（材料科学与工程专业论文）提高轴承钢性能的热处理工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 近年来风电工程、高速铁路迅猛发展，在这些工程中大量使用各类轴承， 对轴承寿命提出越来越高的要求。本文以通过热处理提高轴承钢性能为目 标，首先测定几种国产与进口轴承钢试样的组织和力学性能，利用x r d 测 定试样的残余奥氏体含量，利用s e m 分析国内外轴承钢组织的差别。在此 基础上，设计了细化轴承钢中的碳化物颗粒的热处理工艺，并测定处理后各 试样的组织与性能。通过不同的热处理工艺，使轴承钢中残余奥氏体量处在 不同范围，测定处理后试样的力学性能，从而得出残余奥氏体含量对轴承钢 性能的影响规律。对轴承钢进行了贝氏体等温淬火研究，分析了贝氏体转变 规律以及贝氏体转变量对轴承性能的影响及贝氏体组织与马氏体组织的断 裂机理，并利用x r d 测定马氏体淬回火与贝氏体等温淬火处理后试样的残 余应力。经过研究分析、归纳，得到以下结论： 进口轴承中对轴柱与轴套马氏体数量分别控制在不同范围，与国产轴承 钢相比，进口轴承中马氏体针、碳化物细小、分布均匀，残余奥氏体含量低， 有些甚至完全消除残余奥氏体。进口轴承耐磨性能优于国产轴承。 g c r l 5 经完全奥氏体化后贝氏体等温淬火和完全奥氏体化后马氏体等 温淬火再中温回火预处理的碳化物细化效果佳，终处理后的碳化物细小、均 匀、分布弥散，同时细化了奥氏体晶粒。但由于热处理后的残余奥氏体含量 也偏高，碳化物含量降低，以及碳化物不圆整的原因，轴承试样的综合力学 性能反而略有下降。预处理为球化退火的轴承试样综合性能最佳。进行碳化 物细化处理工艺必须同时控制好碳化物的圆整度和残余奥氏体含量。 g c r l 5 经8 7 0 奥氏体化后淬火1 6 0 盐浴中等温2 0 m i n 后空冷，奥氏 体产生热稳定化，最终回火后残余奥氏体量增加至1 4 2 ，等温时间延长至 6 0 m i n ，残余奥氏体含量不再继续增加。马氏体淬火后立即进行冷处理能有 效消除试样中的残余奥氏体，使之降低到5 以下。残余奥氏体含量过多， 则显著降低试样的强度和硬度。并且其对轴承试样的冲击韧性也无明显改 善。试样马氏体等温6 0 m i n 后，少量残余奥氏体转变为等温马氏体，使轴承 试样的耐磨损性能提高了3 2 1 。轴承试样经冷处理减少其残余奥氏体量后， 试样强度、韧性有所下降，但硬度、耐磨性能均有提高，耐磨损性能比未经 冷处理试样提高了3 5 7 。 g c r l5 经8 7 0 奥氏体化后，于2 4 0 以不同时间等温油冷或空冷后得 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 到的组织组成为针状马氏体+ 下贝氏体+ 残余奥氏体+ 残余碳化物。等温初期， 贝氏体转变较快，下贝氏体随等温时间延长而长大，等温到一定时间后下贝 氏体转变速率下降，贝氏体不再继续长大。贝氏体转变量在4 5 1 左右时， 轴承试样的综合性能最佳。耐磨性能比马氏体淬回火试样提高了4 7 5 。 g c r l 5 经马氏体淬回火处理，试样断裂机制为微孔聚集型断裂，而经贝氏体 等温淬火处理后，断裂机制转变为解理断裂。贝氏体转变后试样表面的残余 压应力高于马氏体淬回火组织。 关键词：轴承钢，细化碳化物，残余奥氏体，下贝氏体，m f b 复合组织， 性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 a b s tr a c t r e c e n t l y , w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fw i n de l e c t r i cp o w e rp r o je c t sa n d 1 1 j 曲s p e e dr a i l w a y , r o l l i n gb e a r i n gi sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g ，a n dt h e s e r v i c el i f ei s r e q u i r e dt ob e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r t h i sp a p e rb a s e d o n i m p r o v i n g t h ep r o p e r t i e so fb e a r i n gs t e e l st h r o u g hh e a tt r e a t m e n t ，d e t e r m i n e dt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs e v e r a l d o m e s t i ca n de x t e m a l b e a r i n gs t e e ls a m p l e s a n dt h er e t e n t i o no fa u s t e n i t eo fd i f f e r e n ts a m p