軸承鋼概況及質量檢測

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軸承鋼是用來制造滾珠、滾柱和軸承套圈的鋼種。軸承在工作時承受著極大的壓力和摩擦力，因此要求軸承鋼有高而均勻的硬度和耐磨性以及高的彈性極限；另外，對軸承鋼的化學成分的均勻性、非金屬夾雜物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分嚴格。軸承鋼是所有鋼鐵生產中要求最嚴格的鋼種之一。軸承鋼按不同的用途可分為若干種類，但目前比較常用的為高碳鉻軸承鋼GCr15。高碳鉻軸承鋼GCr15是世界上生產量最大的軸承鋼，含碳（質量分數）為1%左右，含鉻量（質量分數）為1.5%左右。

軸承鋼的性能要求

眾所周知，在各種運輸車輛、機床、傳動機械以及其他高速轉動的機械中，軸承是不可缺少的零部件，而軸承鋼就是用來制造各種滾動軸承的專用鋼種。軸承鋼的材料特性主要表現在以下方面：由于軸承鋼的含碳量較高，鋼錠澆鑄及冷卻時容易產生碳和鉻的偏析，所以軸承鋼鋼錠開坯前應進行高溫保溫或擴散退火；軸承鋼的導熱性差，在加熱時要防止炸裂；軸承鋼在加熱過程中容易產生脫碳、過熱和過燒現象；軋后緩慢冷卻時有明顯的網狀碳化物析出；在終軋溫度低于800℃時，易產生帶狀碳化物。

滾動軸承的工作條件極為復雜，承受著各種高的交變應力，如拉力、壓力、剪力和摩擦力等?；趯S承工作條件和破壞情況的分析，對軸承鋼的性能要求主要有：具有高的接觸疲勞強度和抗壓強度；經熱處理后必須具有高而均勻的硬度；具有高的彈性極限，防止在高載荷作用下軸承發生過量的塑性變形；要有一定的韌性，防止軸承在受沖擊載荷作用時發生破壞；要有一定的抗腐蝕性能；要有良好的工藝性能，如成型、切削、磨削等性能，以適應大批量、高效率、高質量生產的需要；要具有良好的尺寸穩定性，防止軸承在長期存放或使用中因尺寸變化而降低精度。

根據軸承的特殊使用要求，軸承制造行業對軸承鋼的生產也提出了非常嚴格的質量要求，具體體現在標準YB9—68及軸承鋼生產標準YJZ84中，這兩個標準是目前軸承鋼生產中的兩個并行標準。

軸承鋼的產品系列

軸承鋼的產品系列主要有熱軋棒材、冷拔材、鍛材、管材、盤條以及鋼絲等幾類，其中用量最大的是熱軋棒材。由于各種機械在運行當中是否完全可靠，在很大的程度上要取決于軸承的質量和可靠性，因此，軸承和軸承鋼的質量越來越引起世界各國的重視。

目前，瑞典和日本的軸承鋼質量在世界上處于領先地位。我國軸承鋼的主要生產廠家有大冶特鋼、北滿特鋼、上鋼五廠、長城特鋼、大連鋼廠及本鋼等。太鋼軸承鋼的產量最高時近2萬t，約占全國總產量的1%～2%。

軸承鋼的研發方向

世界各國都在研究和開發新型軸承鋼以擴大應用和代替傳統的軸承鋼。例如：快速滲碳軸承鋼，通過改變化學成分來提高滲碳速度，其中碳含量（質量分數）由傳統的0.08%～0.20%提高到0.45%左右，滲碳時間由7h縮短到30min；高頻淬火軸承鋼，用普通中碳鋼或中碳錳、鉻鋼，通過高頻加熱淬火來代替普通軸承鋼，既簡化了生產工序又降低了成本，并提高了使用壽命。

我國開發了高淬透性和淬硬性軸承鋼GCr15SiMo，其淬硬性HRC≥60，淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接觸疲勞壽命L10和L50分別比GCr15SiMn提高73%和68%，即，在相同使用條件下，用GCr15SiMo鋼制造的軸承的使用壽命是GCr15SiMo鋼的近兩倍。近年來，我國還開發了能節約能源、節約資源和抗沖擊的GCr4軸承鋼。與GCr15相比，GCr4的沖擊值提高了66%～104%，斷裂韌性提高了67%，接觸疲勞壽命L10提高了12%。與全淬透的GCr15鋼軸承相比，GCr4鋼軸承的壽命明顯提高，可用于重載高速列車軸承。

