滚动轴承的材料及其轴承钢的新技

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

1.前言 现代轴承工业，作为最重要的基础工业之一，是一个国家工业技术水平的重要标志。轴承关系国计民生，它是机械工业使用最广泛、要求最严格的配套件和基础件，也是各种机械依靠滚动体的滚动实现对主机旋转的支承元件，被人们称之为机械的关节。轴承成为现代机械车辆的主要支承型式，也是现代车辆中举足轻重不可缺少的基础零部件。2.滚动轴承材料必须具有的特性及常用材料种类套圈和滚动体材料必须具有的特性：接触疲劳强度高；硬度高；纯洁度高；耐磨性好；组织稳定性好；机械加工性能好。因此滚动体与内外圈的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。常用的轴承材料（套圈和滚动体），一般用强度高、耐磨性好的铬锰高碳钢制造，滚动轴承的内外圈和滚动体一般用GCr15、GCr15SiMn、GCr6、GCr9等（G表示滚动轴承钢）高碳铬或铬锰轴承钢和GSiMnU等无铬轴承钢制造，也有用渗碳轴承钢20CrMo、20CrNiMo等轴承材料，是目前使用最广泛的轴承材料。经渗碳热处理后，一般要求材料表面硬度应不低于61HRC-65HRC之间，心部硬度一般为30-45HRC。韧性好，能够承受较大冲击负荷。工作表面要求磨削、抛光。保持架在轴承中起等距离隔离滚动体，引导并带动滚动体旋转的作用。它主要受到摩擦和拉伸的作用，并承受一定的冲击，这就要求它具有一定的强韧性，良好的弹性和刚度，较小的摩擦系数及良好的耐磨性和导热系数，并具有与滚动体相近的热膨胀系数。保持架根据要求选用较软材料制造，常用低碳钢板（如08#或10#钢板）冲压，冲压后铆接或焊接而成。实体保持架则选用HPb59-1黄铜合金、铝合金、酚醛层压布板或工程塑料等材料。高速轴承多采用有色金属（如黄铜）或塑料保持架。目前我国常用的金属材料保持架材料有0810、30、4045、ML15、ML20、65Mn、1 Cr18Ni9、1 Cr18Ni9Ti等。轴承钢分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高碳铬不锈轴承钢和高温.轴承钢等四大类。滚动轴承内外套及滚动体常用材料具体如下。（1）高碳铬轴承钢。高碳铬轴承钢，在牌号头部加符号“G”，但不标明含碳量。铬含量以千分之几计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示。目前国内广泛使用的G B/T18254-2002《高碳铬轴承钢》国家标准中，高碳铬轴承钢为GCrl5、GCr4、GCr15SiM n、GCr15SiMo、GCr18Mo五个钢号。其中GCrl5和GCr15SiMn两个钢种在我国轴承行业的用量最大，约占轴承钢总用量的80%以上。GCr15轴承钢大量用于制造汽车、拖拉机、坦克、飞机等所使用的轴承以及机床使用的主轴轴承和铁路车辆、矿山机械、电机轴承、通用机械用轴承。GCrI5SiMn和GCr15SiMo轴承轴承常用金属材料钢，因其淬透性良好，主要用来制造有效壁厚比较大的轴承：GCr15SiMn适用于制造有效壁厚在15～35mm范围内的轴承；GCr15SiMo适用于制造壁厚尺寸大于35mm的轴承。这些轴承多为大型或特大型轴承。GCr4轴承钢是限制淬透性钢，它经过合适的热处理工艺得到一定的硬化层深度，从而达到表面硬、心部软的结果，具有较好的耐磨性，冲击韧性、断裂韧性及高接触疲劳寿命，在俄罗斯等国被用于铁路客车轴承和矿山、冶金机械等轴承。GCr18Mo是一种被广泛用于贝氏体热处理的轴承钢，主要用于高速列车、矿山和冶金机械等轴承。（2）渗碳轴承钢。渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如：“G20 CrNiMo”；高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”；如“G20CrNiMoA”。渗碳轴承钢实际上是优质低碳或低碳合金钢，经渗碳和热处理淬回火后，表面硬度为58-62HRC，心部硬度为25-45HRC，表面耐磨，心部有良好的韧性。