隨著中國裝備制造業(yè)向高質(zhì)量和高精密發(fā)展，用于制造滾動軸承的滾珠、滾柱和套筒等的軸承鋼正日益受到重視。伴隨著軸承制造業(yè)的持續(xù)、較快發(fā)展，軸承鋼市場前景看好。并且，精密軸承等基礎(chǔ)機(jī)械鑄造業(yè)已經(jīng)成為國家“十二五”期間重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)。因此，有必要加大對軸承鋼的研究，提高軸承鋼的質(zhì)量。
近期，俄羅斯學(xué)者G.S.Vodovozova和P.A.Zhdanov等人研究了中碳軸承鋼的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，并通過實(shí)驗(yàn)與ShKh15類軸承鋼進(jìn)行了對比分析，得出了在硬度、均質(zhì)性和晶粒大小方面的結(jié)論，為中碳軸承鋼的實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
組織不均勻成“瓶頸”
一般來說，軸承鋼的性能要求是高硬度、良好的彈性性能和抗疲勞性，特別是抗接觸疲勞失效性。對于高碳合金鋼，當(dāng)碳含量在0.95%~1.15%時可以滿足上述要求；而碳含量為0.10%~0.20%的低碳軸承鋼則通常需要進(jìn)行碳氮共滲工藝才能達(dá)到以上要求。軸承鋼抗接觸疲勞失效的性能，主要取決于鋼中非金屬夾雜粗顆粒堆積、碳化物不均質(zhì)性、晶體大小的差異等因素。這些缺陷的綜合作用造成軸承鋼在使用過程中微應(yīng)力集中和過早脆裂（剝落、切口形成和龜裂等）。
目前廣泛使用的ShKh15類軸承鋼顯示出來的明顯缺點(diǎn)就是由結(jié)構(gòu)不均質(zhì)性造成的。這是過共析化學(xué)構(gòu)成的一個特點(diǎn)，即在高碳含量（0.95%~1.10%）下，由于碳和碳化物不均質(zhì)性導(dǎo)致熔析的發(fā)展。為避免不均質(zhì)性這種狀況的發(fā)生或?qū)@種情況進(jìn)行改善，采用延長時間的均質(zhì)化退火是必要的。
通過添加合適的合金元素，采用低碳含量可以達(dá)到鋼種要求的硬度水平。眾所周知，作為軸承鋼，可使用低碳和中碳鉻-鎳、鉻-錳和鉻-硅-錳鋼。這些鋼沒有高碳過共析鋼的主要缺點(diǎn)———碳化物不均質(zhì)性。
考慮到以上因素，需要開發(fā)提供節(jié)省能源和延長軸承使用壽命的軸承鋼生產(chǎn)技術(shù)。
顯微組織細(xì)小均勻
Z近研究的鋼種是創(chuàng)新型軸承鋼，能夠滿足更加致密的薄板部件，并應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)的材料來提高質(zhì)量，減少生產(chǎn)周期并且具有和ShKh15鋼一樣或更好的使用性能。川崎鋼鐵公司（日本）和NTN（日本）鋼鐵公司已經(jīng)開發(fā)并投產(chǎn)了一類中碳軸承鋼。這類中碳軸承鋼的碳含量減少到0.75%~0.80%，使得在澆鑄階段鋼中去除了共晶成分碳化物的形成，并且無須采用擴(kuò)散退火。另外，在減少碳含量狀況下的鋼，工藝上更加有利于沖壓和剪切。
為評估該鋼種的化學(xué)成分、微觀組織和機(jī)械性能，俄羅斯學(xué)者們在實(shí)驗(yàn)室條件下對普通軸承鋼ShKh15鋼和中碳軸承鋼的抗斷裂性能進(jìn)行了不同爐次的軋制實(shí)驗(yàn)和其他檢驗(yàn)。
氣體分析的結(jié)果顯示，只在第2爐次鋼中發(fā)現(xiàn)氧含量上升，但總體氧含量在容許范圍內(nèi)，其他爐次鋼中氧含量均符合GOST901技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（不超過0.0015%）。為研究宏觀組織和微觀組織，從實(shí)驗(yàn)爐次里選取了用于顯微鏡觀察的試樣。同時準(zhǔn)備了直徑為5毫米的圓柱狀試樣進(jìn)行抗拉實(shí)驗(yàn)（根據(jù)GOST1497-84）；準(zhǔn)備帶V形坡口（根據(jù)GOST9454第二類）10毫米×10毫米×55毫米的試樣用于靜態(tài)彎曲實(shí)驗(yàn)；采取疲勞龜裂裂紋Z大深度2毫米的試樣進(jìn)行斷裂韌性實(shí)驗(yàn)（根據(jù)GOST9454第二類）。