l e sw e r e m e a s u r e db ym e a n so fx r d s e mw a su s e dt oa n a l y s i st h ed i f f e r e n c ei ns t r u c t u r e o fs e v e r a lb e a r i n gs t e e ls a m p l e s o nt h i sb a s i s t h ec a r b i d ew a sr e f i n e db yv a r i o u s p r e t r e a t m e n tp r o c e s s ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f s a m p l e sw e r em e a s u r e da f t e rd i f f e r e n th e a tt r e a t m e n t t h er e s i d u a la u s t e n i t e c o n t e n tw a sc o n t r o l l e d ，i nd i f f e r e n tr a n g e sb yu l t i m a t et r e a t m e n tt e c h n o l o g y ，t h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ee x a m i n e d a n dt h ei n f l u e n c eo f r e s id u a la u s t e n i t ec o n t e n to np r o p e r t i e so fb e a r i n gs t e e l sh a v eb e e na n a l y z e d t h e m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb e a r i n gs t e e lw e r ei n v e s t i g a t e da f t e r a u s t e m p e r i n gf o rd i f f e r e n ti s o t h e r m a lh o l d i n gt i m e b a i n i t et r a n s f o r m a t i o nr a t e a n di t se f f e c to nb e a r i n gs t e e lp r o p e r t i e sw e r er e s e a r c h e d s e mw a su s e dt o a n a l y s i sf r a c t u r em e c h a n i s ma n dx r dw a su s e dt om e a s u r et h er e s i d u a ls t r e s so f s a m p l e sa f t e rm a r t e n s i t i cq u e n c h i n ga n db a i n i t eh a r d e n i n g b a s e do nt h er e s e a r c hw o r k ，s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： t h em a r t e n s i t ec o n t e n to fs h a f ts l e e v ea n da x o s t y l eo fe x t e r n a lb e a r i n g s t e e 】a r ec o n t r o l e dr e s p e c t i v e l yi nd i f f e r e n tr a n g e s c o m p a r i n gw i t h d o m e s t ic b e a r i n g ，t h ee x t e r n a lb e a r i n gs t e e l sh a v ew e l ld i s t r i b u t e df i n e l yc a r b i d e s ，a n d i o w e rr e s i d u a la u s t e n i t ec o n t e n t i n d e e d t h er e s i d u a la u s t e n i t ew a se l i m i n a t e d c o m p l e t e l yi ns o m ee x t e r n a lb e a r i n gs t e e l s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e e x t e r n a lb e a r i n gs t e e le x h i b i t sab e a e rw e a rr e s i s t a n c et h a nd o m e s t i cb e a r