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各类轴承钢材性能介绍

2010/10/22      

    1.高碳铬钢

    常用轴承钢为高碳铬钢,它的特点是可从表面到芯部淬透到HRC58~66这样高硬度范围,故又称完全淬硬钢。这种钢价格低廉,在世界范围内应用得最广泛。这种钢又分为铬钢、铬钼钢、铬锰硅钢和铬锰钼钢四大类,自60年代至70年代,各国高碳铬钢中的含铬量有一定增加,多数国家将制造滚动体的原含铬量较低的高碳铬钢(相当于我国曾用的GCr6钢)废弃不用,而代之以制造套圈的同的钢种(相当于我国的GCrl5钢),而各国轴承钢的实际含铬量大都偏于其标准范围的上差,也有稍高于其标准的。我国轴承钢新标准YB(T)1—80还将使用量最大的轴承钢GCr15的最低含铬量从1.30%提高到1.40%。此外,从70年代起,有些国家提高了轴承钢中的含钼量,或增加了含钼轴承钢的新品种,以求获得更好的淬透性和细化晶粒。 

    2.渗碳轴承钢 

    渗碳钢是轴承工业最早采用的钢种,当前又正在发展。渗碳轴承钢用来制造在有冲击负荷或振动条件下工作的轴承元件,例如汽车、机车车辆、建筑机械,轧钢机和农业机械等的轴承元件。对这种钢材的要求为:渗碳表面层可以硬化到具有和高碳铬钢相同的硬度和疲劳强度,芯部控制在HRG35—40的硬度范围内,并具有足够的韧性和良好的综合机械强度,表面保留压应力状态。达到此要求的钢材,所制轴承耐冲击,表面不易开裂,即使表面硬化层发生微裂纹,也不易向内层扩展。 

    渗碳轴承钢的热处理工艺复杂,容易产生脆性、软点、硬度不均等废品,因而成本较高。

    为了确保渗碳轴承的强度,渗碳元件的表面硬度,表层向内层的硬度分布以及芯部硬度,三者都很重要。渗碳浓度要控制适中,含碳量愈高寿命愈长,但要在残余奥氏体含量的允许范围内,因为含碳量高,残余奥氏体含量也高厂.轴承尺寸稳定性差。另外,为了改善淬透性,不宜过多加入某一种元素,宜微量地加入多种合金元素。  

    3.中碳轴承钢 

    在承受更大冲击而渗碳钢也不能适应的场合下,常采用中碳锰钢、铬钢等制造轴承零件,多为低速大型硬度要求不太高的元件以及各种尺寸的螺旋滚子等。

    新近开发的某些中碳钢品种如GCr15可应用于大中小型各种尺寸轴承元件的制造,这是一种可望广泛应用的有发展前途的钢种。它的化学成分和GCrl5大体相同,只是含碳量较低,其特点是能显著改善钢中碳化物的不均向性,获得均匀细小的球化退火组织,微裂纹难于萌生和扩展,使得疲劳强度和压碎强度高于GCr15,由于含碳量少,位错马氏体的比例增加,对材料缺陷的敏感性就降低,其淬火硬度可以较高,含铬量又与GCr15相同,所以它的耐磨性,防锈性、回火稳定性,淬透性以及多种机械特性与GCr15相当,而对于振动和冲击负荷的耐力,则高于GCrl5,同时这种钢的工艺性能较好,钢的生产和轴承制造成本有所降低,轴承的使用寿命也有所增加,因此可以在很大范围内与GCrl5相竞争。  

    4.高温轴承钢

(1)对高温下工作的轴承钢材的要求

    现代技术如核动力系统、喷气式发动机以及燃气轮机等的工作温度常达数百度以至数千度,,显然普通的轴承钢材无法应用。必须使用高温轴承钢或其他耐高温材料。

    通常认为超过120℃的温度条件,便算是高温工作条件,此时普通轴承钢会发生组织变化和屈服强度降低,精度逐步丧失;而当轴承工作温度超过轴承材料回火温度时,其硬度就明显下降,工作温度超过180℃时硬度就急剧下降,很快出现早期疲劳和磨损。 

    保证轴承在高温下运转精度和使用寿命的中心环节是保证轴承在高温下具有足够的硬度和尺寸与形状的稳定程度,因此对于高温轴承钢提出如下要求:

