一、淬火鋼中的馬氏體

 

當(dāng)高碳鉻鋼的原始組織為粒狀珠光體時(shí)，淬火馬氏體的碳含量對(duì)鋼在淬火和低溫回火條件下的力學(xué)性能有明顯影響，其強(qiáng)度和韌性約為0.5%，接觸疲勞壽命約為0.55%，抗壓強(qiáng)度約為0.42%，當(dāng)GCr15鋼淬火馬氏體的碳含量為0.5%～0.56%時(shí)，可以獲得抗破壞性最強(qiáng)的綜合力學(xué)性能。

 

在這種情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體，并且測(cè)量的碳含量是平均碳含量，事實(shí)上，馬氏體中的碳含量在微觀區(qū)域并不均勻，碳化物附近的碳濃度高于碳化物中遠(yuǎn)離鐵素體的部分，因此它們開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的溫度不同。因此，馬氏體晶粒的生長(zhǎng)和微觀形態(tài)的顯示被抑制為隱晶馬氏體，其可以避免高碳鋼淬火時(shí)容易出現(xiàn)的微裂紋，其亞結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度、高韌性的位錯(cuò)板條馬氏體，因此，只有對(duì)高碳鋼進(jìn)行淬火以獲得中碳隱晶馬氏體，軸承零件才能獲得具有最佳抗破壞性能的基體。

 

二、淬火鋼中的殘余奧氏體

 

在正常淬火后，高碳鉻鋼可含有8%至20%的Ar（殘余奧氏體），Ar在軸承零件中有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，為了取長(zhǎng)補(bǔ)短，Ar的含量應(yīng)該確保在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。由于Ar的量主要與淬火加熱的奧氏體化條件有關(guān)，其量將影響淬火馬氏體的碳含量和未溶解碳化物的量，并且難以準(zhǔn)確反映Ar量對(duì)機(jī)械性能的影響。因此，奧氏體條件是固定的，并使用奧氏體化熱穩(wěn)定工藝來獲得不同的Ar含量。有相關(guān)的機(jī)構(gòu)研究了Ar含量對(duì)GCr15鋼調(diào)質(zhì)后硬度和接觸疲勞壽命的影響，隨著奧氏體含量的增加，硬度和接觸疲勞壽命都有所增加，達(dá)到峰值后又有所下降。然而，Ar含量的峰值是不同的，硬度峰值出現(xiàn)在約17%的Ar處，而接觸疲勞壽命峰值出現(xiàn)在9%左右，當(dāng)試驗(yàn)載荷減小時(shí)，Ar量的增加對(duì)接觸疲勞壽命的影響減小，這是因?yàn)楫?dāng)Ar的量不多時(shí)，對(duì)強(qiáng)度降低的影響很小，但增韌效果更明顯。當(dāng)載荷小時(shí)，Ar發(fā)生少量變形，這不僅降低了應(yīng)力峰值，而且加強(qiáng)了變形的Ar處理和應(yīng)力應(yīng)變誘導(dǎo)的馬氏體相變，然而，如果載荷較大，Ar的大塑性變形以及基體的局部應(yīng)力集中和開裂將導(dǎo)致壽命降低。需要特別注意的是，Ar的有益作用必須在Ar的穩(wěn)定狀態(tài)下，如果它自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，鋼的韌性將急劇降低并脆化。

 

三、淬火鋼中未溶解的碳化物

 

淬火鋼中未溶解碳化物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布不僅受淬火前鋼的化學(xué)成分和原始組織的影響，還受奧氏體化條件的影響，未溶解碳化物對(duì)軸承壽命的影響較小。碳化物是一種硬而脆的物質(zhì)，除了有利于耐磨性外，在加載過程（尤其是碳化物是非球形）時(shí)，由于基體的應(yīng)力集中，還會(huì)產(chǎn)生裂紋，從而降低韌性和抗疲勞性。淬火未溶解的碳化物除了自身對(duì)鋼的性能有影響外，還影響淬火馬氏體的碳含量和Ar含量以及分布，從而對(duì)鋼的特性有額外的影響。為了揭示未溶解碳化物對(duì)性能的影響，使用了不同碳含量的鋼，淬火后馬氏體碳含量和Ar含量相同，但未溶解碳化物含量不同。在150°C回火后，由于馬氏體具有相同的碳含量和更高的硬度，未溶解碳化物的少量增加對(duì)硬度的增加幾乎沒有影響，強(qiáng)度和韌性的破碎載荷減小，對(duì)應(yīng)力集中敏感的接觸疲勞壽命明顯降低。因此，未溶解碳化物的過度淬火對(duì)鋼的綜合力學(xué)性能和抗破壞性是有害的，適當(dāng)降低軸承鋼的含碳量是提高零件使用壽命的途徑之一。

