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荷 ( 有時接觸應力可達5000MPa，應力交變次數(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)量分數(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)量分數(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)量分數(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) 預先熱處理

滾動軸承零件在切削加工前須經(jīng)過預先熱處理，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備。

1) 正火

滾動軸承鋼在球化退火前的組織應是片狀珠光體，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系較大，操作時應嚴格控制。

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) 雙細化處理：雙細化處理是一種使碳化物與晶粒均得到細化的預先熱處理工藝。

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粒狀珠光體，硬度HBS207～220。

③亞溫鍛造后細化處理 

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。因此在確定加熱溫度時，應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，應較正常加熱溫度低10～20℃；零件尺寸大，應選擇較高加熱溫度。由于軸承鋼為高碳鋼，淬火加熱時應注意防止氧化脫碳，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數(shù)的10%～15%，分級淬火或等溫淬火后殘余奧氏體的體積分數(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，應先進行110～130℃保溫30～40min的預回火，然后進行深冷處理。

經(jīng)深冷處理的零件在溫度恢復到室溫后，應在4h內(nèi)進行回火, 以防止開裂。對于尺寸穩(wěn)定性要求嚴格的零件, 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，應延長至6～12h。精密軸承在油浴中回火，回火時間應增加1h。

為消除在磨制加工時產(chǎn)生的應力，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、細小針狀馬氏體和均勻分布的細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）