新型軸承鋼主要向高潔凈度和性能多樣化兩個方向發展。提高軸承鋼的潔凈度，特別是降低鋼中的氧含量，可以明顯延長軸承的壽命。氧含量(質量分數)由28×10-6降低到5×10-6，疲勞壽命可以延長1個數量級。目前，我國可以將軸承鋼中的最低氧含量控制在10×10-6左右。軸承使用環境的變化要求軸承鋼必須具備性能的多樣化。例如：隨著設備轉速的提高，需要準高溫用(200℃以下)軸承鋼(通常采用在SUJ2鋼的基礎上提高Si含量、添加V和Nb的方法來達到抗軟化和穩定尺寸的目的)；腐蝕環境下使用需要開發不銹軸承鋼；為了簡化工藝，應該開發高頻淬火軸承鋼和短時滲碳軸承鋼；為了滿足航空航天的設備需要，應開發高溫軸承鋼。

隨著我國現代工業和科學技術的迅速發展，軸承的需用量日益增加，對其質量和性能的要求也越來越高，提出了高精度、高速、高溫、低摩擦、低溫升、低噪音和耐腐蝕等一系列要求。因此，對軸承鋼的要求也越來越嚴格，使其向著高質量、高性能和多品種的方向發展。

軸承鋼的質量要求

滾動軸承的使用壽命和可靠性很大程度上與軸承用鋼的冶煉質量有著密切的關系。由于軸承鋼所具有的特性，對冶煉質量的要求比一般工業用鋼要嚴格得多，如鋼的化學成分、純潔度、組織和均勻性等。滾動軸承要在拉伸、壓縮、彎形、剪切、交變等復雜應力狀態和高應力值之下，高速、長時間地工作。為了保證軸承具有良好的性能和高的壽命，對軸承鋼的質量要求如下：

化學成分是影響軸承鋼性能的最本質的因素。鋼的物理、化學、機械性能和金相組織都是由化學成分決定的，改變了化學成分，就改變了鋼的基本性質。因此，軸承鋼的化學成分必須符合標準規定的允許范圍。一般軸承用鋼主要是高碳鉻軸承鋼，即含碳量1%左右，加入1.5%左右的鉻，并含有少量的錳、硅元素的過共析鋼。鉻可以改善熱處理性能、提高淬透性、組織均勻性、回火穩定性，又可以提高鋼的防銹性能和磨削性能。但當鉻含量超過1.65%時，淬火后會增加鋼中殘余奧氏體，降低硬度和尺寸穩定性，增加碳化物的不均勻性，降低鋼的沖擊韌性和疲勞強度。因此高碳鉻軸承鋼中的含鉻量一般控制在1.65%以下。只有嚴格控制軸承鋼中的化學成分，才能通過熱處理工序獲得滿足軸承性能的組織和硬度。

特別嚴格的純潔度要求。鋼的純潔度是指鋼中所含非金屬夾雜物的多少，純潔度越高，鋼中的非金屬夾雜物越少。軸承鋼中的氧化物、硅酸鹽等有害夾雜物是導致軸承早期疲勞剝落、顯著降低軸承壽命的主要原因。特別是脆性夾雜物危害最大，由于在加工過程中容易從金屬基體上剝落下來，嚴重影響軸承零件精加工后的表面質量。因此，為了提高軸承的使用壽命和可靠性，必須降低軸承鋼中夾雜物的含量。為了保證軸承鋼有較高的疲勞強度、抗壓強度、表面硬度和較長的使用壽命，鋼中的氧化物、硫化物、點狀夾雜等各種非金屬夾雜物要嚴格地控制在一定的范圍之內；鋼中的各種碳化物(如碳化物液析、條狀碳化物、帶狀碳化物及網狀碳化物等)的不均勻性要控制在一定的級別之內。經熱加工后的軸承鋼成品，其表面脫碳層厚度要盡量減?。讳摬牡暮暧^低倍組織要良好，即一般疏松、中心疏松、偏析的級別要小，不允許出現皮下氣泡、縮孔、夾雜和裂紋。經退火后的鋼材，要求具有均勻、細小的球狀珠光體組織。