 

除了淬火未溶解碳化物的量影響材料性能外，尺寸、形態(tài)和分布也影響材料性能。為了避免軸承鋼中未溶解碳化物的危害，要求未溶解碳化物數(shù)量少、尺寸小、均勻（尺寸差異小，分布均勻）、圓（存在每種碳化物）。需要注意的是，軸承鋼淬火后需要少量未溶解的碳化物，不僅可以保持足夠的耐磨性，還可以獲得細(xì)粒度的隱晶馬氏體。

 

四、調(diào)質(zhì)后的殘余應(yīng)力

 

軸承零件經(jīng)過低溫調(diào)質(zhì)處理后，仍有較大的內(nèi)應(yīng)力，零件中的殘余內(nèi)應(yīng)力有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，在鋼的熱處理之后，隨著表面上殘余壓應(yīng)力的增加，鋼的疲勞強(qiáng)度增加。相反，當(dāng)表面上的殘余內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，鋼的疲勞強(qiáng)度降低，這是因?yàn)楫?dāng)零件受到過大的拉伸應(yīng)力時(shí)，就會(huì)發(fā)生零件的疲勞失效，當(dāng)較大的壓應(yīng)力殘留在表面時(shí)，它會(huì)抵消相同值的拉應(yīng)力，鋼的實(shí)際拉應(yīng)力會(huì)降低，從而提高疲勞強(qiáng)度極限值。當(dāng)表面上殘留有較大的拉應(yīng)力時(shí)，即使疲勞強(qiáng)度極限值降低，它也會(huì)與拉應(yīng)力載荷疊加，使鋼材的實(shí)際拉應(yīng)力顯著增加，因此，使軸承零件在淬火和回火后表面具有較大的殘余壓應(yīng)力也是提高使用壽命的措施之一（當(dāng)然，過大的殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致零件變形甚至開裂，應(yīng)給予足夠的重視）。

 

五、鋼材雜質(zhì)含量

 

鋼中的雜質(zhì)包括非金屬夾雜物和有害元素（酸溶性物質(zhì)），它們對(duì)鋼性能的危害往往是相輔相成的，例如，氧含量越高，氧化物夾雜物就越多，鋼中雜質(zhì)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能和抗破壞性的影響與雜質(zhì)的類型、性質(zhì)、數(shù)量、尺寸和形狀有關(guān)，通常會(huì)降低韌性、塑性和疲勞壽命。

 

隨著夾雜物尺寸的增加，疲勞強(qiáng)度下降，鋼的抗拉強(qiáng)度越高，下降趨勢(shì)越大，當(dāng)鋼中氧含量增加（氧化物夾雜物增加）時(shí)，在高應(yīng)力下，彎曲疲勞和接觸疲勞壽命降低，因此，有必要降低在高應(yīng)力下工作的軸承零件的制造鋼的含氧量。一些研究表明，鋼中的MnS夾雜物呈橢球形，可以包裹有害的氧化物夾雜物，因此對(duì)疲勞壽命的降低影響很小，甚至可能是有益的。

 

六、影響軸承壽命的材料因素的控制

 

為了使上述影響軸承壽命的材料因素處于最佳狀態(tài)，首先需要在淬火前控制鋼的原始組織，可采取的技術(shù)措施有：高溫（1050℃）奧氏體化，快速冷卻至630℃等溫正火，得到擬共析細(xì)珠光體組織，或冷卻至420℃等溫處理，得到貝氏體組織。鍛造和軋制余熱也可用于快速退火，以獲得細(xì)粒度的珠光體組織，確保鋼中的碳化物細(xì)小且均勻分布。當(dāng)這種狀態(tài)下的原始組織通過淬火和加熱進(jìn)行奧氏體化時(shí)，除了溶解在奧氏體中的碳化物外，未溶解的碳化物還會(huì)聚集成細(xì)小的晶粒。

