析。因此,现在高质量轴承钢都增加了对钛含量的规定,通常要求小于30×10-6,先进水平可达6×10-6左右。(3)硫含量。有关硫含量的影响一直存在着两个方面不同的看法。一方面认为硫化物较软,几何形状一般呈椭球状,而且能够包裹危害较大的氧化物形成共生夹杂,使拉应力松弛即产生裂纹的倾向性降低,故对疲劳寿命的不利影响很小甚至还可能有益,可以对硫含量从宽控制;另一方面也发现,在氧和钛元素含量均较低(氧含量小于10×10-6和钛含量小于30×10-6)时,硫含量高时将对轴承疲劳寿命产生不利影响,而且随着硫含量的降低,对氧含量的降低也比较容易控制,因此还是应从严控制。(4)高纯净度钢的寿命离散性及可靠性。氧含量降至10×10-6甚至是6×10-6以下的高纯净度钢,其疲劳寿命分散性会更大,有时会严重影响对可靠性水平的控制。这是由于尽管钢中的非金属夹杂物等缺陷很少,但若出现在工作表面上或最大应力的次表面区域中,将导致轴承很快出现早期疲劳剥落。这其中,所存在的极少量的大尺寸非金属夹杂物(实质是在非金属夹杂物周围形成的疲劳损伤区域中的裂纹长度),对于无异物混入的清洁润滑环境下工作的轴承而言,更是主要原因。因此,采用新的夹杂物评定方法,如极值统计法来替代原ASTME45法等,以改善炼钢工艺技术,控制非金属夹杂物的数量、尺寸和分布,尤其是控制大尺寸夹杂物的数量及出现在工作表面上的概率,对于显著减小轴承寿命的离散性,即提高轴承寿命的可靠性是非常有效的。2.3.2细化碳化物、基层材料、热处理与比对除非金属夹杂物外,接触疲劳寿命对钢的组织均匀性也非常敏感,粗大碳化物同样是产生疲劳剥落的优先源区。在氧含量及氧化物夹杂含量极低的高纯净钢中,这一影响尤其突出。因此,应采用多种措施来细化均匀碳化物,如电磁搅拌、均匀化(高温扩散)退火、控轧控冷、可控气氛连续球化退火等。压缩比也是保证碳化物细化均匀、提高材料致密度、改善材料力学性能和疲劳强度的一个重要手段。轴承钢坯,尤其是对于连铸坯,需要加大压缩比来改善其心部缺陷。如对于普通碳素钢的连铸坯,压缩比为4~6时就可满足要求;对于优质碳素钢、合金钢连铸坯,最小压缩比不低于10即可;但对于轴承钢连铸坯,套圈用料一般需保证压缩比为12~15,滚动体用料达30~50,要求更严格的为:套圈用料压缩比15以上,滚动体用料压缩比50以上(有的可达到65)。2.3.3中心偏析和松茸轴承钢的主流生产工艺流程已从模铸钢走向连铸钢,但连铸钢存在的一个最大问题就是中心偏析和疏松。中心偏析和疏松对于套圈、滚子等零件影响不大,但对于料芯部位仍不可避免地处于工作表面的钢球就十分有害。采用轻压下技术,同时配备中间包等离子加热和电磁搅拌等技术,确保最佳工艺条件下的最佳压下位置,对改善中心偏析与疏松的效果最为显著。2.3.4金属线金属纤维流线应致密,还应尽量保证与滚动表面平行,特别应控制流线断头不能垂直露出工作表面,否则将降低轴承的疲劳寿命。2.3.5控制退火组织的检测锻造加工后退火组织的金相显微镜检查的放大倍数通常规定为500倍,为了严格控制退火组织,保证其为细小均匀的球化组织,避免片状碳化物存在,应在1000倍下进行检查评定。2.3.6高硬度及低硬度热处理后的表面硬度不仅仅是达到标准要求范围,而是要关注轴承套圈与滚动体的匹配问题。