滾動軸承鋼簡稱軸承鋼，主要用于制作滾動軸承的內(nèi)外套圈及滾動體的鋼種。 1)性能要求 滾動軸承工作時，滾動體和套圈呈點(diǎn)或線接觸，承受高達(dá)3000～5000 N/mm2的交變接觸應(yīng)力和極大的摩擦力，還將受到大氣、水及潤滑劑的侵蝕，其主要損壞形式有接觸疲勞(麻點(diǎn)剝落)、磨損和腐蝕等。故對滾動軸承鋼的主要性能要求有： (1)高的接觸疲勞強(qiáng)度和彈性極限； (2)高的硬度和耐磨性； (3)對于制造承受沖擊載荷如汽車、礦山機(jī)械的軸承的材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌度。 (4)一定的耐蝕性。 2)成分特點(diǎn) (1)高碳 常用的軸承鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wc＝0.95%～1.15%，以保證熱處理后鋼的高硬度和高耐磨性； (2)低合金 常用的軸承鋼一般是低合金鋼，主加合金元素是鉻，且wCr＝0.40%～1.65%，它的主要作用是增加鋼的淬透性、形成合金滲碳體(Fe、Cr)3C，細(xì)化奧氏體晶粒，淬火后得到隱晶馬氏體，提高接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性，但當(dāng)wCr>1.65％時，會增加殘留奧氏體量，降低強(qiáng)度硬度。輔加合金元素是Si、Mn、Mo等，能進(jìn)一步提高淬透性，其中Si還能提高回火穩(wěn)定性，用于制造大型軸承的材料；對無鉻軸承鋼還應(yīng)加入V、RE等元素，形成VC以保證耐磨性并細(xì)化鋼基體晶粒。 (3)鋼的純凈度及組織的均勻性 滾動軸承的失效分析結(jié)果表明，由原材料質(zhì)量問題引起的失效約占65％，其中，鋼的純凈度不高和組織均勻性不好是引起失效的兩個主要原因。 ①鋼的純凈度 研究表明，滾動軸承的接觸疲勞壽命與鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、類型有很大關(guān)系。鋼中存在夾雜物時，由于它們和基體交界處的彈塑性變形不協(xié)調(diào)，引起應(yīng)力集中，在夾雜物邊緣處最易產(chǎn)生微裂紋，從而降低接觸疲勞壽命。通過嚴(yán)格控制鋼中雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ws＜0.020%、wp＜0.025% )、采用真空精煉等新的先進(jìn)技術(shù)來降低鋼中夾雜物數(shù)量，控制夾雜物類型、尺寸、形態(tài)和分布，可減輕非金屬夾雜物對滾動軸承鋼的危害。 ②鋼的組織均勻性 主要是碳化物均勻性。 在軸承鋼退火前原始組織中可能出現(xiàn)的碳化物分布不均勻的缺陷有網(wǎng)狀碳化物、帶狀碳化物等。網(wǎng)狀碳化物是軸承鋼在鍛軋后的冷卻過程中形成的，隨后的退火、淬火、回火都不能把它完全消除而會存在于最終組織中嚴(yán)重降低鋼的力學(xué)性能。帶狀碳化物是由于鋼錠在結(jié)晶時所產(chǎn)生的枝晶偏析引起的，熱塑性變形后偏析區(qū)被拉長，一些富鉻和碳的偏析區(qū)將析出較多的碳化物而形成碳化物的帶狀分布。 碳化物具有高的硬度和脆性，它們的存在使軸承鋼的組織和性能不均勻，增加內(nèi)應(yīng)力，并使疲勞裂紋易于形成，嚴(yán)重降低軸承鋼的韌性和接觸疲勞抗力，使軸承鋼的耐用度大為下降。此外，還增加鋼淬火變形的傾向等。一般通過改進(jìn)冶煉、澆注、鍛軋工藝可降低碳化物的不均勻性。 3)熱處理特點(diǎn) (1)預(yù)備熱處理 滾動軸承零件一般采用球化退火作為預(yù)備熱處理。滾動軸承鋼屬過共析鋼，球化退火的目的一是使鍛造組織中片狀的碳化物球化，降低鋼的硬度(180～207HBW)，改善切削性能。如鍛造后的珠光體片厚或存在網(wǎng)狀滲碳體，則在球化退火之前進(jìn)行一次正火來消除網(wǎng)狀碳化物；二是為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。 (2)最終熱處理 滾動軸承零件的最終熱處理為淬火+低溫回火。淬火溫度在Acl和Accm之間，即不完全奧氏體化，保證獲得的淬火組織為隱晶馬氏體+細(xì)小均勻的球狀碳化物+少量殘留奧氏體。其硬度為64～66HRC。 低溫回火需在淬火后及時進(jìn)行，回火溫度為150～160℃，目的是穩(wěn)定組織，消除淬火應(yīng)力。回火組織為回火馬氏體+均勻分布的細(xì)小球狀碳化物+少量殘留奧氏體，硬度為61～65HRC。 