高性能轴承钢的开发与试验分析

　　摘　要：针对GCr15钢经常出现一定粗大的共晶碳化物，从而造成其疲劳寿命和强韧性显著降低的弊端，开发了高性能轴承钢。与GCr15钢相比，其C、Cr含量有所降低，Mn和Si含量有所提高。由试验分析得知，高性能轴承钢的碳化物分布较为均匀，其冲击韧度比GCr15钢提高了33%以上，接触疲劳寿命也有所提高。
　　关键词：滚动轴承；轴承钢；接触疲劳；碳化物；寿命
　　GCr15钢是一百多年来各国使用Z多的轴承钢种，其具有硬度高、耐磨性好及良好的抗疲劳性能，但GCr15钢的结晶组织中有一定粗大的共晶碳化物，往往造成钢的接触疲劳寿命和强韧性显著降低，故需对钢进行长时间高温扩散退火处理，使共晶碳化物固溶后再进行热加工。目前我国生产的连铸GCr15轴承钢由于受生产设备的限制，高温扩散退火时间远远不足，故轴承钢的带状碳化物往往都在GB/T 18254-2002标准要求的上限，甚至严重超标，严重制约着我国轴承的使用寿命和可靠性。
　　为了改善目前我国GCr15钢经常出现的严重带状碳化物，提高碳化物的均匀性，降低生产成本，开发了高性能轴承钢。
　　1　试验用材料
　　1.1 化学成分
　　本项目研制的高性能轴承钢采用50kg电炉冶炼，其化学成分见表1。高性能轴承钢与GCr15钢相比，除C含量略微降低外，Cr含量也大大降低，而Mn和Si含量则有不同程度的提高。 　　1.2 材料冶金质量
　　试验用热轧未退火高性能轴承钢与GCr15轴承钢冶金质量均符合GB/T 18254标准要求。经观察200个视场统计结果可知，高性能轴承钢B类及D类脆性夹杂物的数量要比GCr15轴承钢略多，但碳化物分布比较均匀，带状碳化物小于2级，而GCr15轴承钢带状碳化物则达3级（GB/T 18254-2002标准规定的上限），两种钢碳化物照片见图1。在相同冶炼条件下，高性能轴承钢比GCr15轴承钢碳化物的均匀性好。 　　2　碳化物颗粒大小及形态分析
　　用图像分析仪（放大1000倍）对淬回火后金相试样的碳化物颗粒进行测量，结果见图2、图3和表2。由检验结果知，高性能轴承钢与GCr15轴承钢碳化物尺寸比较接近，但高性能轴承钢碳化物颗粒总数少，主要是由于高性能轴承钢的含碳量比GCr15轴承钢低0.2%以上。

图3 高性能轴承钢破化物颗粒尺寸分布图
表2 两种轴承钢碳化物尺寸

　　3　性能试验结果
　　3.1 淬透性试验
　　将高性能轴承钢加工成厚度分别为8、12和15mm的试样，在N32机械油中进行淬透性试验。结果表明，15 mm厚的高性能轴承钢仍能淬透，其心部硬度达61HRC以上，与其表面硬度基本一致，心部也未发现屈氏体组织存在，可见其淬透性与GCr15轴承钢相当。
　　3.2 冲击韧度试验
　　高性能轴承钢与GCr15轴承钢淬回火后的冲击韧度试验结果见表3。高性能轴承钢与GCr15轴承钢相比，冲击韧度提高33%以上。高性能轴承钢因含碳量低于GCr15钢，淬回火组织中板条马氏体数量较多，韧度好，故冲击韧度得以大幅度的提高。

表3 冲击韧度 J/cm²

　　4　接触疲劳寿命试验
　　接触疲劳寿命试验在TLP接触疲劳试验机上进行，试验Z大接触应力为4508MPa，主轴转速为2040r/min。其接触疲劳寿命结果见表4。高性能轴承钢比GCr15轴承钢额定寿命L₁₀提高6%，中值寿命L₅₀提高21%。

表4 接触疲劳寿命

　　5　试验结果分析
　　5.1 高性能轴承钢化学成分分析
　　高性能轴承钢是为了解决高碳铬轴承钢碳化物分布不均匀、节约铬资源而采取降低碳和铬含量而研制的改型轴承钢。将碳含量降低到0.70%-0.80% ，使得碳化物偏析减少，带状碳化物级数降低，可降低生产成本，提高轴承的疲劳寿命。
　　铬是碳化物形成元素，主要作用是提高钢的淬透性和耐腐蚀性，但铬含量的降低也使球化退火的温度范围变窄，故球化退火温度应严格控制。在高碳铬轴承钢中，锰是作为脱氧元素，而在高性能轴承钢中，锰是作为合金元素加入的。钢中加入少量的锰能提高钢的淬透性和纯洁度，当锰含量达1.00%-1.20%时，钢的强度随锰含量增加而继续提高，且塑性不受影响，若锰含量过高，会使钢中残余奥氏体增加，钢的过热敏感性和裂纹倾向性增加。另外增加硅含量也可提高钢的强度，改善抗回火软化的性能。但硅应控制在0.80%以下，以免影响钢在球化退火状态下的切削和冷加工性能。
　　5.2 高性能轴承钢接触疲劳寿命分析
　　试验证明；高性能轴承钢与GCr15轴承钢相比接触疲劳寿命略高。这主要与钢中碳化物分布均匀性有关。高性能轴承钢的研制关键是降低了碳含量，从而改善了带状碳化物，其带状碳化物小于2级，而GCr15轴承钢带状碳化物已达3级。如果采取措施，改善高性能轴承钢的纯洁度，接触疲劳寿命将比GCr15钢更高。
　　6　结论
　　（1）高性能轴承钢与GCr15轴承钢碳化物颗粒大小接近，但带状碳化物明显改善。
　　（2）高性能轴承钢的淬透性与GCr15轴承钢相当。
　　（3）高性能轴承钢的冲击韧度比GGr15轴承钢提高33%以上。
　　（4）高性能轴承钢的接触疲劳寿命略高于GCr15轴承钢，额定寿命L₁₀提高6%，中值寿命L₅₀提高21%。