i n g n eo p t i m u mc a r b i d es u p e r f i n i n gp r e t r e a t m e n tp r o c e s sw a st h ec o m p l e t e a u s t e n i t i z i n ga u s t e m p e r i n ga n ds o l i ds o l u t i o nh a r d e n i n ga n dm e d i u mt e m p e r a t u r e t e m p e r i n g t h ef i n ec a r b i d e sw e r ee v e n l yd i s p e r s e di ni t sm i c r o s t r u c t u r ea n d a u s t e n i t eg r a i n sw e r er e f i n e d b e c a u s eo ft h es l i g h t l yh i g h e rr e t a i n e da u s t e n i t e c o n t e n ta n dl o w e rc a r b i d ef r a c t i o na n d i r r e g u l a r c a r b i d e p a r t i c l e t h e c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb e a r i n gs t e e ls a m p l e sw e r ed e c r e a s e d s l i g h t l y a f t e rc a r b i d er e f i n i n gt r e a t m e n t t h e b e a r i n g s t e e lh a dt h eb e s t c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sb ys p h e r o i d i z i n ga n n e a l i n gt o g e t h e rw i t hu l t i m a t e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y t h es p h e r i c a ld e g r e eo fc a r b i d ep a r t i c l ea n dt h ec o n t e n to f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1v 页 r e t a i n e da u s t e n i t em u s tb ec o n t r o l l e dw e l lw h e nc a r b i d es u p e r r e f i n i n g t h er e s i d u a la u s t e n i t ei ng c r l5w a ss t a b i l i z e da f t e ra u s t e n i t i z i n ga t8 7 0 f o rl5 m i na n da u s t e m p e r i n ga t16 0 f o r2 0 m i n a n dt h er e s i d u a la u s t e n i t e c o n t e n ti n c r e a s e dt o14 2 w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei s o t h e r m a lh o l d i n gt i m et o 6 0 m i n , t h er e s i d u a la u s t e n i t ec o n t e n t sr e m a i n e de s s e n t i a l l yc o n s t a n t m a r t e n s i t i c q u e n c h i n ga n di m m e d i a t e l yc o l dt r e a t m e n tc a ne f f e c t i v e l ye li m i n a t et h er e s i d u a l a u s t e n i t ec o n t e n to fg c r l5 t h ee x c e s so fr e s i d u a la u s t e n i t ec o n t e n tc o u l d d e c r e a s et h es t r e n g t ha n dh a r d n e s so fb e a r i n gs t e e l s a n di tc o u l dn o to b v i o u s l y i m p r o v et h ei m p a c tt o u g h n e s so fg c r l5 a f t e rt h em