滾動軸承用鋼及熱處理工藝

1. 滾動軸承鋼的特點

(1) 滾動軸承鋼的工作條件

滾動軸承工作時，套圈與滾動體之間呈點接觸或線接觸，承受著集中的交變負(fù)荷 ( 有時接觸應(yīng)力可達5000MPa，應(yīng)力交變次數(shù)可達數(shù)十萬次 )。在高速運轉(zhuǎn)中，既有滾動摩擦，也有滑動摩擦，并不時受到?jīng)_擊，還要受到大氣及潤滑劑的腐蝕作用。因此，滾動軸承是在繁重而惡劣的條件下工作的，疲勞剝落和磨損是其主要損壞形式。

(2) 滾動軸承鋼的基本性能要求

1) 高的接觸疲勞強度和高而均勻的硬度及耐磨性。

2) 高的彈性極限和屈服強度，以防止在高載荷下軸承零件發(fā)生過量的塑性變形。

3) 有一定的韌性，以防止受沖擊載荷的破壞。

4) 良好的尺寸穩(wěn)定性，可保證精密軸承在長期存放及使用過程中保持其尺寸精度的定。

5) 一定的抗蝕性，能抵抗大氣及潤滑油的腐蝕。對在特殊條件下工作的軸承，還應(yīng)滿足耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等要求。

(3) 滾動軸承鋼的特點

1) 含碳在0.95%～1.15% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 范圍內(nèi), 鋼中加入的合金元素主要是Cr、Mn、Si、V、Mo和稀土元素等，使鋼具有良好的淬透性及回火穩(wěn)定性，熱處理后具有高的強度、硬度與耐磨性，較好的接觸疲勞強度等。

2) 滾動軸承鋼的純度要求高。鋼中不允許有氧化物、硫化物或其他非金屬夾雜物的聚集，這些聚集物易成為疲勞源。

3) 滾動軸承對組織均勻性及化學(xué)成分均勻性要求高，不均勻分布的碳化物及疏松、偏析等對軸承使用壽命有很大影響。

2.常用滾動軸承鋼

(1) 鉻鋼

常用的鉻鋼有GCr15、GCr15SiMn等, 其中GCr15用量。鉻軸承鋼含碳0.95%～1.15% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) ，含鉻1.30%～1.05%。這種鋼具有高的淬透性，淬火后具有高的強度、硬度和耐磨性。

(2) 滲碳鋼

大型機械上使用的軸承，要求表面耐磨，而心部應(yīng)具有足夠的強度和韌性，故適于用滲碳鋼制造。常用的滲碳軸承鋼有20Cr、20CrMnTi、20Cr2MoA、20CrNi4A、G20CrNiMo、G20CrNiMoA等。

(3) 中碳合金鋼

中碳合金軸承鋼有50CrNiA、55SiMnV、GCr10等, 主要用于受沖擊載荷的軸承。

(4) 高碳高鉻不銹鋼

高碳高鉻不銹鋼有9Cr18、9Cr18Mo等，其含鉻16%～19% ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) ，適用于制造在腐蝕環(huán)境下工作的軸承。

(5) 高溫軸承鋼

工作溫度超過150℃的軸承，除要求在工作溫度下保持高硬度外，還應(yīng)具有耐磨、耐疲勞、耐沖擊、抗氧化腐蝕、尺寸穩(wěn)定性好等性能。常用的高溫軸承鋼有GCrSiWV、Cr4Mo4V、Cr14Mo4V 等。

3. 滾動軸承鋼的熱處理工藝

一般滾動軸承零件的加工工藝流程是: 軋制、鍛造 →預(yù)先熱處理 ( 正火、球化退火等) →粗加工→熱處理 ( 淬火、低溫回火) →磨加工→成品。

(1) 預(yù)先熱處理

滾動軸承零件在切削加工前須經(jīng)過預(yù)先熱處理，其目的是均勻組織，降低硬度，便于切削加工，同時為熱處理做好組織準(zhǔn)備。

1) 正火

滾動軸承鋼在球化退火前的組織應(yīng)是片狀珠光體，如出現(xiàn)粗大的網(wǎng)狀或帶狀碳化物將影響球化退火效果，因此，在球化退火前須先進行正火予以消除。鉻軸承鋼常用正火工藝見下表。

