轴承钢的金相组织及检验

 轴承钢的金相组织及检验    轴承钢适合于制造在各种不同环境中工作的各类滚动轴承套圈和滚动体。轴承除了适应其本身高速、交变的运动特性之外，亦要适应各种不同环境条件特点，例如耐低温、耐高温、耐冲击、防锈、防磁、防辐照、高真空等，这就需要选用具有特殊性能的钢材制造在特定条件下工作的轴承零件。

高碳高铬轴承钢以GCr15、GCr15SiMn钢为代表。渗碳轴承钢主要有G20CrMo、G20Cr2Ni4、25钢、15Mn钢等。不锈钢轴承有9Cr18、1Cr18Ni9、1Cr17Ni2和Cr13类型，高温轴承以Cr4Mo4 V、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2为代表。防磁轴承用25Cr18Nil0W、70Mn18Cr4V2WMoV或铍青铜QBe2. 0。    滚动轴承对轴承钢的性能要求比较高，各类轴承钢对冶金质量的要求比一般工业用钢更严格，质量检测项目比较多。其中纯洁度和均匀性是各类轴承钢对冶金质量要求的两大基本特征。    轴承钢的纯洁度是指：严格控制杂质和有害成分。例如硫、磷含量较一般钢材为低；钢中非金属夹杂物必须作为冶金质量控制的重点。钢中气体含量尽可能低。    轴承钢的均匀性是指：化学成分均匀一致，尽可能降低成分偏析。尽可能减少钢中碳化物的不均匀性，包括碳化物带状、网状、液析。大颗粒碳化物是一种脆性相，它的危害性与脆性夹杂物相似，易形成疲劳源，使钢的使用寿命下降。碳北物的不均匀性会增加钢的局部过热和硬度不均匀性。所以各类轴承钢标准比其他钢类更强调碳化物的均匀度。 此外，轴承钢材表面不得有裂纹、折叠、拉裂、结痕、夹渣及其他有害的缺陷。低倍酸蚀检验，不得有缩孔、疏松、白点、气泡、裂纹和粗大的非金属夹杂物。 一、铬轴承钢    轴承钢基本成分的质量分数为含碳1.0和含铬0.6％～1.5％。其中GCr15钢是世界各国广泛采用、用量最大的轴承用钢。该钢含有少量合金元素，综合性能好，热处理后的组织比较均匀稳定，硬度高且均匀，耐磨性好，接触疲劳强度高，具有良好的尺寸稳定性和抗蚀性。但 GCr15钢对形成白点敏感性大，可焊性差，淬透性也不能满足大型轴承零件的需要。为了提高淬透性，在GCr15基本成分上加入适量的Si.、Mn或Mo,为此形成了以GCr15和GCr15SiMn为代表钢号的高碳铬轴承钢。 （一）铬轴承钢热处理工艺    1．去应力退火  加热温度400~670℃, 4~8 h 空冷。    2．低温退火  670~720℃、4~8 h 空冷。 3．等温球化退火  780~810℃、3~6 h，以每小时小于20℃的冷却速度冷到720℃保温2~4 h，再用相同的冷速冷却到650℃出炉，可得到球化组织，硬度170~207 HB。    4．正火  用于消除和减轻碳化物网时，加热温度为900~950℃。用于细化组织时，加热温度为870~890℃，用于过热零件返修时，在880~900℃正火。正火工艺应针对零件尺寸等调整冷却方式。    5．淬火  加热温度830~860℃，小于13 mm钢球在油中冷却。13~50 mm钢球在20~30℃苏打水中冷却。淬滚子在30~80℃油中冷却。对套圈零件，在30~80℃或80~120℃热油淬火；分级淬火采用120~160℃油；等温淬火在130~135℃油中等温；贝氏体淬火在210-240℃硝盐中等温。    6．冷处理  -50~-78℃，1~2 h后置于空气中。    7．回火  淬火零件冷却到室温后应及时回火，一般选择150~180℃(61~65 HRC), 200℃（≥60HRC），250℃（≥58HRC）。    8．附加回火  选择120~150℃，3~6 h后空冷。

