滚动轴承零件材料及热处理工艺

滚动轴承零件材料及热处理工艺主讲人:李文琴讲义内容:第一部分滚动轴承零件的材料第二部分铬轴承钢轴承零件的热处理第三部分渗碳钢轴承零件的热处理第四部分简述轴承零件热处理的加工设备第一部分滚动轴承零件的材料滚动轴承是广泛应用于各类机械中的重要基础件,其品种和规格有数万种之多。滚动轴承由内、外套圈、滚动体和保持架四部分组成。滚动轴承及其零件绝大多数由钢制成，滚动轴承用钢通常是高碳铬轴承钢和渗碳钢。随着近代科学技术的发展和滚动轴承使用量日益增加，对轴承的要求越来越高，如高精度、长寿命及高可靠性等，对于一些特殊用途轴承，还要求轴承材料具有耐高温、抗腐蚀、无磁性、超高温、抗辐射等性能。所以轴承材料还包括合金材料、有色金属、和非金属材料。一、滚动轴承对材料的基本性能要求由于使用滚动轴承的机械及工作环境千差万别。滚动轴承零件(套圈和滚动体)要在拉伸、冲击、压缩、弯曲、剪切等交变复杂应力状态下长期工作。一般情况下，轴承的主要破坏形式是在交变应力作用下的疲劳剥落，以及由于摩擦磨损而使轴承精度丧失。此外，还有裂纹压痕锈蚀等原因造成轴承的非正常破坏。所以就要求滚动轴承应具有高的抗塑性变形能力，少的摩擦磨损，良好的旋转精度，良好的尺寸精度和稳定性，以及长的接触疲劳寿命。而且其中很多性能是有材料和热处理工艺共同决定的。因此要求制造滚动轴承零件的材料经过后工序的热处理后具有下列性能：⒈高的接触疲劳强度滚动体在轴承内外圈的滚道间滚动时，接触部分承受周期负荷，多数每分钟可达数万次。在周期负荷的作用下，表层发生疲劳破坏，即出现龟裂剥落。开始出现剥落后的轴承噪音、振动要增大，工作温度不断上升，以致最后不能使用。接触疲劳破坏是轴承正常破坏的主要特征。⒉高的耐磨性滚动轴承工作时，除了发生滚动摩擦外，在滚动体与套圈的滚动接触面；滚动体与保持架兜孔的接触面；保持架引导和套圈挡边引导的接面；滚子端面和套圈挡边的接触面，都会发生滑动摩擦。滚动轴承工作时，轴承零件产生摩擦是不可避免的。若轴承材料的耐磨性差，轴承便会过早出现磨损，造成轴承精度丧失，振动增加。旋转精度下降，降低轴承寿命。⒊高的弹性极限滚动轴承工作时，滚动体与内、外套圈的接触面积很小，但承受负荷大。为了防止在高负荷作用下发生过大的塑性变形，以致破坏轴承的精度和引起表面裂纹，所以要求轴承材料具有高的弹性极限。⒋适宜的硬度硬度是滚动轴承的重要指标之一。它与材料接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限有着密切的关系，直接影响滚动轴承的寿命。滚动轴承用钢的硬度要适宜，过大或过小都将影响使用寿命因此硬度是轴承质量的关键指标之一。⒌一定的韧性很多轴承在使用时承受冲出负荷，尤其是轧钢机上使用的压下轴承。因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因承受冲出负荷而破坏。对于承受较大冲击载荷的轴承如轧机轴承铁路轴承等要求材料具有相对较高的冲击韧性和断裂韧性，这些轴承有的用贝氏体淬火热处理工艺，有的用渗碳钢材料，就是为了保证这些轴承具有较好的冲击韧性。6.良好的尺寸稳定性滚动轴承系精密的机械零件，其精度是以微米为计算单位的。在长期的保存和使用中，因内在组织发生变化或应力变化会引起尺寸发生变化，导致轴承丧失精度。这就要求轴承用钢应具有较好的尺寸稳定性。7.一定的防锈性能滚动轴承的生产工序繁多，周期长，而成品亦需长期存放，故要求制造轴承用钢应具有一定的防锈性能，以便轴承零件在生产流程中和轴承保存期间不致锈蚀。8.良好的工艺性能轴承生产过程中，要经过很多道冷、热加工工序。要求轴承应具有良好的工艺性能，如：冷、热成型性能；切削性能；磨削性能；热处理性能等，以便适应大批量、高效率、高质量的生产需要。另外对于特殊工作条件下使用的轴承，对其用钢还必须提出相应的特殊性能要求如耐高温性能、抗腐蚀性能等等。二、滚动轴承常用材料和性能目前滚动轴承套圈和滚动体常用的钢种有高碳铬轴承钢，渗碳轴承钢、耐腐蚀轴承钢、高温轴承钢、防磁轴承钢和中碳合金钢。我国生产的铬轴承钢牌号及其化学成份见下表。