嚴格的低倍組織和顯微(高倍)組織要求。軸承鋼的低倍組織是指一般疏松、中心疏松和偏析，顯微(高倍)組織包括鋼的退火組織、碳化物網狀、帶狀和液析等。網狀碳化物降低鋼的沖擊韌性，并使之組織不均勻，在淬火時容易變形與開裂。帶狀碳化物影響退火和淬火回火組織以及接觸疲勞強度。碳化物液析硬而脆，它的危害性與脆性夾雜物相同。低、高倍組織的優劣對滾動軸承的性能和使用壽命有很大的影響，所以，在軸承材料標準中對低、高倍組織有著嚴格的要求。

根據不同成型方法對鋼材表面質量有不同程度的要求?？偟膩碚f，軸承鋼材表面不得有裂紋、折疊、拉裂、結疤和夾渣。對冷沖用的冷拉鋼材，除不允許上述缺陷外，表面要潔凈，不得有銹蝕、麻凹等缺陷。軸承鋼材表面不得有嚴重的脫碳現象，根據軸承零件成型工藝的不同要求，在標準中，對不同品種的鋼材表面脫碳層深度有不同的限制規定。

滾動軸承用鋼要求鋼材尺寸精度較高，原因是大部分軸承零件都要經過壓力成型。為了節省材料和提高勞動生產率，絕大部分軸承套圈都是經過鍛造成型；鋼球要經過冷鐓或熱軋成型，小尺寸的滾子也是經過冷鐓成型。如果鋼材的尺寸精度不高，就無法精確地計算下料尺寸和重量，而不能保證軸承零件的產品質量，也容易造成設備和模具的損壞。在對軸承鋼進行精加工時，為了對原材料準確下料并精確地加工成所要求的零件尺寸，對軸承鋼產品的尺寸精度也有嚴格的要求，同時還要求成品的外形（形狀精度）要平直。根據軸承零件成型工藝及軸承鋼的生產工藝，在標準中，對軸承鋼材各種品種、規格的尺寸公差都進行了規定。鍛造鋼材尺寸公差一般按GB908—72標準，熱軋鋼材尺寸公差按GB702—86，冷拉鋼材按GB905—82標準，冷拉鋼絲按YB245—64標準。

軸承鋼的軋制工藝

軸承鋼的軋制工藝對軸承鋼的冶煉質量要求很高，需要嚴格控制硫、磷、氫等含量以及非金屬夾雜物和碳化物的數量、大小和分布狀況。因為非金屬夾雜物和碳化物的數量、大小和分布狀況對軸承鋼的使用壽命影響很大，往往軸承的失效就是在大的夾雜或碳化物周圍產生的微裂紋擴展造成的。夾雜物的含量和鋼中氧含量密切相關，氧含量越高，夾雜物數量就越多，壽命就越短。夾雜物和碳化物粒徑越大、分布越不均勻，使用壽命也越短，而它們的大小、分布狀況與使用的冶煉工藝和冶煉質量密切相關，現在生產軸承鋼的主要工藝是連鑄以及電爐冶煉+電渣重熔工藝冶煉，還有少量采用真空感應+真空自耗的雙真空工藝，或+多次真空自耗等工藝來提高軸承鋼的質量。