a r t e m p e r i n g6 0 m i n ，s o m e r e m a i n e da u s t e n i t e 仃a n s f o r m e di n t oi s o t h e r m a lm a r t e n s i t e t h ew e a rr e s i s t a n c eo f s a m p l ew a si m p r o v e d3 2 1 a f t e rc o o l i n gt r e a t m e n t ，t h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s s o fb e a r i n gs t e e ls a m p l ed e c r e a s e ds o m e w h a t b u tt h eh a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c e w e r ei n c r e a s e d e s p e c i a l l yt h ew e a rr e s i s t a n c ei n c r e a s e d3 5 7 d u r i n ga u s t e n i t i z i n ga t8 7 0 f o r15 m i na n da u s t e m p e r i n ga t2 4 0 cf o r d i f f e r e n ti s o t h e r m a lh o l d i n gt i m e t h e nc o o l i n gi na i ro ro i l t h em i c r o s t r u c t u r e w a sa c i c u l a rm a r t e n s i t e + l o wb a i n i t e + l i t t l er e t a i n e da u s t e n i t e + r e t a i n e d c a r b i d e s t h eb a i n i t ep h a s et r a n s f o r m a t i o nw a sf a s t e ra tt h ei n i t i a lt i m ea n dt h e n s l o w e rg r a d u a l l y , a n dt h eb a i n a t eg r o w e ru pf i r s t l ya n dt h e ng r o w l e dn om o r ef o r c e r t a i nt i m e t h eb e a r i n gs t e e ls a m p l e ss h o w e dab e t t e rp e r f o r m a n c eo fv a r i o u s p r o p e r t i e s w h i c hb a i n i t et r a n s f o r m a t i o na m o u n ti sa b o u t4 5 1 i t sa n t iw e a r p r o p e r t yi m p r o v e d4 7 5 t h a nm a r t e n s i t i cq u e n c h i n gt e m p e r i n gs a m p l e t h e f r a c t u r em e c h a n i s mo fg c r l5w a sm i c r o v o i da c c u m u l a t i o nf r a c t u r e b y m a r t e n s i t i cq u e n c h i n ga n dl o wt e m p e r a t u r et e m p e r i n gp r o c e s s d u r i n gb a i n i t e h a r d e n i n g ，t h ef r a c t u r em e c h a n i s mt r a n s f o r m e di n t oc l e a v a g ef r a c t u r e ，a n dt h e s u r f a c er e s i d u a l c o m p r e s s i v es t r e s sw a sh i g h e rt h a nm a r t e n s i t i cq u e n c h i n g t e m p e r i n gs a m p l e k e yw o r d s ：b e a r i n gs t e e l ，c a r b i d er e f i n i n g ，r e t a i n e da u s t e n i t e ，l o wb a i n i t e ，l o w b a i n i t ea n dm a r t e n s i t ed u p l e xs t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：王林格 日期：2 0 国、箩 指导老师签名：咏弓1 日期：2 。