由于低溫回火不能徹底消除內(nèi)應(yīng)力及殘留奧氏體，在長期使用中會發(fā)生應(yīng)力松弛和組織轉(zhuǎn)變，引起尺寸變化，所以對于精密軸承零件，在淬火后應(yīng)立即進(jìn)行一次冷處理(-60℃～-80℃)，并分別在低溫回火和磨削加工后再進(jìn)行120℃～130℃保溫5～10h的低溫時效處理，以進(jìn)一步減少殘留奧氏體和消除內(nèi)應(yīng)力，保證尺寸穩(wěn)定。 一般滾動軸承的加工工藝路線為：軋制或鍛造→球化退火→機(jī)加工→淬火→低溫回火→磨削→成品。 精密軸承的加工工藝路線為：軋制或鍛造→球化退火→機(jī)加工→淬火→冷處理→低溫回火→時效處理→磨削→時效處理→成品。 熱處理應(yīng)用舉例：某GCr15鋼制精密微型軸承要求硬度≥62HRC，其熱處理工藝如圖5-4所示。
a) 球化退火 b) 淬火、回火及時效處理 4)常用滾動軸承鋼 (1) 高碳鉻軸承鋼 具有良好的使用性能和良好的工藝性能及較低價格，同時，其冶煉工藝及熱處理等加工工藝均比較成熟，是制造套圈和滾動體的首選鋼種，適用于工作溫度低于200℃的軸承，列入GB/T18254—2002中的牌號有GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等，主要差別是淬透性，其它性能差別不大，其中GCr15是我國應(yīng)用最廣泛的軸承鋼。對于尺寸較大的軸承(如鐵路軸承)可采用鉻錳硅鋼，如GCr15SiMn鋼等。為提高軸承的沖擊韌度和斷裂韌度、尺寸穩(wěn)定性、延長接觸疲勞壽命、減小淬火變形可采用貝氏體等溫淬火。GCr4為新研制的限制淬透性軸承鋼，用于制造工作溫度低于100℃、壁厚大于14mm，承受較大沖擊負(fù)荷的軸承套圈。 順便指出，由于GCr15與低鉻工具鋼在化學(xué)成分上相近，因此它也可作為工具鋼，用于制造形狀復(fù)雜的刃具、精密量具、冷沖模及某些精密零件(如精密絲杠等)。 高碳鉻軸承鋼的熱處理及應(yīng)用范圍見表5-6。 (2)滲碳軸承鋼 低碳的合金滲碳鋼如G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Mn2Mo等，經(jīng)滲碳淬火和低溫回火后，表層堅硬耐磨，心部保持高的強(qiáng)韌性，同時表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，對提高疲勞壽命有利，主要用于制造工作溫度低于100℃的大型軋機(jī)、發(fā)電機(jī)及礦山機(jī)械等上的、在極高的接觸應(yīng)力下工作，頻繁地經(jīng)受沖擊和磨損的大型(外徑大于450mm)軸承。 (3)不銹軸承鋼 在各種腐蝕環(huán)境中工作的軸承必須有高的耐蝕性能，一般鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的軸承鋼已不能勝任，因此發(fā)展了高碳高鉻不銹軸承鋼。鉻是此類鋼的主要合金元素，如9Cr18、9Cr18Mo等。它是適應(yīng)現(xiàn)代化學(xué)、石油、造船等工業(yè)發(fā)展而研制的。 (4)高溫軸承鋼 GCr15鋼的最高工作溫度不超過180℃，含Si、Mo、V、A1的低合金軸承鋼的工作溫度也只能在250℃以下，如果溫度再升高，則會導(dǎo)致硬度急劇下降而失效。而航空發(fā)動機(jī)、航天飛行器、燃?xì)廨啓C(jī)等裝置中的軸承是在高溫高速和高負(fù)荷條件下工作的，其工作溫度在300℃以上，具有足夠高的高溫硬度、高溫耐磨性、高溫接觸疲勞強(qiáng)度及高的抗氧化性、高溫抗沖擊性能和高溫尺寸穩(wěn)定性等。目前高溫軸承鋼有兩類： 一是高速鋼類軸承鋼。用高速鋼W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2制作的軸承可以在430℃下長期工作，此時的高溫硬度大于57HRC。Cr4Mo4V是性能較好的高溫軸承鋼，其熱處理工藝與性能具有高速鋼的特點(diǎn)。因含合金元素少，其高溫硬度不如高速鋼，但加工性能優(yōu)于高速鋼。Cr4Mo4V主要用于航空發(fā)動機(jī)，可以在315℃長期工作(此時高溫硬度大于57HRC)，短時可用到430℃(高溫硬度大于54HRC)。 二是高鉻馬氏體不銹鋼。Cr14Mo4V是在9Cr18Mo的基礎(chǔ)上升Mo降Cr并加人少量V而形成，提高了鋼的高溫性能，鋼的高溫硬度較高，耐蝕性良好，因V量較少(wV≈0.15％)，其耐磨性比Cr4Mo4V稍差，但加工性能更好。Cr14Mo4V適于制作承受中、低負(fù)荷，在300℃下長期工作的軸承。 表5-6 常用高碳鉻軸承鋼的牌號、熱處理、性能及應(yīng)用范圍
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