 

當(dāng)鋼中的原始組織不變時(shí)，淬火馬氏體的碳含量（即淬火加熱后奧氏體的碳含量）、殘余奧氏體的量和未溶解碳化物的量主要取決于淬火加熱溫度和保溫時(shí)間。隨著淬火加熱溫度的升高（一定時(shí)間），鋼中未溶解碳化物的數(shù)量減少（淬火馬氏體的碳含量增加），殘余奧氏體的數(shù)量增加，硬度首先增加，達(dá)到峰值后，它會(huì)隨著溫度的升高而降低，當(dāng)淬火加熱溫度恒定時(shí)，隨著奧氏體化時(shí)間的延長(zhǎng)，未溶解碳化物的數(shù)量減少，殘余奧氏體的數(shù)量增加，硬度增加，時(shí)間越長(zhǎng)，這種趨勢(shì)就越慢，當(dāng)原始組織中的碳化物較小時(shí)，碳化物很容易溶解為奧氏體，因此淬火后的硬度峰值向較低的溫度移動(dòng)，并在較短的奧氏體化時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。

 

綜上所述，最佳的軸承鋼，即GCrl5鋼淬火后未溶解的碳化物約為7%，殘余奧氏體約為9%（隱晶馬氏體的平均碳含量約為0.55%）。當(dāng)原始結(jié)構(gòu)中的碳化物精細(xì)且均勻分布時(shí)，且可靠地控制上述水平的微觀結(jié)構(gòu)組成時(shí)，有利于獲得高的綜合機(jī)械性能，從而具有高的使用壽命。需要注意的是，原始結(jié)構(gòu)中有細(xì)小且分散的碳化物，在淬火和加熱時(shí)，未溶解的細(xì)小碳化物會(huì)聚集并生長(zhǎng)，使其變得更粗糙，因此，采用這種原始結(jié)構(gòu)的軸承零件的淬火加熱時(shí)間不宜過長(zhǎng)，快速加熱奧氏體化淬火工藝將獲得更高的綜合力學(xué)性能。

 

為了使軸承零件表面在淬火和回火后殘留較大的壓應(yīng)力，可以在淬火和加熱過程中引入滲碳或氮化工藝，進(jìn)行短期的表面滲碳或氮化。由于這種鋼在淬火和加熱過程中奧氏體的實(shí)際碳含量不高，因此碳（或氮）可以被吸收，當(dāng)奧氏體含有高碳或高氮時(shí)，Ms降低，與內(nèi)層和核心相比，淬火后的表層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致較大的殘余壓應(yīng)力。GCr15鋼在滲碳和非滲碳（均為低溫回火）中加熱淬火后，接觸疲勞試驗(yàn)表明，表面滲碳的壽命是非滲碳的1.5倍，其原因是滲碳零件表面存在較大的殘余壓應(yīng)力。

 

七、結(jié)論

 

影響高碳鉻鋼滾動(dòng)軸承零件使用壽命的主要材料因素和控制程度有：

 

（1） 淬火前鋼的原始組織中的碳化物要求細(xì)小且分散。高溫奧氏體化可以在630°C或420°C下使用，也可以通過鍛造和軋制余熱快速退火工藝實(shí)現(xiàn)。

 

（2） 對(duì)于淬火后的GCr15鋼，要求獲得平均碳含量約為0.55%、Ar約為9%、未溶解碳化物約為7%的隱晶質(zhì)馬氏體的均勻圓形組織，這種微組織可以通過淬火加熱溫度和時(shí)間來控制。

 

（3） 零件在低溫下淬火回火后，表面需要較大的壓應(yīng)力，有助于提高抗疲勞性能。淬火加熱過程中短時(shí)間滲碳或氮化的表面處理工藝可以使表面保持較大的壓應(yīng)力。

 

（4） 軸承零件制造中使用的鋼材要求高純度，主要是為了降低O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量?？刹捎秒娫厝?、真空熔煉等技術(shù)措施使材料含氧量≤15PPM。