了、1 r r 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 建立新工艺微观组织与性能间定量关系； 2 通过不同的热处理及冷处理工艺控制轴承材料中残余奥氏体含量； 3 找出利用金相显微镜判断贝氏体转变量的实用性方法，为今后贝氏 体等温淬火工艺大规模应用奠定科学基础。 乏缘鹤 沙饵l 妈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 轴承是支承轴颈部的零件，有时也用来支撑轴上的回转零件，是机械工业 和民用器具中使用广泛、要求严格的配套基础件，被人们称为机械的关节i 。 轴承是重要的基础机械零件，在工业各行业的应用十分广泛，其质量直接决定 了其所装备的机械设备可靠性的高低、精度的大小、性能的好坏以及使用寿命 的长短。随着科学技术的发展，轴承的工作环境也越来越恶劣，对于轴承的要 求也越来越高。因此，轴承及轴承钢的生产和发展水平是一个国家机械工业化 水平高低的重要标志之一f 2 4 】。 1 1 国内外轴承钢的发展状况 1 1 1 国外轴承钢发展状况 世界轴承工业兴起于十九世纪末期n - - 十世纪初期。18 8 0 年英国开始生 产轴承，1 8 8 3 年德国建立了世界上首家轴承公司( f a g 乔治沙佛公司) ，1 8 8 9 年美国开办了n d 轴承厂( 现为通用汽车轴承公司新第泊桥海特轴承部) ，欧 美其它大型轴承企业基本上都在二十世纪初奠定了今天的基础。日本轴承工业 形成于欧美之后，1 9 1 0 年瑞典s k f 公司向日本提供样品，使“轴承”第一次 单独在日本露面。其后，日本n s k 、n t n 等轴承公司先后于1 9 1 4 年和1 9 1 8 年建立。 发达国家对于轴承钢的生产及其科研极为重视，其中以瑞典、日本、德国 等国表现突出。它们的轴承钢生产情况体现了当今世界轴承钢生产质量的水平 和方向。由于不断采用新技术，轴承钢的氧含量及其他有害元素含量不断下降， 疲劳寿命不断提高。瑞典是世界轴承钢及轴承的生产“王国 ，历史悠久，产 品质量居世界之冠t 2 。】。日本则大有后来居上之势，经过3 0 - - 一4 0 年的努力，加 强科研，引进先进技术及装备，优化工艺，使轴承钢的质量跃居世界先进行列 1 2 “】。自2 0 世纪8 0 年代后，无论是轴承钢的产量、质量，还是从技术水平以及 钢材在国际市场中的占有量，轴承钢的生产技术有了很大的突破，其中日本都 处于世界领先水平。目前国外轴承钢生产厂家主要集中在瑞典s k f 公司和日 本山阳公司，该两家拥有先进的工艺技术和装备，轴承钢产量占西方工业化国 家轴承钢产量的7 0 以上。其余较知名的厂家还有德国g m h 公司、法国 a s c o m e t a l 公司、意大利a b s 钢厂等【6 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 国内轴承钢发展状况 中国轴承行业经过5 0 多年的建设和发展，已形成了较大的生产规模。2 0 0 6 年全行业规模以上企业达2 1 7 9 家，全年生产各类轴承7 9 9 4 亿套，实现销售 收入9 8 2 3 8 亿元。而2 0 0 7 年中国轴承行业规模与盈利水平继续保持了增长趋 势1 6 1 。近十几年来国外轴承知名公司( 如s k f 、f a g 、n s k 、n b m 、k o y o 、 t i m k e n 、t o r r i n g t o n 等) 先后在我国投资办厂，对我国轴承设计技术水 平的提高，生产工艺和生产管理的规范、生产装备水平的现代化、产品的质量 和使用性能的提高等方面起到了很大的推动作用。国家标准高碳铬轴承钢 ( g b t 1 8 2 5 4 2 0 0 0 ) 的制订和实施，使我国轴承用钢的冶炼水平、冶金质量与国 外先进水平接轨。国内生产的轴承钢氧含量都能满足新国家标准要求，其中以 兴澄特钢、上海五钢生产的轴承钢氧含量最低，已接近国外轴承钢先进国家的 水平。有多家企业得到了s k f 、f a g 、n s k 、美国通用轴承公司等公司的认证。 目前，我国模铸轴承钢的氧含量在9 1 3 p p m 范围内，连铸轴承钢中的氧含量 在7 1 0 p p m 范围内。由此可见，我国重点特殊钢生产厂家生产的轴承钢中的 氧含量已接近国外生产轴承钢先进国家的水平p - 川。 但是，与工业发达国家相比，目前我国生产的轴承产品无论是材料的质量 和钢种的数量还是热处理工艺及装备，尚存在一定的差距。我国轴承钢的氧含 量虽然已接近国外先进水平，但夹杂物和碳化物尺寸及分布的均匀性、成分均 匀性与国外相比还有很大的差距，如大尺寸的夹杂物和碳化物较多、基本成分 不均匀形成黑白区等，造成轴承零件质量先天不足，严重影响了轴承的寿命、 可靠性及一致性。此外，滚动接触面上大尺寸夹杂物的存在还严重降低表面精 度，增加轴承的噪声。国产轴承在性价比、高精度、低噪声、长寿命及高可靠 性等方面与与国外先进国家的质量水平存在较大的差距1 2 l 。 1 2 滚动轴承的质量、性能要求及失效形式 1 2 1 轴承钢的质量要求 轴承钢主要用于制造轴承套圈( 内套、外套) 和滚动体( 滚珠、滚柱、滚针) 。 