    1)高温下硬度不低于HRC50~56;金相组织稳定;

    2)高温尺寸稳定性良好,温度膨胀系数小,没有显著的组织变化,抗蠕变性好,残余应力小;

    3)抗氧化性好,生成的氧化膜与基体结合牢固,而且耐磨性和疲劳强度好,耐热震性好,能经受较快的温度变化,导热性要好; 

    4)作为轴承钢所应有的其他材料特性。

    (2)高温轴承的常用钢材在180℃以下的低负荷场合,可将常用轴承钢进行高温回火(160~300℃)使用,如果硬度不合要求,可改用亚高温轴承钢GCrSiWV,这种钢的工作温度在250℃左右。在300℃左右的温度下可采用Cr4Mo4V,在538℃以下可采用W6Cr4Mo5V2,超过此温度则使用钴基、铬基或钼基合金制造轴承,而当温度超过81℃时可用碳化钛、碳化钨等金属陶瓷材料,更高温度时可使用氧化锆等陶瓷材料,用这类材料制成的轴承所能承受的最高工作温度可达1650℃。

    5.耐腐蚀轴承钢 

    几种高温轴承钢的寿命对比在普通轴承钢已不能胜任的腐蚀性介质环境中,就要用耐腐蚀轴承钢来制造轴承及其零件,例如在接触水或水蒸气的水力机械中,在接触酸和碱的化工机械中,在接触海水的舰艇船舶中;仪器仪表中的轴承也常用耐腐蚀钢制造,因为轴承稍有锈蚀便会影响到它们的计量精度和反应灵敏度;食品工业中的轴承有时也用耐腐蚀钢制造,因为它希望轴承能耐腐蚀,不致有腐蚀物质而引起食物污染。耐腐蚀轴承钢可分为两大类:一类是马氏体系不锈钢用于要求硬度较高的场合;一类是奥氏体系不锈钢,用于要求有更好耐腐蚀性的场合。前者常添加相当数量的钼来取代部分铬,以改善耐海水腐蚀的性能,后者的硬度较低,负荷承载能力和使用寿命不及前者。  

    许多耐腐蚀钢也能耐高温,两种钢材常常通用,但二者的目标却不相同,高温用钢材重点要求高温硬度和高温尺寸与形状精度的稳定性,而耐腐蚀钢重点要求化学稳定性。现代技术要求轴承在高温、高腐蚀性、无润滑的条件下运转,例如新式原子锅炉中的轴承要在钠溶液中运转,上述高温轴承钢都不能适应,这时需用特殊非铁合金或陶瓷材料制造轴承了。

 国外常用的耐腐蚀钢140r4Mo具有较好的耐酸碱能力,只是对于沸腾的稀硝酸的耐力低于耐腐蚀钢440C,而SUS304的耐海水能力很强,常用来制造潜水泵以至潜水艇中的轴承,但其硬度有些低。这两种钢也能耐高温。90r18Mo的耐高温和耐腐蚀能力都很高,甚至可在400℃的硝酸或盐酸的蒸气中工作。

    6.耐低温轴承钢

    在航天技术中,为火箭提供液体燃料的涡轮泵轴承要在液态氧和液体氢中运转。其温度和液化气体相等。由于普通轴承钢存在马氏体组织,本来韧性就不理想,又有低温脆性,如用于—5~—200℃低温,实际上会由于空气中潮气在轴承表面凝结水珠而产生锈蚀,所以应采用不锈钢。一般将马氏体系不锈钢进行低温深冷处理,以保证其组织不发生变化。在液态氧(沸点—183℃)中用SUS4400钢制造的向心球轴承与圆柱滚子轴承所作运转试验结果表明,轴承除挡边表面有些磨损外无特殊异常,可以经受高达20000r/min的转速,但是这时轴承的保持架必须采用特殊材料制造。耐低温轴承的保持架本身也有用不锈钢制造的,常用的有奥氏体系的SUS304钢和马氏体系的SUS440V钢,前者易于加工,使用较多。

    总之,耐低温轴承钢的技术关键在于无低温脆性和耐冷凝水的腐蚀性,而马氏体系SUS4400可达到的表面硬度为HRC56~60,低于常用轴承钢,所以其基本额定静负荷和基本额定动负荷,或者其使用寿命都比相同基本型号同一尺寸规格的常用轴承钢轴承要低些,这一点必须加以注意。

 

 

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