根據軸承鋼的技術要求和鋼種特征，軸承鋼生產的大致軋制工藝過程如下：

軸承鋼在冶煉后鑄成的鋼錠有熱錠和冷錠之分。熱錠可以利用鋼錠的余熱進行紅送，裝入初軋工序的均熱爐內進行高溫擴散加熱，而冷錠則應及時退火，并對鋼錠的表面進行清理。

由于軸承鋼的導熱性較差，在開坯或成材的軋前加熱時速度不宜過快，鋼坯入爐時的爐尾溫度不宜過高，應小于700℃。高碳鋼的加熱溫度區間比較窄，通常在150℃～1200℃之間。溫度過低時變形抗力較大，而溫度過高則會出現過熱和過燒缺陷。軸承鋼的過燒溫度約為1220℃，一般的加熱溫度以1100℃～1180℃為宜。軸承鋼在加熱過程中的脫碳傾向很大。以GCr15為例，熱加工過程中的脫碳層厚度可達0.3～0.8mm，對軸承制品的表面硬度和強度有很大的影響。為了減少脫碳層厚度，在加熱過程中要盡量采用較低的加熱溫度和較短的加熱時間，在高溫區應避免長時間的加熱，爐內的氣氛要控制在還原性氣氛中。為了減輕鋼材的脫碳現象，鋼廠在熱加工和退火工序進行了鋼材表面涂抹防脫碳的保護涂層試驗，效果較好。

高溫時，高碳軸承鋼具有良好的塑性，可以用較大的壓下量進行軋制。軋后冷卻時，濃度較高的碳會沿著奧氏體的晶界析出，形成網狀碳化物。因此，鋼的終軋溫度應嚴格控制在800～850℃之間，以利于破碎網狀碳化物。溫度高于850℃時，鋼材在冷卻過程中會析出網狀碳化物；溫度低于800℃時碳化物開始析出，富集的碳化物偏析會隨著金屬的變形，延伸成帶狀碳化物。

對于球化退火狀態交貨的軸承鋼，在軋后和退火前需要降低網狀碳化物的級別，得到晶粒細小的奧氏體組織。為了達到這一要求，除了上述控制終軋溫度的方法外，另一個最有效的方法是對軋后的鋼材進行控制冷卻，而且它也是破除網狀碳化物和細化晶粒的一個關鍵環節。

控制軋制和控制冷卻是近十幾年來發展起來的新技術，在國內外已得到普遍使用。軸承鋼控制冷卻的工藝主要是：軋后的鋼材要穿水快速冷卻至500℃左右，此時鋼材內外的表面溫差較大，可依靠鋼材芯部的熱量使鋼材表面逐漸返紅至660℃，然后緩慢冷卻。這時鋼材可以在返紅過程中完成組織轉變。快速冷卻的目的是抑制鋼中網狀碳化物的析出，降低網狀碳化物的級別，同時可以使珠光體的轉變在較低的溫度下進行，得到晶粒細小的奧氏體組織，為隨后的球化退火提供良好的預備組織，以提高球化質量、縮短球化時間。目前國內外軸承鋼的控制冷卻主要采用雙套管冷卻器、環形噴嘴冷卻器及湍流管冷卻器等。

若用戶需對軸承鋼產品直接進行冷加工時，鋼材應進行球化退火，以使鋼材獲得合適的硬度及細小的珠光體球化組織，便于加工。由于鋼材在退火過程中還會繼續發生氧化和脫碳，因此，軸承鋼的退火多數是在通有氮氣、氫氣等的保護氣氛的連續退火爐內進行，這樣可以減輕鋼材的氧化和脫碳。據統計，在通有保護氣體的爐內退火，脫碳層的厚度最多只增加0.1mm左右。

軸承用鋼的常見缺陷

滾動軸承的使用壽命和可靠性很大程度上與軸承用鋼的冶煉質量有著密切的關系。由于軸承鋼所具有的特性，對冶煉質量的要求比一般工業用鋼要嚴格得多，如鋼的化學成分、純潔度、組織和均勻性等。鋼錠的皮下氣泡，嚴重的非金屬夾雜物及鋼材在鍛、軋過程中，加熱溫度過高，鍛、軋后冷卻快，終軋、終鍛溫度過低等原因都有產生裂紋的可能性。

軸承鋼在鍛、軋過程中產生的飛邊、毛刺、皺折和尖銳棱角等，在繼續軋制時壓入金屬內部，則形成折疊。由于鋼錠表面的夾渣、凹坑，在鍛、軋過程中形成較薄、扁平的分層，稱之為結疤。

因軋機導板上沾有金屬顆粒，導板安裝不當等原因，使軸承鋼鋼材表面刻劃出溝槽，稱為刮傷或劃痕。爐渣和各種耐火材料，在鋼澆注過程中未浮在鋼錠頭部，而集聚在鋼錠表面，鋼錠修整時，又未清理掉，因此就會在鋼材表面形成夾渣。