用渗碳钢制造的轴承零件，既可以承受较大的冲击负荷，又有较高的接触疲劳寿命。特别适用于承受较大的冲击负荷和尺寸较大的大型轴承零件以及高值下适用的轴承零件等。（3）不锈轴承钢。高碳铬不锈轴承钢采用不锈钢牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”。例如：高碳铬不锈轴承钢“9Crl8”。不锈轴承钢主要为在腐蚀介质中使用，其常用的不锈轴承钢为9Cr18、9Cr18Mo，已纳入GB3086-1982高碳铬不锈轴承钢技术条件中。它们是马氏体不锈轴承钢，这类轴承钢含有1%左右的C和18%左右的Cr，经热处理后具有较高的强度、硬度、耐磨性和接触疲劳寿命，又有很好的抗大气、海水、水蒸气及酸的腐蚀能力。经250-300℃回火后的硬度≥53HRC，所以，可以用其制造使用温度相对较高的高耐腐蚀轴承零件。另外，用于制造轴承零件的不锈钢还有Crl 3型、Cr17型、18-8型不锈钢等，这些不锈钢的碳含量相对较低，热处理后的硬度、强度较低，用来制造在腐蚀介质中工作负荷不大的轴承零件，如钢球、滚针套、滚针、保持架等。（4）是高温轴承钢。高温轴承钢，采用耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”例如：高温轴承钢“10Cr14Mo”。通常指工作温度在150℃以上使用的轴承被称为高温轴承。高碳铬轴承钢最高实际使用温度仅为170℃，其改型的凡个轴承钢号的最高使用温度也只有250℃。当工作温度超过170℃或250℃，轴承套圈和滚动体的硬度往往降低到58HRC以下，这对轴承的耐磨性和使用寿命都有严重影响。因而，在高温下工作的轴承除首先要求具有高的硬度外，还要根据不同用途不同类型的轴承对材料提出不同的要求。3.陶瓷滚动轴承滚动轴承过去通常用合金钢制造，20世、纪90年代中期，陶瓷滚动轴承已经问世。国外已开发成功了在高温条件下采用固体润滑剂的陶瓷滚动轴承，也有利用液体或油脂润滑的特种钢与陶瓷组合而成的滚动轴承或全陶瓷滚动轴承。陶瓷滚动轴承的制造材料，主要采用氮化硅陶瓷。据有关资料报道，现代陶瓷中一氮化硅和碳化硅都具有惊人的耐高温性能。氮化硅陶瓷在1400℃，碳化硅陶瓷在1700℃时，强度仍高达每平方厘米7000kg，而大多数金属这时早已软化或熔化成液体了。经试用表明，陶瓷滚动轴承具有以下优点：由于陶瓷几乎不怕腐蚀，陶瓷滚动轴承适宜于在布满腐蚀性介质的恶劣条件下作业；陶瓷滚动小球的密度比钢低，重量更要轻得多，因此转动时对外圈的离心作用可降低40%，进而使用寿命大大延长；陶瓷受热胀冷缩的影响比钢小，因而在轴承的间隙一定时，可允许轴承在温差变化较为剧烈的环境中工作；陶瓷的弹性模量比钢高，受力时不易变形，因此有利于提高工作速度，并达到较高的精度。按滚动体的形状分为陶瓷球轴承和陶瓷滚珠轴承两个系列。按陶瓷材料在轴承零件上的应用情况，陶瓷滚动轴承可分为三类：第一类为滚动体用陶瓷材料制成一，而内外圈仍用轴承钢制造；一二类为滚动体和内圈用陶瓷材料，而外圈用轴承钢；第三类为滚动体和内外圈都用陶瓷材料制成。第一类和第二类叫做混合陶瓷轴承，第三类叫做全陶瓷轴承。（1）陶瓷材料的物理性能。Si N的密度是轴承钢的40%，硬度是轴承钢硬度的2～3倍，高硬度提高了其抗磨损、抗黏结、抗剥蚀损坏能力；Si N的热膨胀系数大约为轴承钢的1/4，低的热膨胀系数可以使轴承在高温工作条件下变形减小；Si N陶瓷的高温性使其更适合于高温工矿，在能使轴承钢丧失原有硬度和强度的温度下，Si N陶瓷的硬度和强度依然不会降低，高温强度好；Si N陶瓷在极高温度下具有良好的尺寸稳定性，轴承钢只有在进行特殊热处理后才能保证其高温下的尺寸稳定性。SiN陶瓷的耐腐蚀性能强，在水、酸和碱介质的应用领域，用陶瓷滚动轴承可避免由于采用塑料、玻璃或不锈钢滚动体组成的轴承只能用于温度不太高、负荷较小的场合。与其他轴承材料和陶瓷材料相比，其综合性能明显，是制作轴承的理想材料。（2）混合陶瓷轴承。现在工业上应用的混合陶瓷轴承多为滚动体，是陶瓷、内外圈为轴承钢的结构。混合陶瓷轴承的破坏与钢轴承相似，表现为钢套圈的破坏和陶瓷滚动体的疲劳剥落。