轴承钢是用来制造球、滚子和轴承环的钢。轴承在工作时承受很大的压力和摩擦,因此要求轴承钢具有高而均匀的硬度、耐磨性和高弹性极限。对化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布以及碳化物的分布要求非常严格,是所有钢铁生产中最严格的钢种之一。
1976年,ISO将一些常见的轴承钢牌号纳入国际标准,将轴承钢分为四类:全硬化轴承钢、表面硬化轴承钢、不锈钢轴承钢和高温轴承钢,共17个钢种。一些国家已经添加了特殊用途的轴承钢或合金。我国已纳入标准的轴承钢分类方法与ISO相似,对应四大类:高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈钢耐蚀轴承钢、高温轴承钢。
近50年来,我国在轴承钢牌号和轴承材料方面取得了长足的进步,如无铬轴承钢、中碳轴承钢、特殊用途轴承钢及合金、金属陶瓷等。
GCr15是一种高碳铬轴承钢,是世界上产量最大的轴承钢,含碳量约1% Wc,含铬量约1.5% Wcr。自1901年诞生以来,100多年来,其主要组成部分基本保持不变。随着科学技术的进步,研究工作不断进行,产品质量不断提高,占世界轴承钢总产量的80%以上。所以我们现在说的轴承钢,如果没有特别的解释,就是GCr15。
轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和套圈。由于轴承应具有长寿命、高精度、低热值、高速、高刚性、低噪声、高耐磨性的特点,因此要求轴承钢在大气润滑剂中具有高硬度、均匀硬度、高弹性极限、高接触疲劳强度、必要的韧性、一定的淬透性和耐腐蚀性。
如何获得球化组织是轴承钢生产中的重要问题,控制轧制和控制冷却是先进轴承钢的重要生产工艺。通过控轧或轧后快速冷却消除网状碳化物,获得合适的初步组织,可缩短轴承钢球退火时间,细化碳化物,提高疲劳寿命。
近年来,俄罗斯和日本采用低温控制轧制,轧制后采用空冷短时退火,或完全取消球化退火工艺,可获得合格的轴承钢组织。
轴承钢的650℃温加工也是一项新技术。如果共析钢或高碳钢在热加工前具有细晶组织或在加工过程中能够形成细晶,则在熔化温度范围内以一定的应变速率表现出超塑性。
美国海军学院对5 2100钢进行了650℃温加工试验,结果表明,650℃真应变在2.5时没有断裂。因此,可以用650℃温加工代替高温加工,并与球化退火工艺相结合,这对简化设备和工艺、节约能源、提高质量具有重要意义。
在热处理方面,在提高球化退火质量、获得细小、均匀的球状碳化物、缩短退火时间或取消球化退火工艺等方面取得了进展,即线材生产采用二次组织退火,拉拔后720℃ ~ 730℃再结晶退火改为760℃组织退火。这样可以获得硬度低、球化好、无网状碳化物的显微组织,关键是保证中间拉深区压下率≥14%。该工艺使热处理炉的效率提高了25% ~ 30%。连续球化退火热处理技术是轴承钢热处理的发展方向。
各国都在研发新型轴承钢,扩大其应用范围,替代传统轴承钢。比如轴承钢快速渗碳,通过改变化学成分,可以提高渗碳速度,其中碳含量从0.08% ~ 0.20%提高到0.45%左右,渗碳时间从7小时缩短到30分钟。
开发了高频淬火轴承钢。采用普通中碳钢或中碳锰铬钢代替普通轴承钢进行高频加热淬火,既简化了生产工艺,又降低了成本,延长了使用寿命。
日本研制的GCr465和SCM465的疲劳寿命是SUJ2的2 ~ 4倍。由于轴承在高温、腐蚀和苛刻润滑条件下的使用越来越多,以往使用的M50、440C等轴承钢已不能满足要求。迫切需要开发可加工性好、成本低、疲劳寿命长、能适应不同用途和用途的轴承钢,如高温渗碳钢M50NiL、易加工不锈钢轴承钢50X18M和陶瓷轴承材料。
针对GCr15SiMn钢淬透性低的弱点,我国研制了一种高淬透性、高硬化能力的轴承钢GCr15SiMo,硬化能力HRC≥60,淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接触疲劳寿命L10和L50分别比GCr15Si Mn高73%和68%。在相同的使用条件下,G015SiMo钢轴承的使用寿命是GCr15SiMo钢的两倍。
近年来,我国还开发了节能、资源、抗冲击的GCr4轴承钢。与GCr15相比,GCr4的冲击值、断裂韧性和接触疲劳寿命L10分别提高了66% ~ 104%、67%和12%。GCr4钢轴承采用高温加热表面淬火热处理工艺。与全硬化GCr15钢轴承相比,GCr4钢轴承的使用寿命明显延长,可用于重载高速列车轴承。
未来轴承钢将主要向高洁净度和多样化性能两个方向发展。提高轴承钢的洁净度,特别是降低钢中的氧含量,可以明显延长轴承的寿命。
氧含量从28ppm降至5ppm,疲劳寿命可延长一个数量级。为了延长轴承钢的使用寿命,多年来人们一直致力于开发和应用精炼技术来降低钢中的氧含量。经过不懈努力,轴承钢中的最低氧含量已从60年代的28ppm降低到90年代的5ppm。
目前我国轴承钢的最低含氧量可以控制在晚上10点左右。轴承使用环境的变化要求轴承钢具有多样化的性能。如果提高设备转速,需要准高温轴承钢;在腐蚀应用中,有必要开发不锈钢轴承钢;为了简化工艺,应开发高频淬火轴承钢和短时渗碳轴承钢;为了满足航空空航天的需要,应开发高温轴承钢。
结束