轴承钢材料常识

    众所周知，各种运输车辆、机床、传动机械以及其他高速转动的机械中，轴承是不可缺少的基础零部件，而轴承钢就是用来制造各种滚动轴承的专用钢种。

    由于各种机械在运行当中是否安全可靠，在很大的程度上要取决于轴承的质量和伎啃裕滚动轴承要在拉伸、压缩、弯曲、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值之下，高速、长时间地工作，因此，对轴承钢的要求也越来越严格，使其向着高质量、高性能和多品种的方向发展。

一、轴承钢的种类

1、 高碳类  GCr15和GCr15SiMn 最常用的轴承钢

2、 中碳类  52SiMoVA等  用于耐冲击轴承

3、 渗碳类  G20CrNi2Mo(A)、G20Cr2Ni4(A)等 用于渗碳轴承

二、轴承钢的质量要求及其常见缺陷（高碳铬轴承钢）
    轴承钢材料的要求可归结为两个方面：钢的纯净度和组织的均匀性。

1、为了保证轴承具有良好的性能和高的寿命，对轴承钢的质量要求如下：

 (1)化学成分：化学成分是轴承钢的最本质的因素。钢的物理、化学、机械性能和金相组织都是由化学成分决定的，改变了化学成分，就改变了钢的基本性质。因此，轴承钢的化学成分必须符合标准规定的允许范围。

(2)内部质量：可分为宏观质量和微观质量。

 ①、宏观质量：即低倍组织（一般在正常尺寸范围内观察，最大可放大10倍观察定性），要求轴承钢材内部不允许有白点、缩孔、夹渣、裂纹、过烧、皮下气泡等缺陷。要求轴承钢材的内部偏析、疏松控制在一定范围内。总之，轴承钢材的内部要致密，不允许有肉眼可见的缺陷割裂钢材的基体。      ②、微观质量：即高倍组织（在显微镜豆鄄欤，要求轴承钢材内部组织要均匀，纯净度要高。

轴承钢材的内部组织是指碳化物带状、碳化物网状、碳化物液析及退火组织。碳化物是轴承钢的主要成分之一，是客观存在的，如何使碳化物分布的均匀、分散、细小，是提高轴承钢质量的重要课题之一。近年来轴承钢兑生产厂家采用了高温扩散处理，控制轧制新工艺和连续退火炉设备等。即使这样，碳化物的分布仍不能达到理想的程度。因此，在标准中，规定了它们的允许范围和控制级别。

    轴承钢材的纯净度是指非金属夹杂物对钢的沾污程度。非金属夹杂物是轴承钢基兜挠泻ξ镏剩破坏了基体的连续性，是造成轴承早期疲劳、剥落的主要原因之一。因此，要求轴承钢中非金属夹杂量越少越好。为了限制、控制非金属夹杂物在钢中的存在，在标准中，对它们进行了严格的级别控制。生产厂家除了采用电炉冶炼，还采用了电炉冶炼加炉外精炼、真空脱氧等兑眨使钢中氧含量降低到15ppm以下。

    轴承钢中氧含量的多少对钢中非金属夹杂物的数量起决定作用，降低氧含量对提高轴承寿命和可靠性起很大作用，但当钢中氧含量降低到10ppm以下时，这种关系大大地弱化，这时轴承寿命和可靠性与钢中非金属夹杂物和痘物的颗粒大小、形态分布的均匀性存在直接关系。因此用电渣重熔生产的轴承钢，虽氧含量比普通真空脱氧轴承钢高，但非金属夹杂物和碳化物数量少、尺寸小、分布均匀，使用寿命更高。