正火的冷卻速度一般大于50℃/min，以不析出網(wǎng)狀碳化物或粗大顆粒狀碳化物及不產(chǎn)生裂紋為原則。冷卻方式：空氣中分散冷卻; 噴霧冷卻; 70～80℃熱水中冷卻; 在70～100℃乳化液 (或油) 中循環(huán)冷卻。

為防止正火時脫碳，加熱時爐氣應(yīng)為還原性氣氛。采用空冷并及時進行退火或回火，可有效防止正火時產(chǎn)生裂紋。

2) 球化退火

①一般球化退火：可在箱式爐、井式爐和臺車式爐中進行, 也可在推桿式爐或大型連續(xù)式爐中進行。軸承鋼的一般球化退火工藝為: Ac1+(20～40℃) 加熱2～6h , 然后以20～30℃/h冷卻到600～650℃出爐空冷。球化退火質(zhì)量與加熱溫度和冷卻速度關(guān)系較大，操作時應(yīng)嚴(yán)格控制。

②等溫球化退火：其工藝為Ac1+(20～40℃) 加熱2～6h，爐冷到710～720℃等溫4～6h，再爐冷到600～650℃出爐空冷。等溫球化退火可縮短退火時間，提高生產(chǎn)率。

③快速球化退火：對于經(jīng)正火處理具有索氏體組織的軸承鋼, 可采用正火-快速退火工藝，如下圖所示。

3) 雙細(xì)化處理：雙細(xì)化處理是一種使碳化物與晶粒均得到細(xì)化的預(yù)先熱處理工藝。

①鍛造余熱淬火-快速等溫退火 

將鍛件在800～900℃停鍛溫度淬入沸水中，以25～30℃/s冷卻速度冷至400～500℃出水空冷后，加熱至略高于Ac1點溫度 (765～775℃) , 保溫60min, 隨后在720～730℃等溫60min, 爐冷至650℃出爐空冷, 獲得均勻的細(xì)小粒狀珠光體組織, 硬度為HBS187～207。

②鍛造余熱淬火-高溫回火 

鍛件在800～900℃停鍛溫度沸水淬火, 以25～30℃/s冷卻速度冷至400～450℃出水空冷。再在700～720℃保溫3～4h回火后出爐空冷，獲得均勻分布的點狀加細(xì)粒狀珠光體，硬度HBS207～220。

③亞溫鍛造后細(xì)化處理 

零件在800～840℃進行熱模鍛或熱滾壓后，再在680～720℃等溫2～3h，隨爐冷至600℃出爐空冷。此工藝可用于大批量生產(chǎn)。

(2) 熱處理

滾動軸承鋼的熱處理為淬火、深冷處理和回火。

1) 淬火

①加熱溫度 

滾動軸承鋼的淬火加熱溫度一般規(guī)定為Ac1+(50～90℃)。淬火加熱溫度不可偏低，偏低會使奧氏體中碳和鉻的含量不足而達不到淬硬要求。但淬火溫度也不可過高，過高會促使奧氏體晶粒長大，淬火后得到粗針狀馬氏體，并使殘余奧氏體量增加而導(dǎo)致強度、韌性和使用壽命降低。

鉻軸承鋼的淬火加熱溫度與鋼的原始組織、零件形狀、尺寸及冷卻速度和冷卻方式有關(guān)。因此在確定加熱溫度時，應(yīng)充分考慮零件的厚度、原始組織及冷卻介質(zhì)等因素。例如，原始組織中的碳化物較粗大，應(yīng)選擇較高的淬火溫度；對返修件及用水或碳酸鈉水溶液作淬火介質(zhì)的零件，應(yīng)較正常加熱溫度低10～20℃；零件尺寸大，應(yīng)選擇較高加熱溫度。由于軸承鋼為高碳鋼，淬火加熱時應(yīng)注意防止氧化脫碳，一般都在鹽浴爐或控制氣氛中進行加熱。