中碳軸承鋼的Z終熱處理采用普遍接受的ShKh15類軸承鋼規(guī)范：在840℃~845℃加熱硬化，均熱35分鐘~40分鐘后在M2M-16油中冷卻，油溫在30℃~60℃，隨后在155℃下回火3.5小時。根據(jù)GOST9013（61.5HRC~62.5HRC），Z終回火后的硬度為62HRC。熱軋狀態(tài)下低倍組織由不存在游離鐵素體夾層的珠光體構(gòu)成，晶粒大小不低于7級（根據(jù)GOST5639），沒有粗的碳化物析出，低倍組織均勻細(xì)小，有利于鋼的進(jìn)一步精整加工。
為提供良好的切削性和硬化前的準(zhǔn)備，鋼需要進(jìn)行中間熱處理，即在800℃~690℃下球化退火17小時，在退火狀態(tài)下，球狀珠光體的晶粒度級別為2，鋼的實(shí)驗(yàn)爐次的低倍組織滿足GOST801技術(shù)規(guī)范要求�？v向顯微斷面評估了顯微組織的帶狀結(jié)構(gòu)。鋼試樣從850℃硬化，然后再冷卻，在150℃回火1小時，實(shí)驗(yàn)鋼顯微組織的帶狀結(jié)構(gòu)不超過1級~2級，這些值完全滿足GOST801對于熱軋鋼ShKh15的技術(shù)規(guī)范要求。同一試樣用來評價(jià)實(shí)驗(yàn)鋼的殘留碳化物網(wǎng)絡(luò)，確認(rèn)不超過3級，實(shí)驗(yàn)鋼的結(jié)構(gòu)更加均勻。因此考慮到碳化物熔析指數(shù)和結(jié)構(gòu)的不均質(zhì)性，實(shí)驗(yàn)鋼滿足所有標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范要求并且明顯超過ShKh15類軸承鋼。
機(jī)械性能良好
評價(jià)非金屬夾雜物的試樣選擇和實(shí)驗(yàn)按GOST1778-80制備。非金屬夾雜物主要為碳化物和氧化物，幾乎不存在球狀夾雜，硅酸鹽有延性單項(xiàng)夾雜，顯示有1.5級大小，存在于第2爐次鋼里，并由于氧化物夾雜污染而報(bào)廢。在熱軋狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)室爐次鋼采用碳氮共滲工藝進(jìn)行微合金化的硬度為35HRC~38HRC。為實(shí)現(xiàn)球狀珠光體的退火，實(shí)驗(yàn)室爐次鋼采用碳氮共滲進(jìn)行微合金化的硬度為195HB~217HB，其值稍高于GOST801技術(shù)規(guī)范硬度的179HB~207HB。在新硬化狀態(tài)下，所實(shí)驗(yàn)鋼硬度為65HRC~67HRC。
回火對淬火鋼硬度的影響顯示，對于實(shí)驗(yàn)爐次鋼在回火溫度為160℃時幾乎沒有降低淬火鋼的硬度，即在65HRC的水平。
在硬化和輕度回火狀態(tài)下鋼的機(jī)械實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有的斷裂案例都是因?yàn)榇嘈詸C(jī)理所致，斷裂應(yīng)力值和屈服強(qiáng)度值幾乎相等，他們是624~920N/mm2，相關(guān)延伸率和面積減少接近零。斷裂韌性實(shí)驗(yàn)試樣規(guī)格為10毫米×10毫米55毫米，并進(jìn)行集中折彎，試樣先期要開尖銳切口和疲勞裂紋。在硬化和150℃~180℃下回火后，對采用V和Nb微合金化的試樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。從組織狀態(tài)和數(shù)據(jù)分析表明，斷裂韌性對于實(shí)驗(yàn)鋼（中碳軸承鋼）和ShKh15鋼是相似的，回火溫度從150℃升到180℃時沒有降低鋼的斷裂韌性。
通過對實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分、宏觀組織和微觀組織的分析，對硬度、機(jī)械性能和抗斷裂性能的全面研究得出，新型實(shí)驗(yàn)爐次的軸承鋼的機(jī)械性能水平與ShKh15類軸承鋼相當(dāng)，64HRC~65HRC的硬度水平優(yōu)于GOST801技術(shù)規(guī)范要求，實(shí)驗(yàn)爐次鋼和ShKh15類軸承鋼的斷裂韌性值相似。而采用V和Nb微合金化的軸承鋼滿足了GOST801技術(shù)規(guī)范要求，實(shí)驗(yàn)鋼更加純凈。同時，低倍組織碳化物不均質(zhì)性低，不存在碳化物網(wǎng)格殘留。因此，新型的微合金化中碳軸承鋼具有比ShKh15類軸承鋼更加良好的性能。
（來源：中國冶金報(bào)）
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