(3)表面质量：轴承零件的成型方法，目前有锻造、车削和冷冲等。根据不同成型方法对钢材表面质量有不同程度的要求。总的来说，轴承钢材表面不得有裂纹、折叠、拉裂、结疤和夹渣。对冷冲用的冷拉钢材，除不允许上述缺陷外，表面要洁净，不得有锈蚀、麻凹等缺陷。轴承钢材表面不得有严重的脱碳现象，根据轴承零件成型工艺的不同要求，在标准中，对不同品种礁植谋砻嫱烟疾闵疃扔胁煌的限制规定。

(4)尺寸允许公差：根据轴承零件成型工艺及钢的生产工艺，在标准中，对轴承钢材各种品种、规格的尺寸公差都进行了规定。

 2、轴承用钢的常见冶金缺陷 (1)、轴承用钢的表面缺陷

①、裂纹：钢锭的皮下气泡，严重的非金属夹杂物及钢材在锻、轧过程中，加热温度过高，锻、轧后冷却快；终轧、终锻温度过低等原因都有产生裂纹的可能性。

 ②、折叠：钢材在锻、轧过程中产生的飞边、毛刺、皱折和尖锐棱角等，在继续轧制时压入金属内部，则形成折选

③、结疤：由于钢锭表面的夹渣、凹坑，在锻、轧过程中形成较薄、扁平的分层，称之为结疤。    ④、刮伤：因轧机导板上沾有金属颗粒，导板安装不当等原因，使钢材表面刻划出沟槽，称为刮伤或划痕。

⑤、夹渣：炉渣和各种耐火材料，在呀阶⒐程中未浮在钢锭头部，而集聚在钢锭表面，钢锭修整时，又未清理掉，因此，在钢材表面形成夹渣。

⑥、脱碳：钢材在加热过程中，表面要发生氧化作用，炉气中的氧与钢材表面的碳进行氧化，形成气体，使钢材表面的碳量低于规定数值称脱碳。脱碳对高碳轴承钢来咽且桓鲅现氐娜毕荩往往造成轴承零件表面脱碳，淬火后的硬度达不到技术要求。

(2)、轴承钢材的低倍缺陷

 ①、缩孔：钢液在浇注后的冷凝过程中，由于体积收缩而在钢锭的中心部位形成孔洞，称为缩孔。为了减少缩孔钢材的危害，因此在钢液浇注，结晶过程中要采用合理的工艺，使体积收缩而形成的孔洞移向钢锭的头部，在钢锭开坯后，将缩孔部分切掉，但是，由于浇注、冷却工艺的不当、不合理，钢锭植勘Ｎ虏蛔悖开坯后锭头部位切除量少等，使缩孔残留在钢材内，低倍检查时，就会显示出来。

②、白点：经酸洗后的钢样横向截面中心或其附近区域呈现短小、不连续，一般呈辐射状态分布的发丝状开明缝，或在钢材的纵向断口上出现表面光滑，形状近似圆形或椭圆形的职咨斑点，称为白点。白点形成的原因，一是钢中氢气的存在，二是钢材锻造后在600~300℃没有缓冷，氢气未充分扩散，产生组织应力而开裂。有白点的钢材或零件，其纵向、横向机械性能都有显著下降，故有白点的钢材或零件没有使用价值。

③、过烧：钢锭或钢坯在锻造加热时，温度过高，表面层沿晶界处被氧气侵入而产生氧化物。在晶界处和枝晶轴间的一些低熔点化合物发生熔化，以致在冷凝后形成裂纹或孔洞。这种现象称为过烧。钢材过烧后，再锻时将引起开裂，即使不开裂，在补天浴日下的强度和冲击韧性都大大降低，故不能使用。

④、气泡：钢在液体状态溶解气体的能力比固态时大，钢液在冷凝过程中，气体从钢液中逸出，如来不及排出，则形成气孔。此外，钢锭模烘烤不良，会在钢模表面存在水分或气体，以及钢锭模内表面涂料不良，形成大量气体，这些水分或气体来不及排出钢液，则形成皮下气泡。气泡的存在大大地降低了钢材的强度。

