材料工程设计第7讲

第7讲滚动轴承的材料及其选用1.滚动轴承的结构和特点滚动轴承的种类之多，至今已有6万多种。结构上一般由外套、内套、滚动体【钢球、滚子（圆柱、圆锥、球面）、滚针】、保持架和润滑油等组成。目前最小直径的轴承内径为0.6mm，最大轴承的外径达5.492m，重量达6.38t。优点：摩擦阻力小，起动灵敏，效率高，轴向尺寸小，能同时承受轴向和径向载荷，润滑方便，批量生产易于互换等。缺点：抗冲击能力较差，高速运转时出现较大的噪音，振动较大，工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承，安装径向尺寸较大。图-1滚动轴承的基本结构2.滚动轴承的类型轴承按其能承受的载荷方向或公称接触角度的不同，分为：向心轴承（径向接触轴承、向心角接触轴承）、推力轴承（轴向接触轴承、推力角接触轴承）。轴承按其滚动体的种类，分为：球轴承、滚子轴承（圆柱滚子、轴承滚针、轴承、圆锥滚子、轴承调心滚子轴承）。轴承按其工作时能否调心，分为：调心轴承、非调心轴承（刚性轴承）。轴承按滚动体的列数，分为：单列轴承、双列轴承、多列轴承。按滚动轴承外径尺寸大小分类，分为：微型轴承——公称外径尺寸范围为26mm以下的轴承；小型轴承——公称外径尺寸范围为28—55mm的轴承；中小型轴承——公称外径尺寸范围为60—115mm的轴承；中大型轴承——公称外径尺寸范围为120—190mm的轴承；大型轴承——公称外径尺寸范围为200—430mm的轴承；特大型轴承——公称外径尺寸范围为440mm以上的轴承。轴承按其部件能否分离，分为：可分离轴承、不可分离轴承。轴承按其结构形状（如有无装填槽，有无内、外圈以及套圈的形状，挡边的结构，甚至有无保持架）还可以分为多种结构类型。3.滚动轴承的工作条件失效形式及材料性能要求滚动轴承套圈和滚动体接触面上承受高载荷（球轴承的接触应力达4900MPa，滚柱轴承接触应力达2940MPa）交变应力，在高转速（dN值2.5×106mm·r/min）下长时间运行。主要失效形式有：接触疲劳、磨损、断裂等。对滚动轴承材料的性能要求：高硬度高的接触疲劳性能高的耐磨性一定的韧性良好的尺寸稳定性良好的冷热加工性能4.滚动轴承常用材料通常套圈和滚动体均采用高碳铬轴承钢，长期实践证明它是制造滚动轴承的最佳钢种，其中GCr5钢占滚动轴承用量的90%以上。外套带有挡边和高冲击载荷下工作的滚动轴承采用合金渗碳钢，它主要要含有铬镍钼等元素。渗碳轴承钢经渗碳淬回火后达到表硬心韧的最佳性能配合，适用于承受高冲击载荷条件，如：轧机轴承。钢中存在非金属夹杂物易形成早期疲劳剥落，所以以高纯度轴承钢（真空感应+真空自耗冶炼）制造高可靠性、长寿命、高精密轴承，如：航空发动机主轴轴承、高精度陀螺轴承和高精密（P2、P4等）机床主轴轴承等。对于在化工、航空、原子能等装备中和食品、仪器、仪表等设备中使用的滚动轴承还需要具有耐蚀性、耐低温或耐高温、抗辐射和防磁等特性，因此滚动轴承还用到不锈钢等替他材料。表1轴承钢的类型类

型钢

号备

注高碳铬轴承钢GCr4,GCr6,GCr9,GCr9SiMn,GCr15,GCr15SiMn,GCr15SiMo,GMnMoVRe*,GSiMoMnV*GB/T18254,GB/T18579GB3203,GB/T3077YB/T4107,YB/T4101渗碳轴承钢G20CrMoA,20CrNiMoA,CG20CrNi2MoA,G20Cr2Ni4A,G10CrNi3MoA,20Cr2Mn2MoGB3203,YB/T4100

不锈轴承钢9Cr18,9Cr18MoGB3080,YB/T096高温轴承钢H8Cr4Mo4V,HCr14Mo4,H8Cr4Mo4,W18Cr4V,H3Cr4Mo4Ni4V,2W10Cr3NiV,W9Cr4V2Mo,GCrSiWA