②保溫時間 

正常淬火加熱溫度下，保溫時間根據(jù)零件的有效厚度確定。在鹽浴爐中加熱保溫時間按0.8～1.5min/mm計算，在空氣爐中加熱保溫時間按1.5～2min/mm計算。淬火加熱溫度高時，保溫時間可短些；反之則宜長些。

③淬火冷卻 

滾動軸承鋼的淬火一般多在油中冷卻，油溫以30～60℃為宜。對于厚度較小、變形要求較嚴(yán)格的零件，可采用分級淬火，分級溫度為130～170℃，停留時間3～5 min，分級后在30～80℃油中冷卻或直接空冷。

2) 深冷處理 

鉻軸承鋼經(jīng)正常淬火后，會保留較多的殘余奧氏體 (一般殘余奧氏體為體積分?jǐn)?shù)的10%～15%，分級淬火或等溫淬火后殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)可達20%左右) ，經(jīng)低溫回火后，仍不能全部轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定。由于殘余奧氏體是不穩(wěn)定組織，在零件工作過程中，會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而引起零件性能和尺寸變化。因此，對于使用過程中精度要求高的精密軸承，需進行深冷處理，減少淬火組織中的殘余奧氏體量，并使剩余的少量殘余奧氏體穩(wěn)定，增加尺寸穩(wěn)定性，提高硬度。

深冷處理應(yīng)在淬火冷卻至室溫后盡快進行，一般不超過4h，否則會因奧氏體穩(wěn)定化而影響處理效果。深冷處理溫度為-20～-78℃，在冷凍機或干冰酒精溶液中進行。深冷處理保溫時間通常為1～1.5h。形狀復(fù)雜的零件淬火冷至室溫后，立即進行深冷處理。為防止產(chǎn)生開裂，應(yīng)先進行110～130℃保溫30～40min的預(yù)回火，然后進行深冷處理。

經(jīng)深冷處理的零件在溫度恢復(fù)到室溫后，應(yīng)在4h內(nèi)進行回火, 以防止開裂。對于尺寸穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的零件, 需進行二次深冷處理。零件經(jīng)第一次深冷處理, 溫度恢復(fù)至室溫后, 先進行110～120℃加熱1～2h的回火處理, 再使零件冷至室溫后進行第二次深冷處理。

3) 回火 

軸承鋼零件淬火后，必須及時回火。常規(guī)回火溫度為150～180℃，可獲得高硬度和高耐磨性。對于載荷較輕、尺寸穩(wěn)定性要求高的滾動軸承可采用200～250℃回火。對于高溫下工作的滾動軸承，則根據(jù)其工作溫度在200～400℃范圍內(nèi)進行選擇。

回火處理一般在電阻爐、油浴或硝鹽中進行，保溫時間為2.5～3h。大型軸承根據(jù)其尺寸與壁厚，應(yīng)延長至6～12h。精密軸承在油浴中回火，回火時間應(yīng)增加1h。

為消除在磨制加工時產(chǎn)生的應(yīng)力，進一步穩(wěn)定組織和尺寸，對大型重要軸承及精密軸承均需在磨削后進行穩(wěn)定化回火 (也稱補加回火)。補加回火溫度一般為120～160℃。補加回火的時間和次數(shù)應(yīng)按軸承精度等級選擇，一般為3～10h，次數(shù)為1～3 次。

滾動軸承零件淬火-回火后的組織為隱晶、細(xì)小針狀馬氏體和均勻分布的細(xì)小粒狀碳化物及少量殘余奧氏體組織。

（來源：熱處理小講堂、濟鋼銷售公司）