轴承钢牌号及化学成份%PSNiCu牌号CSiMnCrMo不大于GCr40.95～1.050.15～0.300.15～0.300.35～0.50≤0.080.0250.0200.250.20GCr150.95～1.050.15～0.350.25～0.451.40～1.65≤0.100.0250.0250.300.25GCr15SiMn0.95～1.050.45～0.750.95～1.251.40～1.65≤0.100.0250.0250.300.25GCr15SiMo0.95～1.050.65～0.850.20～0.401.40～1.700.30～0.400.0270.0200.300.25GCr18Mo0.95～1.050.20～0.400.25～0.401.65～1.950.15～0.250.0250.0200.250.25表9—1常用渗碳轴承钢的化学成分及用途化学成分%钢号CSiMnCrNiMoCuPS用途G20CrNiMo0.17～0.230.15～0.400.60～0.900.35～0.650.40～0.700.15～0.30≤0.25≤0.03≤0.03制造冲击负荷较大的中小型轴承零件G20CrNi2Mo0.17～0.230.15～0.400.40～0.700.35～0.651.60～2.000.20～0.30≤0.25≤0.03≤0.03制造冲击负荷较大的中小型轴承零件G20CrMo0.17～0.230.20～0.350.65～0.950.35～0.65—0.08～0.15≤0.25≤0.03≤0.03制造冲击负荷较大的中小型轴承零件G20Cr2Ni40.17～0.230.15～0.400.30～0.601.25～1.753.25～3.75—≤0.25≤0.03≤0.03制造高冲击载荷的特大型和中小型轴承零件G10CrNi3Mo0.08～0.130.15～0.400.40～0.701.00～1.403.00～3.500.08～0.15≤0.25≤0.03≤0.03制造高冲击载荷的特大型和中小型轴承零件G20Cr2Mn2Mo0.17～0.230.15～0.401.30～1.601.70～2.00≤0.300.20～0.30≤0.25≤0.03≤0.03制造高冲击载荷的特大型和中小型轴承零件1.高碳铬轴承钢在GB/T18254《高碳铬轴承钢》标准中，高碳铬轴承钢GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo几种。目前，轴承行业普遍使用的主要是GCr15、GCr15SiMn两种材料，是轴承钢总量的80%以上。GCr15钢大量用来制造汽车、拖拉机等所使用的发动机轴承，机床、电机等所使用的主轴轴承以及铁路车辆、矿山机械、通用机械用轴承。GCr15SiMn、GCr15SiMo主要用于制造壁厚比较大的轴承。GCr15SiMn适用于制造壁厚在15mm---35mm范围内的轴承，GCr15SiMo适用于制造壁厚大于35mm尺寸的轴承。如各种大型和特大型轴承，多用在重型机床及轧钢机无较大冲击载荷的工作条件下。GCr4轴承钢是限制淬透性钢，即经过合适的热处理可得到表面硬心部软的硬度匹配，具有良好的耐磨性，抗冲击性和断裂韧性及高的接触疲劳寿命。GCr18Mo淬透性比较高，其性能比GCr15SiMn钢优越，可在铁路轴承、轧机轴承、矿山机械轴承上代替GCr15SiMn。它还是一种被广泛用于贝氏体处理的轴承钢，用于制造高速列车、矿山和冶金机械轴承。2.渗碳轴承钢常用的渗碳轴承钢有G20Cr2Ni4A、G20CrNi2MoA、G20CrNiMoA。用于制造承受冲击载荷较大的汽车、铁路货车轴承、轧机轴承等。渗碳轴承钢实际上是低碳优质合金结构钢，含有较低的碳和一定量的合金元素。经渗碳淬火回火等热处理工序后，表面硬度为58—62HRC心部25—45HRC。表面耐磨性较好，且心部又具有良好的韧性。用这类钢制造的轴承，即可以承受较大的冲击载荷，又具有较高的耐磨性和抗接触疲劳强度。三、滚动轴承用钢冶炼质量的基本要求：滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶金质量有着密切的关系。由于轴承钢所具有的特性，对冶金质量的要求比一般工业用钢要严格得多。1.