限制淬透性轴承钢在大型滚子制造中的应用
发布时间：2015-11-13扈林庄1，余醒言2，雷建中1，张延芳1，逯红兵1
（1.洛阳轴承研究所，河南洛阳 471039；2.浙江方正校准集团，浙江杭州 310013）
摘 要：对大型滚子制造用GCr4与GCr15SiMn、G20Cr2Ni4A材料的接触疲劳寿命、冲击韧度、压碎载荷等进行了对比试验，经过优化热处理工艺处理的GCr4滚子具有表面硬，心部软、韧且表面残余压应力较高的特点。利用该钢制造的大型滚子，质优价廉，材料热处理的成本可大幅度降低。
关键词：滚动轴承；滚子；限制淬透性钢；接触疲劳；寿命；冲击韧度
通过对限制淬透性轴承钢的试验研究与应用，大型滚子经特殊热处理，可实现零件表面硬，心部软、韧且表面残留较高的压应力状态，以较低的材料费用和热处理成本实现提高材料冲击韧度、断裂韧度的目的。实用结果表明：限制淬透性钢（GCr4）具有价廉质优的特点，可替代合金渗碳钢用于制造矿山冶金机械轴承及轧机轴承用滚子，并获得明显的经济效益和社会效益。
1 试验材料及试验过程
选取矿山冶金、轧机轴承大型滚子常用材料GCr15SiMn、G20Cr2Ni4A作为对比钢种，和试验用限制淬透性钢GCr4分别加工3组滚子进行试验研究。试验用GCr15SiMn、G20Cr2Ni4A和GCr4钢的化学成分见表1。
试验用料GCr4、GCr15SiMn按GB/T18254-2000，G20Cr2Ni4A按GB/3203-1982进行检验，其低倍组织、非金属夹杂和碳化物不均匀性等均符合标准相关规定。
2 GCr4钢滚子热处理后的性能
轧机轴承、矿山机械轴承常用滚子直径范围在Ф30～80mm之间。根据滚动轴承零件渗碳热处理技术条件（JB/T8881-2001）的规定，Ф30～80mm滚子的有效硬化层深度应在2.5～3.5mm，表面硬度58～63HRC，心部硬度32～48HRC。渗碳钢滚子（G20Cr2Ni4A）满足上述要求。因此GCr4钢制滚子（Ф30～80mm）经热处理后也应具有与渗碳钢滚子相当的有效硬化层深度、表面硬度、心部硬度，才能获得良好的强韧性配合，在冲击载荷条件下具有与渗碳钢相当的使用寿命。
不同规格GCr4滚子热处理后的硬化层深度及硬度见表2，淬硬层的硬度分布情况见图1。
表层组织为隐晶、针状马氏体、碳化物和少量残余奥氏体；心部组织为屈氏体和索氏体；表面残余应力为-485～-310MPa；表面残余奥氏体为7.1%～9.2%。
通过对限制淬透性GCr4钢滚子的金相组织和硬度的检验可以看出，通过特殊热处理工艺可获得与渗碳钢相当的硬化层深度、表面硬度和心部硬度。
3 性能对比试验结果
3.1冲击韧度试验
冲击韧度试样的尺寸为：10mm×10mm×55mm无缺口试样，试样经热处理淬回火后，3种材料各加工3件试样，在室温下用JB1230A型冲击试验机进行试验，αk值取算术平均值，对比结果见表3。
3.2接触疲劳寿命对比试验
3组接触疲劳寿命试验在TLP型接触试验机上交叉进行，每个钢种各16个试样（Ф52mm×30mm×8mm推力片），试验条件：转速2040r/min；钢球15粒；接触应力4018MPa；应力循环次数20400次/min。
N32机油循环润滑，当试样出现接触疲劳破坏时停机，试验数据按Weibull数理统计方法处理。对比试验结果见表4。
3.3滚子的压碎载荷试验
压碎载荷试验在100kN液压万能材料试验机上进行，每组各3个热处理后试样（空心滚子Φ35mm×Φ10mm×35mm）进行3组试验，结果见表5。
4 试验结果分析
由以上性能试验结果可以看出，GCr4钢制滚子的抗压碎能力比同规格GCr15SiMn滚子提高20%以上，与渗碳钢G20Cr2Ni4A相近。GCr4钢接触疲劳寿命L10比GCr15SiMn略优，中值寿命L50比GCr15SiMn高21%，与G20Cr2Ni4A相比差别不大。GCr4钢的耐冲击韧度与GCr15SiMn相比，在常温下提高60%以上，与G20Cr2Ni4A的冲击韧度相当。