在合金钢领域中，轴承钢是检验项目最多、质量要求最高、生产难度及用量最 大的钢种之一。从三个方面衡量轴承钢质量的高低：一是纯净度，即钢中夹杂 物的含量；二是碳化物不均匀性：三是钢材的表面质量，包括尺寸精度，表面 裂纹。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 轴承钢的纯净度是指轴承钢中夹杂物的含量与类型、气体含量及有害元素 的种类和含量。应尽可能降低轴承钢中的夹杂物含量。因为夹杂物破坏了钢的 连续性；在压力a n y ：过程中或热处理时由于金属( 基体) 与夹杂物的热膨胀系数 不同，在夹杂物和金属界面处产生符号相反的微观应力，形成初始裂纹，初始 裂纹则是金属进一步疲劳破坏的疲劳源：单独的硫化物夹杂同样破坏了钢的连 续性。在洁净润滑条件下，钢中的脆性夹杂物是次表面疲劳剥落的源点，氧化 物型( a 1 2 0 3 、s i 0 2 等) 和t i 型( t i n ) 非金属夹杂物是有害的，会缩短轴承寿命， 尤其是粗大的硬脆夹杂物对接触疲劳的寿命影响最大，夹杂物的尺寸越大，与 基体的硬度差别越大，其危害越大。因此，为了延长轴承寿命，有效的方法是 减少非金属夹杂物量，其中最有效的方法是降低钢中的n 和氧含量邮，。氧含量 的高低是评价轴承钢纯净度的重要依据，随着钢中氧含量的降低，轴承的疲劳 寿命可以成倍提高。目前，轴承钢中的氧含量很容易控制在1 5 p p m 以下。当 氧含量达到兰p p m 的水平后，对轴承钢纯净度的进一步提高出现了两种不同的 倾向：以山阳为代表的日本轴承钢生产厂仍然在为更低的氧含量而努力，超纯 轴承钢的氧含量甚至达到4 - - - 5 p p m ，同时钛含量也降低至7 - 8 p p m 。而以s k f 为代表的欧美企业则更重视夹杂物的尺寸、数量和性质，要求尺寸小，数量少， 可变形f 4 - 1 4 , - 1 5 。 轴承钢生产工艺是以a 1 作为主要脱氧剂的。用a 1 脱氧成本低且可以获得 较低的溶解氧含量【1 6 】。但是脱氧产物a 1 2 0 3 容易聚集成簇状的a 1 2 0 3 ，夹杂不 易上浮去除，对轴承钢的疲劳寿命产生危害【1 7 】。目前，控制轴承钢中a 1 2 0 3 夹 杂物数量主要有两种工艺措施：高碱度l f 渣精炼以及使用新型脱氧剂对a 1 2 0 3 夹杂物进行变质处理。高碱度渣精炼虽然可以有效地减少钢中a 1 2 0 3 夹杂物的 数量，但同时会形成铝酸钙类夹杂物，此类夹杂物同样对轴承钢疲劳寿命有害 d s - 2 0 。目前，国内外研究者尝试采用m g 、b a 等碱土金属对轴承钢夹杂物进行 变质处理，以获得形状和尺寸都比较理想的复合夹杂物，从而提高轴承钢疲劳 寿命。s a x e n a 对镁合金的研究结果表明，镁能使a 1 2 0 3 和m n s 夹杂物变性。 镁可以使簇a 1 2 0 3 夹杂变成尺寸细小、边缘圆滑的a 1 2 0 3 m g o 夹杂物。且其在 轧制过程中不易引发形成空穴和成为应力源。尖晶石夹杂物被能变形的硫化物 所包裹，这种多相的夹杂物对钢的疲劳性能有害程度较j m 2 1 2 2 。周得光等的实 验结果表明，微量镁能改善轴承钢的性能，当钢中镁含量增加到0 0 0 2 - - 0 0 0 3 ，其抗拉强度和屈服强度增加5 ，塑性基本保持不变i ：，】。 轴承钢的均匀性是指材料的化学成分、内部组织包括基体组织、析出相碳 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 化物颗粒度及其间距、夹杂物颗粒和分布等均匀程度。轴承钢多为过共析钢， 有相当数量的碳化物，这些碳化物颗粒大小及分布状态，对轴承的耐磨性及疲 劳寿命都有很重要的影响。轴承钢中碳化物的不均匀分布是由于钢锭结晶偏析 所造成的，表现为碳化物液析、碳化物带状和轧后冷却过程中沿晶界析出的网 状碳化物。国外从两方面着手改善轴承钢的碳化物不均匀性，一是减小钢锭或 钢坯的偏析，严格控制浇铸温度，将过热度控制在1 0 1 5 ；二是加强钢锭 或铸坯的高温均热扩散，对钢锭或钢坯进行高温均热扩散，以消除碳化物液析， 改善碳化物带状；另外采用低终轧温度或对钢材进行正火处理来改善网状碳化 物，以消除大块碳化物1 2 4 - 2 6 。但是高碳铬轴承钢组织中的碳化物偏析一直难以 得到根本消除，使得轴承钢的疲劳寿命受到很大的影响。国内外各轴承钢企业 和许多研究者曾采用各种工艺来减轻和改善组织中的碳化物偏析1 2 7 2 8 ，但是尚 未找到一个行之有效的工艺。 1 2 2 滚动轴承的主要失效形式 一般情况下，滚动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。 ( 1 ) 接触疲劳失效：接触疲劳破坏是轴承正常破坏的主要形式。滚动轴 承运转时，滚动体在轴承内、外圈的滚道问滚动，其接触部分承受周期性交变 载荷，多者每分钟可达数十万次，在周期性交变应力的反复作用下，接触表面 出现疲劳剥落。滚动轴承开始出现剥落后便会引起轴承振动、噪音增大工作温 度急剧上升，致使轴承最终损坏。 ( 2 ) 磨损失效：滚动轴承正常工作时，除了发生滚动摩擦外，还伴有滑 动摩擦。