严格的化学成分要求:一般轴承用钢主要是高碳铬钢即含碳量是1%左右，加入1.5%左右的铬，并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。铬可以改善热处理性能，提高淬透性，组织均匀性，回火稳定性又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。但当铬含量超过1.65%时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。为此，高碳铬钢中的含铬量一般控制在1.65%。只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得轴承性能组织和硬度。2.高精度的尺寸要求3.特别严格的纯洁度要求：钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。轴承钢中的氧化物，硅酸盐等有夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落，显著降低轴承寿命的主要原因，特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中，容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此为了提高轴承的使用寿命和可靠性必须降低轴承钢中夹杂物的含量。4.严格的低倍组织和显微（高倍）组织要求:轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析，显微组织包括钢的退火组织碳化物网状、带状和液析等。碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。低高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响，所以，在轴承材料标准中对低高倍组织有着严格的要求。5.特别严格的表面缺陷和内部缺陷要求：对轴承钢而言，表面缺陷包括裂纹夹渣、毛刺、结疤，氧化皮等，内部缺陷包括缩孔，气泡白点严重的疏松和偏析等。这些缺陷对于轴承的加工轴承的性能和寿命有很大的影响在轴承材料中明确规定不允许出现这些缺陷。6.特别严格的碳化物不均匀性要求：在轴承钢中，如果出现严重的碳化物分布的不均匀，则在热处理加工过程中就容易造成组织和硬度的不均匀，钢的组织不均匀性对接触疲劳强度有较大的影响。另外严重的碳化物不均匀性容易使轴承零件在淬火冷却时产生裂纹，碳化物不均匀性还会导致轴承的寿命降低。因此，在轴承材料标准中，对不同规格的钢材均有明确的特别要求。7.特别严格的表面脱碳层要求：在轴承材料标准中对钢材表面脱碳层有着严格的规定，如果表面脱碳层超过标准的规定范围，且在热处理前的加工过程中又没有将其全部清除掉，则在热处理淬火过程中就容易产生淬火裂纹，造成零件的报废。第二部分铬轴承钢制轴承零件的热处理铬轴承钢的热处理按加工工艺的不同，可分为正火、退火、淬火、冷处理、回火等五种加工方法，下面分别叙述。（一）铬轴承钢的正火一正火的目的⒈消除网状碳化物及线条状组织⒉返修退火的不合格品⒊为满足特殊性能要求的需要⒋为退火做好组织准备二正火工艺规范的确定⒈加热温度正火加热温度主要依据正火目的和正火前零件的组织状况来确定。消除粗大网状碳化物，正火温度选用930～950℃；若一次正火不能消除粗大网状碳化物，可按相同温度进行第二次正火；消除不太粗的网状碳化物及退火过热组织，正火温度选用900～920℃；细化组织的正火则采用890～900℃。⒉保温时间在正常正火温度下，一般经30分钟保温，其目的是使轴承钢中剩余碳化物基本溶入奥氏体中。但还应根据实际生产中的零件大小、批量、加热方式、装炉方法等情况进行调整。⒊冷却速度正火冷却过程中，如冷却速度过慢非但不能改善组织，而且会再次析出网状碳化物；冷却速度过大，将会出现大量马氏体组织及因应力过大而产生的裂纹。故轴承钢正火冷却速度不应小于50℃/分。正火后，应立即进行退火，若不能，则应先进行400～600℃回火，以消除应力。三正火组织铬轴承钢正火后的显微组织为索氏体。（二）铬轴承钢的退火一铬轴承钢退火的种类1去应力退火：2再结晶退火：3球化退火：二球化退火的目的⒈获得均匀