軸承鋼鋼材在加熱過程中，表面要發生氧化作用，爐氣中的氧與鋼材表面的碳進行氧化反應，形成氣體，使鋼材表面的碳量低于規定數值稱為脫碳。脫碳對高碳軸承鋼來說是一個嚴重的缺陷，往往造成軸承零件表面脫碳，淬火后的硬度達不到技術要求。

鋼液在澆注后的冷凝過程中，由于體積收縮而在鋼錠的中心部位形成孔洞，稱為縮孔。為了減少縮孔鋼材的危害，在鋼液澆注、結晶過程中要采用合理的工藝，使體積收縮而形成的孔洞移向鋼錠的頭部，在鋼錠開坯后，將縮孔部分切掉。但是，由于澆注、冷卻工藝不當，如定尺不合理、鋼錠頭部保溫不足、開坯后錠頭部位切除量少等，常會使縮孔殘留在鋼材內，而在低倍檢查時，就會顯示出來。

經酸洗后的鋼樣橫向截面中心或其附近區域呈現短小、不連續，一般呈輻射狀態分布的發絲狀開裂，或在軸承鋼鋼材的縱向斷口上出現表面光滑，形狀近似圓形或橢圓形的銀白色斑點，稱為白點。白點形成的原因，一是鋼中氫氣的存在，二是鋼材鍛造后在600～300℃沒有緩冷，氫氣未充分擴散，產生組織應力而開裂。有白點的鋼材或零件，其縱向、橫向機械性能都有顯著下降，故有白點的鋼材或零件沒有使用價值。

鋼錠或鋼坯在鍛造加熱時，溫度過高，表面層沿晶界處被氧氣侵入而產生氧化物。在晶界處和枝晶軸間的一些低熔點化合物發生熔化，以致在冷凝后形成裂紋或孔洞，這種現象稱為過燒。鋼材過燒后，再鍛時將引起開裂，即使不開裂，其強度和沖擊韌性都會大大降低，故不能使用。

軸承鋼在液體狀態溶解氣體的能力比固態時大，鋼液在冷凝過程中，氣體從鋼液中逸出，如來不及排出，則形成氣孔。此外，鋼錠模烘烤不良，會在鋼模表面存在水分或氣體；鋼錠模內表面涂料不良，會形成大量氣體，這些水分或氣體來不及排出鋼液，則形成皮下氣泡。氣泡的存在大大地降低了鋼材的強度。

在鋼液冷凝過程中，由于軸承鋼中碳、鉻、鎢、磷等元素結晶、擴散速度不同而形成的化學成分不均勻現象稱為偏析。偏析的存在會給以后的變形加工造成困難，例如：硫的偏析易產生熱脆，磷的偏析易產生冷脆。偏析的存在易引起金屬疲勞斷裂。

軸承鋼鋼液在冷凝過程中，由于體積收縮而引起的細小孔隙稱為疏松。分散分布的細小孔隙稱為一般疏松。分布在鋼材中心部位的細小孔隙稱為中心疏松。疏松降低了鋼材的致密度，使機械性能顯著下降，降低軸承的使用壽命。

軸承鋼在冶煉、澆鑄過程中，由于鋼液內各成分之間、鋼液與爐襯之間接觸所引起的化學反應產物、脫氧產物，以及爐壁、出鋼槽、鋼水包等耐火材料剝落而進入鋼液，這些進入鋼液而未排出的非鋼液物質稱為非金屬夾雜物。非金屬夾雜物在軸承鋼中的存在，是降低軸承使用壽命的主要原因之一。

軸承鋼的冶金檢驗方法

軸承鋼鋼材表面質量通常用肉眼檢查。退火及未退火的熱軋鋼材必要時可用風動或電動手提砂輪磨成螺旋槽進行檢查；冷拉退火條鋼和鋼管可用細的平銼刀在整根材料上銼成三到四處圓周光面，用肉眼檢查；鋼絲盤料通常也用肉眼檢查，也可采用酸洗檢查，即在盤料的兩端各取250mm長的鋼絲，按低倍酸洗工藝酸洗后肉眼檢查其表面。