(二)铬轴承钢的金相组织检验 铬轴承钢退火态主要检验材料表面的脱碳层和球化退火组织的评定。可按JB/T1255-1991标准中的有关脱碳层测定法和第一级别评级图进行评定。图5-5为GCr15钢球化退火组织。  图5-5   GCr15钢球化退火组织  (500X)         图5-6   GCr15钢正常淬火低温回火组织  (500X) 铬轴承钢淬火回火态试样主要用于检验原材料的非金属夹杂物、碳化物网状、带状、液析和轴承零件的淬火回火组织。试样磨面应取纵向或轧制方向，在直径的3/4处的纵向剖面。未侵蚀试样检验非金属夹杂物，按GB/T 10561-1989标准进行分类和评级。试样经4％硝酸酒精溶液侵蚀后，检验碳化物是否存在网状、带状、液析等组织。JB/T 1255-1991标准中第二级别评级图是评定铬轴承钢淬火回火后的组织，如马氏体针的粗细、残余奥氏体的多少及碳化物的分布状况和其他混合组织等。图5-6为GCr15轴承钢正常淬火回火后的组织。 铬轴承钢的碳化物分布及偏析可按JB/T 1255-1991标准中的第三级别图进行评定。评级原则是按 照碳化物网的厚薄、网的封闭程度、网的大小进行分级。 二、渗碳轴承钢 （一）渗碳轴承零件的金相检验 渗碳轴承钢材的金相检验依据国家标准GB/T 3203-1982。主要检验项目有钢中非金属夹杂物和碳化物带状评级等。    渗碳轴承钢制滚动轴承零件半成品和成品的金相组织检验，主要依据《滚动轴承零件渗碳热处理质量标准》(ZBJ 36001-1986)和《滚动轴承零件深层热处理质量标准》(ZBJ 36002-1986)两个标准，检验项目包括表面渗碳后粗大碳化物的评级、高温回火后渗碳层显微组织评级、渗碳淬火回火后表层显微组织评级、心部组织评级和渗碳层网状碳化物评级及有效硬化层深度的测定等。两个标准分别针对一般中小型渗碳零件金相检验和特大型深层渗碳零件的金相检验。 （二）深层渗碳轴承零件的金相检验    深层渗碳轴承零件多为大型、特大型零件，经长时间渗碳并直接淬火后，渗碳层有大量残留奥氏体，为了给最终二次淬火作组织准备，需先经高温回火处理，以控制渗碳层的残留奥氏体量和针状碳化物的出现。高温回火后的组织按（ZBJ 36002-1986）第二级别图评定。凡经深层渗碳处理的零件均需进行二次淬火。二次淬火、回火后的渗层组织按（Z BJ 36002-1986）第三级别图评定，评定原则是按马氏体的 粗细、残留奥氏体量多少进行。 三、特殊用途的轴承钢  （一）不锈轴承钢    不锈轴承钢主要用于制造化学工业、食品工业等腐蚀环境下和低温下工作的轴承零件，其材料主要采用高碳铬马氏体不锈钢，以9Cr18和9Cr18Mo为代表。有时也选用奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。    9Cr18钢的热处理工艺分为原材料球化退火处理和淬火、回火处理。金相检验可按高碳铬不锈轴承钢技术条件（GB/T3086-1982）的不锈轴承钢材专用标准。球化退火处理后的组织应为均匀分布的细粒状珠光体，允许存在分散的一次碳化物。但若发现碳化物沿孪晶界析出，则判为不合格。 9Cr18钢属高碳高合金钢，铸态中存在大量共晶碳化物，经过适当的热加工后要检验共晶碳化物的破碎程度及分布状况，取钢材直径的1/2半径处的纵向磨面来评定碳化物的不均匀度。评级按GB/T 3086-1982标准中第9级别图评定。评级的原则根据碳化物分布的两种基本形式考虑。当碳化物以带状形式分布时，评级依据是带的宽度、碳化物的密集程度、碳化物的堆积程度。当碳化物以网状形式分布时，评级原则是碳化物网的变形和破碎程度、网的粗细程度、网的堆积程度。 高碳铬不锈钢滚动轴承零件经淬火、回火后的组织应为回火马氏体加块状、粒状碳化物和少量残留奥氏体。组织的评定标准可按JB 1460-1992第二级别图进行评定。  

（二）高温轴承钢 高温轴承钢一般用在长期服役于315℃左右，最高温度达425℃的耐高温轴承零件，其材料主要选用高速钢和高铬马氏体不锈钢，也可采用耐高温的渗碳钢。常用Cr4Mo4V钢。该类钢经淬火、回火后的组织为细针状马氏体加碳化物和少量残留奥氏体。组织的评级标准可按JB 2850-1992中第二级别图进行，评级原则是按马氏体组织的粗细和碳化物的溶解程度来划分。 （三）耐冲击中碳合金轴承钢    耐冲击轴承可选用渗碳轴承钢或选用耐冲击工具钢和中碳合金钢，例如冶金矿山用三牙轮钻头的滚动体，钻井用涡轮具上的滚动轴承，所用的材料牌号如55SiMoV,50SiMo, 这类钢淬火、回火后具有高的屈服强度、弹性极限和耐磨性，且有良好的抗疲劳和多冲击性能。这类钢经淬火、回火后的组织由隐针、细针状马氏体、少量残留奥氏体和碳化物组成。按JB/T 6366-1992滚动轴承零件热处理技术条件中的第二评级图进行评定。如果选用渗碳轴承钢，经表面渗碳、淬回火后的组织由隐针或针状马氏体、少量残留奥氏体及碳化物组成。按JB/T 6366-1992标准中的第三级别图评定。