YB/T4105,YB/T4106,YB/T1205,GB/T3080,GB/T9943,WS9-6015,WS9-6027中碳轴承钢50,55,70Mn,GCr10(40CrA),50SiNi,G55SiMoVA(52SiMoVA,50SiMoVA),GB/T3077,Q/XGSZ167,Q/XGSZ169特大型轴承钢40CrMo,50Mn,5CrMnMoGB/T699,GB/T1299,GB/T3077特殊轴承用材及合金00Cr40Ni55Al3,Cr23Ni28Mo5Ti3Al,7Mn15Cr2Al3V2WMo,Monelk-500GB/T1299,试制技术条件保持架用材08,10,15,30,35,45,15CrMo,20CrMo,0Cr18Ni9Ti,1Cr13,H62,HPb59-1,QAl10-3-1.5,QSi3-1,QSi3.5-3-1.5,QSn6.5-0.1,GB/T13237,GB/T3077,GB/T4240,GB/T2024,GB/T5231,GB/T20595.滚动轴承零件的加工工艺过程零件名称加工过程套圈热轧未退火棒料→锻压毛坯→正火→球化退火→热轧未退火棒料（钢管）车削加工→淬回火→粗磨（附加回火）→细磨→精研工作面→成品→清洗→防锈→包装滚动体冷冲及半热冲钢球钢丝或冷拉条钢→冷冲或半冷冲（热冲）→光球加工→淬回火→粗磨→强化处理→精磨→精研→成品→清洗→防锈→包装热冲及模锻钢球