GCr4钢热处理后，其残余应力分布特性与GCr15SiMn钢相反，即GCr4钢表面与硬化层具有很高的残余压应力，心部为拉应力，这对提高GCr4滚子的接触疲劳强度、缓解裂纹的扩展、提高断裂韧度极为有利[1]。GCr4的断裂韧度比GCr15提高67%[2]。从GCr4试样滚道面下0.2mm处和试样中心部位沿平行滚道面方向分别取样作金相、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）薄膜试片，进行组织和显微亚结构观察分析。表层组织为隐晶和细小针状马氏体+残留碳化物+少量残余奥氏体，其碳化物颗粒细小、分布均匀，马氏体亚结构以孪晶型为主，硬度高；心部为片状屈氏体和索氏体，韧性好。这种组织结构与渗碳钢经热处理后相似，其冲击韧度明显优于全淬透的GCr15SiMn钢，因此GCr4钢可以替代G20Cr2Ni4A钢和G20CrNiMo钢用于生产部分轧机轴承和其他耐冲击载荷轴承[2]。
5 应用效果及成本分析
5.1应用效果
将GCr4钢制滚子（Ф75mm×Ф12mm×75mm）应用于轧机轴承，经某公司近1年的使用证明，GCr4钢制滚子达到了与G20Cr2Ni4A钢制滚子相当的使用寿命。
5.2生产成本
限制淬透性GCr4钢制滚子的材料和热处理成本与全淬透的GCr15SiMn钢制滚子相近，但使用寿命大幅度提高，与高合金渗碳钢G20Cr2Ni4A制滚子相比，材料成本可节约1/2左右，因为不必进行高温（900℃以上）长时间（25h）渗碳高温回火等热处理，热处理成本大幅度降低。以Ф55mm×Ф10mm×55mm滚子为例（有效硬化层3.0mm），每吨可节电4000kW•h以上，节约甲醇350kg、丙烷30kg。按目前热处理市场价格计算，GCr4钢制滚子比G20Cr2Ni4A钢制滚子在材料和热处理费用上每吨可节约7000元以上，而使用性能及寿命与G20Cr2Ni4A钢制滚子相当。
6 结束语
（1）GCr4钢制滚子（Ф35～80mm）经特殊热处理后可以达到强韧性的理想配合，表面硬度为60～63.5HRC，心部硬度为40～45HRC，硬化层深度达2.9～3.5mm，表面组织主要为隐晶和细小针状马氏体，心部为屈氏体组织。
（2）GCr4钢制滚子抗压碎能力比同规格GCr15SiMn滚子提高20%以上，与渗碳钢G20Cr2Ni4A相近。GCr4钢接触疲劳寿命L10比GCr15SiMn略优，中值寿命L50比GCr15SiMn高21%，与G20Cr2Ni4A相比差别不大。
（3）GCr4钢耐冲击韧度与GCr15SiMn相比，在常温下提高60%以上，与G20Cr2Ni4A冲击韧度相当。
（4）GCr4钢制滚子与GCr15SiMn材料、热处理成本相近，但使用寿命却大幅度提高。与G20Cr2Ni4A相比，其材料、热处理的成本可大幅度降低，实际使用性能及寿命与G20Cr2Ni4A钢制滚子相当，具有很好的推广应用前景。
参考文献：
[1]刘耀中，刘家文.国外轴承热处理[M].洛阳：洛阳轴承研究所，2001.
[2]范崇惠.限制淬透性轴承钢应用技术的研究[R].洛阳：洛阳轴承研究所.
6 结束语
（1）GCr4钢制滚子（Ф35～80mm）经特殊热处理后可以达到强韧性的理想配合，表面硬度为60～63.5HRC，心部硬度为40～45HRC，硬化层深度达2.9～3.5mm，表面组织主要为隐晶和细小针状马氏体，心部为屈氏体组织。
（2）GCr4钢制滚子抗压碎能力比同规格GCr15SiMn滚子提高20%以上，与渗碳钢G20Cr2Ni4A相近。GCr4钢接触疲劳寿命L10比GCr15SiMn略优，中值寿命L50比GCr15SiMn高21%，与G20Cr2Ni4A相比差别不大。
（3）GCr4钢耐冲击韧度与GCr15SiMn相比，在常温下提高60%以上，与G20Cr2Ni4A冲击韧度相当。
（4）GCr4钢制滚子与GCr15SiMn材料、热处理成本相近，但使用寿命却大幅度提高。与G20Cr2Ni4A相比，其材料、热处理的成本可大幅度降低，实际使用性能及寿命与G20Cr2Ni4A钢制滚子相当，具有很好的推广应用前景。
参考文献：
[1]刘耀中，刘家文.国外轴承热处理[M].洛阳：洛阳轴承研究所，2001.
[2]范崇惠.限制淬透性轴承钢应用技术的研究[R].洛阳：洛阳轴承研究所.
来源：《轴承》2006年11期