滚动体的硬度应控制在范围上限,而套圈的硬度应控制在范围下限,以保证滚动体的硬度高于套圈1~2HRC,使轴承在运转中,尺寸与形状精度更高的滚动体可以对滚道起到“冷辗整形”作用,进一步提高轴承的疲劳寿命。高硬度要求———精密轴承的应用场合一般是轻载高速,磨损寿命是主要评价指标,因此硬度可偏于范围上限。低硬度要求———用于冲击、重载等工况条件,如轧机、离心浇铸机及石油钻机等配套轴承,断裂比疲劳和磨损等危害更大。因此其硬度应偏于范围下限,甚至可牺牲疲劳性能,降低至58HRC以下。2.3.7表面元素组成对残余应力集中效应的影响轴承钢常规热处理后残余奥氏体在9%左右时最有利于轴承力学性能和疲劳强度的提高。但在齿轮箱等具有大量污染颗粒的条件下,在工作表面层保留稳定的残余奥氏体为30%~35%时,可以利用奥氏体易变形的特点来降低接触压痕边缘的应力集中效应,使表面疲劳源不易形成及扩展,从而提高轴承的疲劳寿命。3国产轴承钢材质所限,造成材料供应存在的问题目前我国轴承钢年产量世界第一,材质水平也取得了显著的进步,如兴澄特钢、宝钢特钢、北满特钢等都先后通过SKF,FAG,NSK和Timken等国际著名轴承公司的认证,已经成为其材料供应商。但是,与国际先进水平相比,仍存在很大差距,主要表现在以下方面:(1)氧含量较高(国外普遍在3×10-6~8×10-6,国内平均为9×10-6),尤其是波动偏差较大(国外约为0.6×10-6,国内约为2×10-6);(2)微观夹杂物颗粒较集中、较大且较多(数量达国外几倍),宏观夹杂物出现率较高;(3)碳化物颗粒的平均直径及最大直径均较大(大颗粒碳化物所占比例约为国外3倍),且分布不均匀;(4)碳化物带状和网状评级较高,尤其是碳化物液析较严重(国外一般无液析);(5)表面脱碳严重,表面缺陷较多。由于国产轴承钢的材质水平所限,即使成为国际著名轴承公司材料供应商,也存在着是进入主要供应商序列还是仅仅作为补充供货,是仅供应其在华投资企业或亚太市场还是可以供应其全球企业等限制性问题。尽管国产轴承钢的材质水平良莠不齐,但由于近一阶段又多处于卖方市场,致使很多劣质钢材都流入轴承生产环节,尤其是进入到没有钢材进厂检验手段的中小轴承企业,“退货不合格的轴承钢材没有回炉重炼的”是钢铁企业和轴承企业都完全知晓的公开秘密。这样的结果反映在轴承质量水平上就是长期在低位徘徊,以近年来国家监督抽查结果为例,平均合格率不到70%,2010年更是由往年合格率75%以上陡降至68%,其中轴承寿命未到达额定寿命是主因之一,而进口钢材制造轴承的寿命则是国产钢材制造轴承的几倍甚至十几倍。差距存在的原因主要可归结为以下两方面。(1)轴承钢标准内容较落后。如国家标准GB/T18254—2002与国外先进企业标准SKFD33-1相比,对有害元素含量未做限制,宏观夹杂物未列为必检项目,微观夹杂物中的氮化钛及碳氮化钛不评级,热轧材不要求检查碳化物网状,表面缺陷没有规定用无损探伤检查而仅用目视检查,表面脱碳层、尺寸和形状公差均控制较松等。(2)工艺技术和装备水平参差不齐。如很少采用多级电磁搅拌,连铸坯中心偏析比较严重;有些企业的连铸坯尺寸小,导致轧制比不够;很多企业为降低成本不进行高温扩散退火或减少其时间,碳化物不均匀性问题突