中碳轴承钢结构及性能分析

【编者按】随着中国装备制造业向高质量和高精密发展，用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱和套筒等的轴承钢正日益受到重视，精密轴承等基础机械铸造业已经成为国家“十二五”期间重点发展的行业。因此，有必要加大对轴承钢的研究，提高轴承钢的质量。

　　近期，俄罗斯学者G.S.Vodovozova和P.A.Zhdanov等人研究了中碳轴承钢的结构和机械性能，并通过实验与ShKh15类轴承钢进行了对比分析，得出了在硬度、均质性和晶粒大小方面的结论，为中碳轴承钢的实际生产提供了理论依据。

　　组织不均匀成“瓶颈”

　　一般来说，轴承钢的性能要求是高硬度、良好的弹性性能和抗疲劳性，特别是抗接触疲劳失效性。对于高碳合金钢，当碳含量在0.95%~1.15%时可以满足上述要求；而碳含量为0.10%~0.20%的低碳轴承钢则通常需要进行碳氮共渗工艺才能达到以上要求。轴承钢抗接触疲劳失效的性能，主要取决于钢中非金属夹杂粗颗粒堆积、碳化物不均质性、晶体大小的差异等因素。这些缺陷的综合作用造成轴承钢在使用过程中微应力集中和过早脆裂（剥落、切口形成和龟裂等）。

　　目前广泛使用的ShKh15类轴承钢显示出来的明显缺点就是由结构不均质性造成的。这是过共析化学构成的一个特点，即在高碳含量（0.95%~1.10%）下，由于碳和碳化物不均质性导致熔析的发展。为避免不均质性这种状况的发生或对这种情况进行改善，采用延长时间的均质化退火是必要的。

　　通过添加合适的合金元素，采用低碳含量可以达到钢种要求的硬度水平。众所周知，作为轴承钢，可使用低碳和中碳铬-镍、铬-锰和铬-硅-锰钢。这些钢没有高碳过共析钢的主要缺点———碳化物不均质性。

　　考虑到以上因素，需要开发提供节省能源和延长轴承使用寿命的轴承钢生产技术。

　　显微组织细小均匀

　　最近研究的钢种是创新型轴承钢，能够满足更加致密的薄板部件，并应用更加经济的材料来提高质量，减少生产周期并且具有和ShKh15钢一样或更好的使用性能。川崎钢铁公司（日本）和NTN（日本）钢铁公司已经开发并投产了一类中碳轴承钢。这类中碳轴承钢的碳含量减少到0.75%~0.80%，使得在浇铸阶段钢中去除了共晶成分碳化物的形成，并且无须采用扩散退火。另外，在减少碳含量状况下的钢，工艺上更加有利于冲压和剪切。

　　为评估该钢种的化学成分、微观组织和机械性能，俄罗斯学者们在实验室条件下对普通轴承钢ShKh15钢和中碳轴承钢的抗断裂性能进行了不同炉次的轧制实验和其他检验。

　　气体分析的结果显示，只在第2炉次钢中发现氧含量上升，但总体氧含量在容许范围内，其他炉次钢中氧含量均符合GOST901技术标准（不超过0.0015%）。为研究宏观组织和微观组织，从实验炉次里选取了用于显微镜观察的试样。同时准备了直径为5毫米的圆柱状试样进行抗拉实验（根据GOST1497-84）；准备带V形坡口（根据GOST9454第二类）10毫米×10毫米×55毫米的试样用于静态弯曲实验；采取疲劳龟裂裂纹最大深度2毫米的试样进行断裂韧性实验（根据GOST9454第二类）。

　　中碳轴承钢的最终热处理采用普遍接受的ShKh15类轴承钢规范：在840℃~845℃加热硬化，均热35分钟~40分钟后在M2M-16油中冷却，油温在30℃~60℃，随后在155℃下回火3.5小时。根据GOST9013（61.5HRC~62.5HRC），最终回火后的硬度为62HRC。热轧状态下低倍组织由不存在游离铁素体夹层的珠光体构成，晶粒大小不低于7级（根据GOST5639），没有粗的碳化物析出，低倍组织均匀细小，有利于钢的进一步精整加工。

　　为提供良好的切削性和硬化前的准备，钢需要进行中间热处理，即在800℃~690℃下球化退火17小时，在退火状态下，球状珠光体的晶粒度级别为2，钢的实验炉次的低倍组织满足GOST801技术规范要求。纵向显微断面评估了显微组织的带状结构。钢试样从850℃硬化，然后再冷却，在150℃回火1小时，实验钢显微组织的带状结构不超过1级~2级，这些值完全满足GOST801对于热轧钢ShKh15的技术规范要求。同一试样用来评价实验钢的残留碳化物网络，确认不超过3级，实验钢的结构更加均匀。因此考虑到碳化物熔析指数和结构的不均质性，实验钢满足所有标准的技术规范要求并且明显超过ShKh15类轴承钢。

　　机械性能良好

　　评价非金属夹杂物的试样选择和实验按GOST1778-80制备。非金属夹杂物主要为碳化物和氧化物，几乎不存在球状夹杂，硅酸盐有延性单项夹杂，显示有1.5级大小，存在于第2炉次钢里，并由于氧化物夹杂污染而报废。在热轧状态下，实验室炉次钢采用碳氮共渗工艺进行微合金化的硬度为35HRC~38HRC。为实现球状珠光体的退火，实验室炉次钢采用碳氮共渗进行微合金化的硬度为195HB~217HB，其值稍高于GOST801技术规范硬度的179HB~207HB。在新硬化状态下，所实验钢硬度为65HRC~67HRC。

　　回火对淬火钢硬度的影响显示，对于实验炉次钢在回火温度为160℃时几乎没有降低淬火钢的硬度，即在65HRC的水平。

　　在硬化和轻度回火状态下钢的机械实验结果表明，所有的断裂案例都是因为脆性机理所致，断裂应力值和屈服强度值几乎相等，他们是624~920N/mm2，相关延伸率和面积减少接近零。断裂韧性实验试样规格为10毫米×10毫米55毫米，并进行集中折弯，试样先期要开尖锐切口和疲劳裂纹。在硬化和150℃~180℃下回火后，对采用V和Nb微合金化的试样进行了实验。从组织状态和数据分析表明，断裂韧性对于实验钢（中碳轴承钢）和ShKh15钢是相似的，回火温度从150℃升到180℃时没有降低钢的断裂韧性。

　　通过对实验钢化学成分、宏观组织和微观组织的分析，对硬度、机械性能和抗断裂性能的全面研究得出，新型实验炉次的轴承钢的机械性能水平与ShKh15类轴承钢相当，64HRC~65HRC的硬度水平优于GOST801技术规范要求，实验炉次钢和ShKh15类轴承钢的断裂韧性值相似。而采用V和Nb微合金化的轴承钢满足了GOST801技术规范要求，实验钢更加纯净。同时，低倍组织碳化物不均质性低，不存在碳化物网格残留。因此，新型的微合金化中碳轴承钢具有比ShKh15类轴承钢更加良好的性能。

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