发生滑动摩擦的主要部位是：滚动体与滚道之间的接触面、滚动体和 保持架兜孔之间的接触面、保持架和套圈引导挡边之间以及滚子端面与套圈引 导挡边之间等。滚动轴承中滑动摩擦的存在不可避免地使轴承零件产生磨损。 持续的磨损会使轴承零件尺寸和形状变化，配合游隙增大，工作表面形貌恶化 而丧失旋转精度，由此引起工作温度升高、振动、噪声、摩擦力矩增大等，导 致轴承不能正常工作。 ( 3 ) 断裂失效：滚动轴承的内外圈、滚动体和保持架，在一定的条件下 都可能出现危害性很大的断裂失效。断裂的主要原因有过载和缺陷两大因素。 由于外加载荷超过轴承零件材料强度极限，造成轴承零件断裂称为过载断裂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 另外，由于轴承零件存在着微裂纹、缩孔、气泡和大块外来夹杂物等缺陷，在 正常载荷作用下，也会在缺陷处引起断裂，称为缺陷断裂。 ( 4 ) 塑性变形失效：在外力和环境温度作用下，轴承零件表面局部塑性 流动或整体塑性变形，致使整套轴承不能正常工作而造成的失效称为塑性变形 失效，包括保持架翘曲、塑性划痕、压痕。 ( 5 ) 游隙变化失效：滚动轴承对游隙有严格的使用要求，否则达不到规 定的运转精度和寿命。轴承在工作过程中，受到外界或内在因素变化的影响， 改变了原来的配合间隙，使精度降低，甚至造成咬死的现象训。 1 2 3 滚动轴承的性能要求 滚动轴承对材料的基本要求在很大程度上取决于轴承的工作性能。选择制 造滚动轴承的材料是否合适，对其使用性能和寿命将有很大影响。其中很多性 能是由材料和热处理工艺所共同决定的。由于滚动轴承对材料的基本要求是由 轴承的失效形式决定的，所以要求制造滚动轴承的材料经过后工序的一定热处 理后应具备下列性能： ( 1 ) 高的接触疲劳强度：轴承工作时，滚动体在轴承内、外圈的滚道间 滚动，其接触部分承受周期性交变载荷，多者每分钟可达数十万次，容易造成 接触疲劳破坏。因此，要求滚动轴承用钢应具有高的接触疲劳强度。 ( 2 ) 高的耐磨性：滚动轴承正常工作时，除了发生滚动摩擦外，还伴有 滑动摩擦。如果轴承钢的耐磨性差，滚动轴承便会因磨损而过早地丧失精度或 因旋转精度下降而使轴承振动增加、寿命降低。因此，要求轴承钢应具有高的 耐磨性。 ( 3 ) 高的弹性极限：滚动轴承工作时，由于滚动体与套圈滚道之间接触 面积很小，轴承在承受载荷时，尤其是在承受较大载荷的情况下，接触表面的 接触压力很大。为了防止在高接触应力下发生过大的塑性变形，使轴承精度丧 失或发生表面裂纹，要求轴承钢应具有高的弹性极限。 ( 4 ) 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，直接影响着滚动轴承的寿命，轴承 的硬度通常要根据轴承承受载荷的方式和大小、轴承尺寸和壁厚的总体情况来 决定。对于由于疲劳剥落或耐磨性差使轴承精度丧失的情况，轴承零件应选用 较高的硬度；对于承受较大冲击载荷的轴承( 例如轧机轴承、铁路轴承和一些 汽车轴承等) ，应适当降低硬度以提高轴承的韧性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 5 ) 一定的冲击韧性：很多滚动轴承在使用过程中都会受一定的冲击载 荷，因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因冲击而破坏。对于承受 较大冲击载荷的轴承例如轧机轴承、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耐冲击韧性。 ( 6 ) 良好的尺寸稳定性：滚动轴承是精密的机械零件，其精度是以微米 为计算单位。在长期的保管和使用过程中，因内在组织发生变化或应力变化会 引起轴承尺寸的变化，导致轴承丧失精度。因此，为保证轴承的尺寸精度，轴 承钢应具有良好的尺寸稳定性。 此外，对于特殊工作条件下使用的轴承，除上述几个基本要求外，对其用 钢还必须提出相应的特殊性能要求，如耐高温性能、高速性能、抗腐蚀以及防 磁性能等 3 2 - 3 3 。 1 3 滚动轴承钢的热处理技术 在材料质量确定之后，热处理是实现各种轴承满足性能及寿命要求最主要 的工序。滚动轴承工业从2 0 世纪初发展至今，已有百余年的历史。这期间， 滚动轴承用钢已发展为门类相对齐全的轴承用钢系统。根据每种钢种的每种材 料以及使用工况的不同，其特定的热处理强化方法也不同。轴承钢中应用最广 泛的是g c r l 5 。下面就以g c r l 5 为基础，来介绍轴承的热处理工艺。 1 3 1 常规轴承热处理工艺 轴承的热处理包括两个环节，预处理是球化退火，终处理是淬火和低温回 火。 1 3 。1 1 球化退火 轴承钢球化退火的目的，一是降低硬度，以利于切削加工；二是获得铁素 体基体上均匀分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织，为最终热处理做好 组织准备。碳化物的形状、大小、数量和分布对最终性能影响很大，而碳化物 的组织形态是很难由最火的淬火和回火改变的，因为淬火时有相当一部分碳化 物不能溶解，它们的组织形态基本上仍是由球化退火决定的，所以应对球化退 火严格控制。