热冲未退火钢条→→球化退火→光球

下料→热锻（锉削→软磨）→淬回火→粗磨→强化处理→精磨→精研→成品→清洗→防锈→包装滚珠与滚针冷拉钢丝或条钢→冷冲、冷轧或车削→淬回火→粗磨→精磨→成品→清洗→防锈→包装6.高碳铬滚动轴承的热处理工艺方法工艺目的工艺要点预先热处理退火球化退火一般球化退火使组织转变为均匀分布的粒状珠光体组织，获得最佳的机加工性能，并为淬火提供良好的原始组织。790~810℃等温后10~30℃冷却到650℃出炉空冷。等温球化退火790~810℃等温后快冷到680~720℃或710~720℃炉冷到650℃出炉空冷。快速球化退火正火+一般球化退火细化循环球化退火790±10℃等温后炉冷到735℃等温15min在升温765℃等温15min炉冷到650℃等温后出炉空冷。再结晶退火消除冷轧、冷拔和冷冲压后的冷作硬化，使晶粒得到再结晶550~650℃等温3~5小时后炉冷。正火消除和改善网状碳化物，细化和均匀化组织消除和改善网状碳化物时正火温度较高，细化和均匀化组织正火温度较低，以GCr15为例，前者在930~980℃，后者在860~920℃。双细化处理锻造预热淬火高温回火碳化物细化和晶粒细化锻造后在735±5℃等温3~4小时后空冷。锻造后快冷等温退火锻造余热沸水中淬火后在Ac1上进行等温退火亚温锻造快冷等温退火在800~840℃锻压加工后在680~720℃等温处理炉冷至600出炉空冷。最终热处理淬火获得高的硬度和耐磨性，高的接触疲劳寿命和可靠性，高的尺寸稳定性淬火温度一般在830~860℃，加热时间一般与材料和零件的尺寸有关。冷处理多在-20℃冷冻室处理，高精度轴承采用干冰酒精（-70℃）或其他方法处理。回火常用180~200℃回火，对于载荷轻、尺寸稳定性要求高的轴承采用200~250℃回火。7.高碳铬轴承零件淬火后质量检验零件名称检查项目技术要求检查方法套圈硬度显微组织断口裂纹与其他缺陷畸变表面硬度>63HRC隐针马氏体、均匀分布的细小残余碳化物和少量的残留奥氏体组织；不允许有过热针状马氏体，残余碳化物颗粒<4.2μm，碳化物网<3级淬火后断口具有细小晶粒闪烁光泽，不允许有欠热、过热及其他形式断口存在不允许有裂纹，脱碳、软点等缺陷不得超过规定值套圈的畸变应该在可控制范围内，一般按轴承的大小和磨削余量对椭圆度和弯曲度进行检验用洛氏硬度计、表面洛氏硬度计、维氏硬度计或显微硬度机进行硬度检查显微组织用金相显微镜检查，放大倍数500倍将淬火后的套圈或其他零件用压力机或其他方法压断后用肉眼观察其断口特征检查软点或脱碳用酸洗法，其深度用金相法测定。软点也可以用硬度法测定。裂纹用磁力探伤、冷酸洗、油侵喷砂等方法进行检查椭圆度用外径测量仪测量，弯曲度用C803仪器测量，尺寸涨缩用外径仪测量，圆锥内套用D13和D914检查钢球硬度显微组织断口裂纹与其他缺陷钢球直径≤45mm，淬火后硬度>64HRC;钢球直径≤45mm，淬火后硬度>64HRC;其他通套圈滚珠滚针硬度显微组织断口裂纹与其他缺陷同套圈7.渗碳钢制滚动轴承的热处理零件类型常用材料工艺目的工艺及质量要求中小型轴承零件15钢主要用于汽车万向节轴承外套；20Cr2Ni4A/20Cr2Mn2MoA主要用于耐高冲击载荷轴承，如：汽车方向盘轴承外套，飞机起落架轴承；G20CrNiMoA主要用于汽车轮鼓轴承。轴承表面获得高硬度、高耐磨性、抗接触疲劳，而轴承心部具有高的韧性，能承受高的冲击载荷。渗碳层深度(有效厚度/层深）88~1414~2020~5050~80>800.7~1.21.0~1.61.5~2.3>2.5>3>3.5表层碳浓度表面碳浓度一般控制在0.8~1.0%（质量分数），过渡层碳浓度要求平缓。渗碳淬火硬度62~66HRC回火硬度60~64HRC心部硬度>25HRC工艺要点在920~940℃渗碳后冷却到淬火温度保温后直接淬火，清洗后低温回火处理，必要时采用间接淬火，有时在淬火之前增加高温回火或等温球化处理。特大型轴承零件G20CrMoA,G20CrNiMoA,G20CrNi2MoA,G20Cr2Ni4A,G10CrNi3MoA,G20Cr2Mn2MoA渗碳硬化层深度(有效厚度/层深）<5050~80>80>2.5>3>3.5表层碳浓度表面碳浓度一般控制在0.9~1.1%（质量分数），过渡层碳浓度要求平缓。渗碳淬火硬度61~66HRC回火硬度59~64HRC心部硬度>30HRC工艺要点在940~960℃渗碳后冷却到淬火温度保温后直接淬火，清洗后高温回火处理，在进行二次淬火，清洗后进行等温回火处理，必要进行稳定化处理。8.耐腐蚀滚动轴承钢的热处理钢种主要用途工艺方法工艺及质量要求9Cr189Cr18Mo(马氏体不锈钢）制造在海水、河水、蒸馏水、硝酸、海洋性气候蒸汽等腐蚀介质中工作的轴承零件；制造微型轴承零件；适于在高真空及在－253~350℃范围工作的轴承零件。锻造这种钢导热性差，碳化物在高温下溶与奥氏体的速度慢，淬透性好，因此锻造加热速度不能过快，可采用预热等温，冷却速度不能过快，可采用保温冷却正常组织：马氏体+残奥+一次、二次碳化物，晶粒细小，避免网状碳化物出现，防止组织过烧、过热。退火一般采用低温球化退火工艺、等温球化退火工艺、一般球化退火工艺碳化物均匀分布，孪晶碳化物和；硬度：197~241HBW（JB/T1640)淬火回火再真空或气氛炉中预热到800~850℃保温再升到淬火温度1050~1100℃在热油中淬火或氮气淬。之后进行冷处理，回火处理和稳定化处理（补充回火）。正常组织：隐针或细小的马氏体和一、二次残留碳化物及残余奥氏体。(JB/T1460)对变形也作为质量控制参数(JB/T1255)不允许存在淬回火裂纹0Cr18Ni91Cr18Ni91Cr18Ni9Ti（奥氏体不锈钢）制造耐腐蚀轴承的保持架、防尘盖、铆钉、套圈、钢球等。固溶时效在1080~1150℃固溶处理温水冷却随后在850℃时效处理水冷或空冷固溶处理后的硬度约为135~180HBWCr17Ni21Cr132Cr133Cr134Cr13（铁素体不锈钢)制造高速耐腐蚀轴承保持架；制造BK型滚针轴承的外套；制造关节轴承的内套；制造耐腐蚀滚针和套圈退火在650~900℃退火后缓慢冷却退货后的硬度约在130~300HBW淬回火在925~1100℃加热后依据不同钢种进行冷却（空冷、油冷或水冷），然后依据刚不同在200~300℃或600~700℃之间进行回火处理淬火/回火硬度：Cr17Ni2:38~43HRC/321~360HBW1Cr13:380~415HBW/185~380HBW2Cr13:380~415HBW/200~380HBW3Cr13:485~560HBW/429~477HBW4Cr13:530~5603HBW/48~53HRC9.高温滚动轴承钢的热处理钢种主要用途工艺方法工艺及质量要求HGCr15工作温度-55~200℃套圈和滚动体碳化物细化处理加热到930℃保温后喷雾冷却到30~90℃油冷，再加热到775℃保温以60~80℃冷却到600℃后空冷。碳化物细化后组织胺JB1255第一级别为≤2级，硬度200~229HBW淬回火真空加热（预热）到845~865℃保温后真空油淬火，出油温度>300℃,或喷雾冷却。回火规范根据轴承的使用温度确定。回火温度套圈钢球滚子200℃60~63;62~66;61~65250℃58~62;58~62;58~62300℃55~62;58~62;58~62350℃≥52;≥52;≥52;400℃≥48;≥48;≥48;GCrSiWV工作温度-55~250℃套圈和滚动体锻造预先热处理加热到945℃左右吹风冷却，加热到810℃保温后快冷，再在720，710℃球化炉冷到650℃出炉冷却。组织为均匀细小的珠光体，硬度207~229HBS淬回火在880℃加热保温淬入90~110℃油中，再在300℃，100℃分别回火组织为隐针马氏体加少量碳化物，晶粒度为9~10级，淬火后硬度≥65HRC，回火硬度≥660HRCCr4Mo4V①工作温度-55~315℃套圈和滚动体退火规范更聚聚不同钢种和加工零件的种类不同可以采用一般退火工艺、等温退火工艺、低温退火工艺按JB2850标准，硬度为197~241HBW，脱碳层不得超过软磨余量的2/38Cr14Mo4V②制造高温腐蚀介质中工作温度-55~430℃的轴承套圈和滚动体H13Cr4Mo4Ni4V制造