尺寸精度檢驗方法：退火和不退火的熱軋圓鋼，用讀數值為0.1mm的游標卡尺或卡規進行尺寸精度檢查。冷拉條鋼和鋼絲用分度值為0.01mm的千分尺進行檢查。熱軋和冷拉鋼管的外徑尺寸和壁厚差分別用讀數值為0.1mm的游標卡尺和分度值為0.01mm千分尺檢查。冷軋鋼板和鋼帶的厚度用千分尺檢查。鋼材的長度、寬度用鋼直尺檢查。各種鋼材（除盤料外）的彎曲度可用雙直尺或塞尺檢查。

鑒別鋼種一般用手提看譜鏡和火花鑒別法進行檢查。手提看譜鏡是一種半定量的光譜儀器，能夠半定量地檢查出鋼中的主要合金元素，如鉻、錳、鎳、鉬、鎢、釩等。光譜檢查可以查明被檢鋼材的鋼號及有無混鋼情況。火花檢查是根據火花特征判斷被檢鋼材的鋼號。

對于冷拉退火條鋼和熱軋退火鋼材要進行布氏硬度檢查。布氏硬度試驗方法按GB231—84標準進行。直徑30mm以下的冷拉及熱軋退火鋼材應進行斷口檢查。在鋼材一端切出缺口后用錘擊斷或用壓力機截取斷口試樣，然后用肉眼檢查斷面上是否有縮孔、白點、裂紋，過燒等缺陷。

直徑大于30mm的退火鋼材和不退火鋼材一般都檢查低倍組織。即在鋼材的一端用鋸床（退火材）和砂輪切割機（不退火材）切取厚度為12～15mm的圓片試樣，試樣被檢的一面用磨床磨平。經熱酸洗后用肉眼檢查是否有偏析、疏松程度、縮孔、白點、裂紋、過燒等缺陷。熱酸洗用50%的工業鹽酸水溶液，加熱到70±5℃，酸洗時間為30~40min，試樣取出后用堿水沖洗，然后用80℃熱清水沖洗凈。

化學成分一般按爐號取樣分析。鋼號的各種元素成分分析方法按國家標準規定進行?；瘜W分析方法比較慢，不適用于生產現場；由于光譜科學的發展，目前，在生產廠一般采用光譜分析方法來分析檢驗鋼材的化學成分。

高倍組織用金相顯微鏡進行檢查。檢驗的項目有：退火組織（放大500倍）、脫碳層深度（放大100倍）在鋼材的橫向截面上檢查；碳化物液析、帶狀碳化物、非金屬夾雜物（放大100倍）在鋼材的縱向截面上檢查。為了減少試樣數量，網狀碳化物的檢驗可與帶狀碳化物、碳化物液析用同一試樣在縱向截面上檢查，有疑問時，再以橫向截面檢驗結果為準。

檢查取樣后，首先要按規定進行機械加工。非金屬夾雜物、帶狀碳化物、碳化物液析、網狀碳化物試樣要進行淬、回火處理。高碳鉻軸承鋼回火工藝為：淬火溫度820～840℃；回火溫度：150℃，回火時間1～2h。試樣的被檢面要磨制、拋光。檢查退火組織和脫碳層溫度的被檢面，要用2%硝酸酒精液浸蝕后檢查。非金屬夾雜物被檢面拋光，不浸蝕檢查。帶狀碳化物、碳化物液析、網狀碳化物被檢面要用4%硝酸酒精溶液浸蝕后檢查。

鋼絲和鋼板要進行拉力檢驗。鋼絲拉力檢驗：在鋼絲的一端截取長250mm的試樣，在拉力試驗機上進行拉力試驗。鋼板拉力檢驗：根據標準規定截取和制備鋼板試樣，在拉力機上進行拉力試驗。拉力試驗方法按GB228—76標準規定進行。軸承鋼鋼材的檢查以批或爐次作為檢驗單位。每批鋼材必須由同一鋼種，同一冶煉爐號，同一熱處理爐次，同一尺寸的鋼材組成。軸承鋼材的檢查數量根據鋼材的訂貨技術標準，供貨狀態而定。