传统的球化退火工艺是在略高于a c l 的温度( 如g c r l 5 为7 8 0 一 8 1 0 ) 保温后随炉缓慢冷却( 2 5 h ) 至6 5 0 以下出炉空冷。若冷速太快， 碳化物比较细小弥散，硬度较高，太慢则碳化物聚集长大，硬度较低。该工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 热处理时间长( 2 0 h 以上) ，且退火后碳化物的颗粒不均匀，影响以后的冷加 工及最终淬回火的组织和性能。之后，根据过冷奥氏体的转变特点，开发等温 球化退火工艺：在加热后快冷至a r l 以下某一温度范围内( 6 9 0 7 2 0 ) 进行 等温，在等温过程中完成奥氏体向铁素体和碳化物的转变，转变完成后可直接 出炉空冷。该工艺的优点是节省热处理时间( 整个工艺约1 2 1 8 h ) ，处理后 的组织中碳化物细小均匀。另一种节省时间的工艺是重复球化退火：第一次加 热到8 1 0 后冷却至6 5 0 ，再加热到7 9 0 。c 后冷却到6 5 0 出炉空冷。该工艺 虽可节省一定的时间，但工艺操作较繁d 2 、m s 】。 1 3 1 2 马氏体淬回火 淬火和低温回火是热处理的第二个环节，也是最后决定轴承钢性能的热处 理工序。加热温度在a c l - - a c m 之间，奥氏体化温度越高，原始组织越不稳定， 则奥氏体基体的碳含量越高，淬后组织中残余奥氏体越多，片状马氏体越多， 尺寸越大，亚结构中孪晶的比例越大，且易形成淬火显微裂纹。与此同时，随 奥氏体化温度的提高，淬后硬度提高，韧性下降，但奥氏体化温度过高则因淬 后残余奥氏体过多而导致硬度下降。并且急剧降低钢的冲击韧性和疲劳强度。 对g c r l 5 来说，淬火温度应严格控制在8 4 0 + 10 。c 范围内，常规马氏体淬火后 的组织为马氏体、残余奥氏体和未溶碳化物组成。淬火后应立即回火，以消除 内应力，提高韧性，稳定组织及尺寸。g c r l 5 钢的回火温度为1 5 0 - - - 1 6 0 ， 回火时间为2 - - 一3 h ，回火组织为回火马氏体、均匀细小的碳化物及少量的残余 奥氏体。为了消除零件在磨削加工时产生的磨削应力，以及进一步稳定组织及 尺寸，在磨削加工后再进行一次附加回火，回火温度为1 2 0 - 1 5 0 ，回火时 间为2 3 h 。精密轴承必须保证在存放或使用过程中尺寸不发生变化，而尺寸 变化的原因是由于存在未完全消除的内应力和残余奥氏体。因此，对于尺寸精 度要求较高的轴承零件，为了保证尺寸的稳定性，一般希望残余奥氏体越少越 好，如淬火后进行补充水冷或深冷处理，采用较高温度的回火等1 3 厶3 7 制j 。但残 余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力，一定的条件下，工件表层的残余奥氏体 还可降低接触应力集中，提高轴承的接触疲劳寿命，这种情况下在工艺和材料 的成分上采取一定的措施来保留一定量的残余奥氏体并提高其稳定性，如加入 奥氏体稳定化元素s i 、m n ，进行稳定化处理等1 4 1 - 4 2 1 。 近2 0 年来，常规的高碳铬轴承钢的马氏体淬回火工艺的发展主要分两个 方面：一方面是开展淬回火工艺参数对组织和性能的影响，如淬回火过程中的 组织转变、残余奥氏体的分解、淬回火后的韧性与疲劳性能等【4 ，舶】；另一方面 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 是淬回火的工艺性能，如淬火条件对尺寸和变形的影响、尺寸稳定性等i s o - s l 】。 1 3 2 提高轴承性能的热处理新工艺 轴承零件热处理质量的好坏直接影响着后续加工的质量并最终影响到轴 承产品的精度、寿命等因素。长期以来，轴承热处理采用马氏体淬回火工艺。 2 0 世纪8 0 年代，轴承行业对g c r l 5 、g c r l 8 m o 贝氏体淬火工艺及性能进行了 系统的研究。9 0 年代初开始逐步在轧机、机床、客车轴承上推广应用。另外， 高碳铬轴承钢的渗碳或碳氮共渗、离子注入、低温离子渗硫、感应加热表面淬 火、表面涂覆等技术也得到了长足发展与应用【s ：，。 贝氏体等温淬火：高碳铬轴承钢经下贝氏体淬火后，其组织由下贝氏体、 马氏体和残余碳化物组成。高碳铬轴承钢下贝氏体组织能提高钢的比例极限、 屈服强度、抗弯强度和断面收缩率，与淬回火马氏体组织相比，具有更高的冲 击韧性、断裂韧性及尺寸稳定性，表面应力状态为压应力。适用于装配过盈量 大、服役条件差的轴承，如承受大冲击负荷的铁路、轧机、起重机等轴承，润 滑条件不良的矿山运输机械或矿山装卸系统、煤矿用轴承等。高碳铬轴承钢贝 氏体等温淬火工艺已在铁路、轧机轴承上得到成功应用，取得了较好效果瞪3 。5 8 1 。 高碳铬轴承钢的渗碳或碳氮共渗：高碳铬轴承钢一般是整体淬硬，淬后的 残余应力为表面拉应力状态，易造成淬火裂纹、降低轴承的使用性能。通过对 其进行渗碳、渗氮或碳氮共渗，提高表层的碳、氮含量，降低表面层的m s 点， 在淬火过程中表面后发生转变而形成表面压应力，可提高耐磨性及滚动接触疲 劳性能( 5 9 - 6 2 。 离子注入：离子注入用于材料表面改性是近2 0 年的事，它可以提高基材 的摩擦、磨损、腐蚀和其它化学性能，