⑤、偏析：在钢液冷凝过程中，由于钢中各种化学成分碳、铬、钨、磷等元素结晶、扩散速度不同而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。偏析的存在会给以后的变形加工造成困难，硫的析易产生热脆，磷的偏析易产生冷脆。偏析的存在易引起媸羝＠投狭选

⑥、疏松：钢液在冷凝过程中，由于体积收缩而引起的细小孔隙称为疏松。分散分布的细小孔隙称为一般疏松。分布在钢材中心部位的细小孔隙称为中心疏松。疏松降低了钢材的致密度，使机械性能显著下降，降低轴承的使用寿命。

 (3)、非金属夹杂物

    钢在冶炼、浇铸过程中，由于钢液内各成分之间、钢液与炉衬之间接触所引起的化学反应产物、脱氧产物，以及炉壁、出钢槽、钢水包，汤道等耐炎材料被蚀肃落而进入钢液。这些进入钢液而未排出的非钢液物质称为非金属夹杂物。非金属夹杂⒃谥岢懈种械拇嬖冢是降低轴承使用寿命的主要原因之一。钢中非金属夹杂物按其特征、形状和分布等分为以下几种

 ①、硫化物(A类夹杂物）：有较好的塑性，可以变形，故也称塑性夹杂。在钢材中沿轧制方向呈较连续条状分布。如硫化铁(FeS)和硫化锰(MnS)属此类⒊硫化物外，硅酸盐也有一定塑性，也称塑性夹杂物。

②、氧化物(B类夹杂物）：性质较脆，故也称为脆性夹杂，在钢材中一般沿轧制方向呈点链状分布，如三氧化二铝(Al2O3)和氧化铁(FeO)就属此类。

③、硅酸盐(C类夹杂物）：如硅酸亚铁（2FeO·SiO2）⒐杷嵫敲蹋2MnO·SiO2）、铁锰硅酸盐（mFeO·MnO·SiO2）等；

④、点状不变形夹杂物(D类夹杂物）：性质脆而硬，在钢材中呈点状或球状，加工时不变形。由于其热膨胀系数比基体小，轧制后会形成应力集中，成为疲劳剥落的来源。通常在轴承套圈的滚道上出现“黑点”。

(4)、碳化物不均匀性

    高碳轴承钢碳量较高，并含有一定数量的碳化物形成元素(如铬)。在钢液冷凝过程中，这些元素又易发生成分偏析，而引起钢材中碳化物分布的不均匀性。

 ①、碳化物液析：钢液在结晶过程中，由于冷却速度过慢，造成碳成分的严重偏析。在枝晶间形成粗大的一次碳化物，这种一次碳化物很难消除。在钢材中沿轧制方向呈条状或块状分布其危害性与非金属夹杂物一样，因此，在钢材的技术标准中有严格的控制。

②、碳化物带状：其形成原因与碳化物液析一样。在锻伞⒃制过程中被破碎的粗大一次碳化物呈小块而集聚，并沿轧制方向形成条带状分布。碳化物带状严重会影响零件的热处理质量，使零件的组织局部欠热或过热，造成零件硬度不均匀，组织不均匀。以致造成零件热处理质量不合格。碳化物带状和碳化物液析严重时，会使轴承零件早期疲劳苫怠

 ③、碳化物网状：钢材在锻造、轧制冷却过程中，奥氏体对碳的溶解度随温度下降而下降。如在800~900℃之间冷却速度过慢，则碳从奥氏体中析出并扩散晶界，在晶界间形成二次碳化物，呈网络状存在，故称碳化物网状。碳化物是硬而脆的相，使晶粒之间的连续性遭到破坏，严重地降低了钢的冲击韧性。因此，使轴承零件寿命降低。

