第十一章金属学方案.ppt

* 第十一章 轴承钢 一、工作条件对轴承钢性能的要求 滚动轴承是由内、外套圈，滚动体(滚珠、滚柱和滚针)和保持器四部分组成，除保持器外，其余都是用轴承钢制成。 对轴承钢的性能有下列要求：(1) 高的弹性极限和高的接触疲劳强度；(2) 高而均匀的硬度(HRC61~65)和高的耐磨性；(3) 适当的韧性；(4) 良好的尺寸稳定性；(5) 一定的耐蚀性；(6) 良好的工艺性能。对于在特殊工作条件下的轴承尚有不同要求，如耐高温、耐腐蚀、耐冲击和防磁等。 R=Qcosθ 图11-1 滚动轴承载荷分布示意图 滚动体和套圈滚道之间的接触应力可高达5000MN/m2，循环应力次数每分钟可达数万次。 根据工作条件对轴承钢性能的要求，轴承钢在使用状态下的组织应是在回火马氏体基体上均匀分布细颗粒的碳化物。 二、轴承钢的合金化 除了一些特殊要求(高温、耐酸、低温)的轴承钢外，通常所用的轴承钢大致有以下三类：(1) 高碳低铬(约1~1.5%)轴承钢；(2) 高碳Si-Mn(大约各含1%)轴承钢；(3) 特大型(尺寸大于450mm者)轴承用的低碳高合金渗碳轴承钢。 高碳低铬轴承钢的化学成分有以下特点： (1) 高碳：当钢中含碳量超过0.6~0.7%时，淬火后的硬度才能达到最高值；同时为了获得一定数量的耐磨碳化物，轴承钢中的碳含量一般控制在0.95~1.05%。 (2) 以铬作为基本的合金元素：一方面铬可以提高钢的淬透性，使钢淬火后获得高而均匀的硬度和均匀的组织；另一方面铬溶于渗碳体中形成比较稳定的合金渗碳体(Fe、Cr)3C，淬火加热时溶解较慢，以细小颗粒均匀分布在基体上，可提高基体的耐磨性；铬还可以增加钢的耐蚀性。但是钢中含铬量过高，会使淬火钢中残余奥氏体量增加；同时还会增大液析程度，增高碳化物不均匀性。因此，轴承钢中的铬含量应控制在1.65%以下。 (3) 添加钼、锰、硅和钒等元素，进一步提高钢的淬透性，用以制造大型轴承。 (4) 严格控制杂质元素(硫、磷)和残余元素(镍、铜)的含量。因为磷促使晶粒长大，增加钢的脆性；硫增加钢中的非金属夹杂物；镍降低钢的淬火硬度；铜引起时效硬化。 在高碳低铬轴承钢中，典型的钢种是GCr15，它的使用量约占铬轴承钢的90%。 三、轴承钢中的非金属夹杂物 1. 非金属夹杂物的分类 按照化学成分的不同，轴承钢中的非金属夹杂物可分为： (1) 氧化物，如FeO、Al2O3、尖晶石和钙的铝酸盐等； (2) 氮化物，如AlN、TiN、VN等； (3) 硅酸盐和硅酸盐玻璃； (4) 硫化物，如MnS、CaS等。 按照热变形能力的不同，轴承钢中的非金属夹杂物又可分为： (1) 脆性夹杂物，即不具有塑性的氧化物(刚玉、尖晶石等)和氮化物。这类夹杂物在热变形后，一般沿轧制方向排列成串或呈点链状分布； (2) 点状(或球状)不变形夹杂物，这类夹杂物主要是含钙镁的铝酸盐。它们在热加工时没有塑性，保持球形不变，只有压下量很大时才被破碎，呈点链状分布； (3) 塑性夹杂物，属于这类夹杂物的有硫化物和含SiO2较低的铁锰硅酸盐等。这类夹杂物在热变形温度下具有良好的塑性，在热变形钢中沿轧制方向呈连续的条带状分布。 2. 非金属夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响 存在于钢中的非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，在交变应力作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，显著降低钢的疲劳寿命。夹杂物对疲劳寿命的影响，与夹杂物的类型、数量、尺寸、形态和分布有关。 就夹杂物的类型而言，对疲劳寿命危害最大的是点状夹杂和刚玉；其次是氮化物；塑性硅酸盐危害较小；硫化物无有害影响。 就夹杂物的数量和尺寸而言，疲劳寿命随夹杂物数量的增多和尺寸的增大而降低，并且试样尺寸越小，夹杂物尺寸的影响就越大。一般认为，只有尺寸在6~8μm以下的夹杂物才对疲劳寿命影响不大。 图11-2 氧化物夹杂的数目与疲劳寿命的关系 图11-3 点状夹杂物尺寸对疲劳寿命的影响 夹杂物的形态是多种多样的，有圆的、方的、条状、角状和链状等不规则形状，一般认为细条状塑性夹杂物对疲劳寿命的危害较小，尖棱状硬脆夹杂物对疲劳寿命的危害较大。 由于疲劳裂纹源通常出现在最大切应力处(离表面约0.35~0.55mm)，因此，夹杂物离开这个位置越远，对疲劳寿命的危害就越小。 由此可见，要减小夹杂物对疲劳寿命的危害，不仅要降低钢中夹杂物的数量，而且还要控制夹杂物的类型、大小、形态和分布。理想的情况是夹杂物数量少、尺寸小、塑性好、并呈细条状均匀分布。 3. 非金属夹杂物的来源与消除 非金属夹杂物依其来源可