陶瓷滚动体的破坏原因为材料本身的缺陷，如密度不均匀、气孔、杂质以及加工表面形成的微裂纹等。当滚动体和套圈沟道之间的接触应力相同时，混合陶瓷轴承可以达到甚至超过相同规格钢轴承的寿命。在高速条件下，陶瓷球轴承则比钢轴承的寿命长3～6倍。混合陶瓷轴承的转速比高速钢轴承转速提高60%，轴承温升降低35%～60%，刚度提高11%。由于陶瓷与钢分子亲和力很小，摩擦系数小，而且有一定的自润滑性能，运转性能好，因此混合陶瓷轴承可有效防止因油膜破坏引起的烧黏。高速旋转的球轴承，球会产生很大的离心力，离心力造成球与外圈滚道的压力甚至超过外载荷的作用，从而降低轴承寿命。此外，转速过高将在球上作用一个很大的陀螺力矩，陀螺力矩使球与套圈产生滑动，使摩擦力矩增大，保持架产生额外的应力，引起大的温升和保持架的破坏，离心力与陀螺力矩与滚动体材料的密度成正比，而用于制造轴承的Si N陶瓷的密度只为钢的40%，有利于实现高速。目前混合陶瓷轴承多用于高速精密机床主轴。（3）全陶瓷轴承。所谓全陶瓷轴承就是滚动体与内外套圈均为陶瓷材料制造，同钢轴承相比，全陶瓷轴承更耐腐蚀、耐高温、耐磨以及具有高刚度等性能。在航空航天工业中，陶瓷滚动轴承有极其优良的高速性能。在高温环境下，全陶瓷轴承能在800～1000℃条件下可靠的工作；在腐蚀性介质中，全陶瓷轴承更能显示出其独特的优越性，化学工业用的各种耐酸泵、真空泵、离心泵和涡轮分子泵都应用了全陶瓷轴承。此外，电机工业和电力机车用全陶瓷轴承作绝缘轴承，航空航天飞行器采用全陶瓷轴承可减轻重量和提高飞行速度，医疗、食品等则利用全陶瓷轴承的干运转性能提高食品及药品的质量标准。4.对轴承钢的质量要求滚动轴承要在拉伸、压缩、弯形、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值之下，高速、长时间地工作。因此在生产过程中，轴承钢质量控制检验项目多，控制范围又窄，生产工艺严格、复杂，要求有一定的工装设备、检验手段。为了保证轴承具有良好的性能和高的寿命，对轴承钢的质量要求如下：（1）化学成分。化学成分是轴承钢的最本质的因素。钢的物理、化学、机械性能和金相组织都是由化学成分决定的，改变了化学成分，就改变了钢的基本性质。因此，轴承钢的化学成分必须符合标准规定的允许范围。（2）内部质量。可分为宏观质量和微观质量。宏观质量要求轴承钢材内部不允许有白点、缩孔、夹渣、裂纹、过烧、皮下气泡等缺陷。要求轴承钢材的内部偏析、疏松控制在一定范围内。总之，轴承钢材的内部要致密，不允许有肉眼可见的缺陷割裂钢材的基体。微观质量要求轴承钢材内部组织要均匀，纯净度要高。轴承钢材的内部组织是指碳化物带状、碳化物网状、碳化物液析及退火组织。碳化物是轴承钢的主要成分之一，是客观存在的，如何使碳化物分布的均匀、分散、细小，是提高轴承钢质量的重要课题之一。轴承钢主要生产厂家采用了高温扩散处理，控制轧制新工艺和连续退火炉设备等。即使这样，碳化物的分布仍不能达到理想的程度。因此，在标准中，规定了它们的允许范围和控制级别。（3）轴承钢材的纯净度。是指非金属夹杂物对钢的沾污程度。非金属夹杂物破坏了基体的连续性，是造成轴承早期疲劳、剥落的主要原因之一。因此，要求轴承钢中非金属夹杂量越少越好。为了限制、控制非金属夹杂物在钢中的存在，在标准中，对它们进行了严格的级别控制。生产厂家除了采用电炉冶炼加电渣重：熔外，还采用了电炉冶炼加炉外精炼、真空脱氧、吹氩处理、炉外喷粉处理等工艺，力图使钢中氧含量降低到20ppm以下。（4）表面质量。轴承零件的成型方法，目前有锻造、车削和冷冲等。根据不同成型方法对钢材表面质量有不同程度的要求。总的来说，轴承钢材表面不得有裂纹、折叠、拉裂、结疤和夹渣。对冷冲用的冷拉钢材，除不允许上述缺陷外，表面要洁净，不得有锈蚀、麻凹等缺陷。轴承钢材表面不得有严重的脱碳现象，根据轴承零件成型工艺的不同要求，在标准中，对不同品种的钢材表面脱碳层深度有不同的限制规定。（5）尺寸允许公差。根据轴承零件成型工艺及钢的生产工艺，在标准中，对轴承钢材各种品种、规格的尺寸公差都进行了规定。锻造钢材尺寸公差一般按GB908-72标准，热轧钢材尺寸公差按GB702-86，冷拉钢材按GB905-82标准，冷拉钢丝按YB 245-64标准。