 ④、退火组织不均匀：轴承钢的退火组织要求是分布均匀的或球状的珠光体。由于钢材带状严重，锻造轧制后的冷却不当，或退火工艺不正确都可能造成退火组织不均匀。带状严重时，两带之间贫碳区在退火过程中产生过热的粗片层状珠光体。锻造后冷却过慢不仅产生网状，而且命名片层状珠光体特别粗大，造成退火时碳化物核心减少，从而导致退火组织中部分保留原来的片层和分布极不均匀的粗大颗粒碳化物。若钢材原始组织正常，而退火温度过高就会产生粗片层状珠光体。火温度偏低就会出现细片状或堆积的细点状珠光体。退火组织不均匀，导致钢材的切削性能变坏，淬火后的零件组织不均匀，从而造成轴承零件寿命降低。

三、轴承钢连铸、模铸的特点

    轴承钢由于碳含量高（1.0%左右），液在凝固结晶过程中无论是连铸还是模铸都不可避免地会产生碳化物偏析，模铸通过钢锭帽口保温使偏析减轻并达到钢锭上部开坯时切除帽口，而连铸钢不可避免地留在铸坯的心部。轴承钢连铸坯质量的最大问题就是中心疏松和中心偏析，即靠近中心区域有明显的碳偏析和疏松，影响疲劳命，并且连铸坯截面尺寸越小（压缩比小）这种偏析和疏松现象越严重。

    长期以来连铸轴承钢用于制作轴承套圈已无多大异议，而制作滚动体则疑虑甚多，根本原因是连铸钢的中心偏析。模铸轴承钢除切除帽口改善偏析外，浇注成的钢锭一般尺寸比较大，压比大，另外钢锭一般需经均热炉高温扩散处理，再初轧开坯、轧制，经过了二火成材，偏析得到很大程度的扩散，不均匀性再次改善。

    为改善连铸轴承钢的中心碳化物偏析，钢厂通过开发“低过热度浇注”、“电磁搅拌”、“轻压下技术”、“控制拉速”等术，大大改善了中心偏析和中心疏松，但不能完全消除。连铸轴承钢特别是小方坯连铸钢省去了开坯，一次成材、压缩比小、生产周期短、成本费用低，但致密度不够，组织不好，偏析改善有限。然而连铸轴承钢如采用大截面尺寸铸坯（俗称连铸二火材），可借助大的压缩比来达到改善中偏析和中心疏松的目的，且采用矩形坯的中心偏析程度比方形坯较轻，大截面尺寸铸坯需经二火成材，即均热炉高温扩散初轧开坯再轧制，碳化物偏析得到较大改善。

    连铸轴承钢虽然有中心疏松和中心偏析的问题，但连铸轴承钢的纯净度高，氧含量低，生产率和成材率较高。模铸轴承钢因注液口钢流与空气接触，中注管、汤道系统的耐火材料污染钢液，氧含量比连铸高，纯净度比连铸差，生产效率和成材率比连铸低。

四、工作中遇到的几个常见质量问题及产生原因

1、轴承套圈及滚动体表面裂纹：大部分由材料表面的折叠和裂纹带入，少量由钢材表面或皮下的夹渣产生。这是目前用户最为关注的项目。

2、轴承套圈滚道“黑点”：用户通常在音检时发现超规定分贝的现象，检查可发现滚道“黑点”。对“黑点”作能谱分析可发现缺陷处主要含Al、Ca。为典型的大颗粒D类夹杂物（nCaO.mAL2O3）。主要是精炼时碱度高造成，另有少量是表面或皮下夹渣。低碱度渣可显著减少D类夹杂物的数量和尺寸。

3、碳化物超标：用户在复验发现碳化物带状、网状、液析超标。主要是加热时间和温度不到位（带状、液析超标），或冷却太慢（网某标）造成。

4、脱碳：钢材表面脱碳超标，造成轴承套圈表面硬度低。产生原因是退火时保护性气氛中氧含量高。一般是真空泵工作不正常。

5、组织球化不好：片状珠光体含量超标。产生原因是退火炉温度控制不当。