高碳鉻軸承鋼主要用于滾動軸承。因滾動軸承工作條件嚴(yán)峻，所 以對材料性能要求更高。本文是對高碳鉻軸承鋼材料的性能要求，材料成分，合格組織，熱處理要點的學(xué)習(xí)摘錄淺述。
一、滾動軸承用鋼的服役條及對性能要求：
滾動軸承工作時，套圈、滾動體受交變接觸應(yīng)力，最大接觸應(yīng)力高達(dá)3000-5000Mpa。套圈、滾動體還與保持架有相對滑動，且受含有水分及雜質(zhì)的潤滑油的化學(xué)侵蝕。某些情況下還受著復(fù)雜的扭曲、沖擊載荷。所以，軸承是在嚴(yán)峻的條件下工作的。其破壞方式有疲勞剝落、卡死、套圈斷裂、磨損、銹蝕等等。因此，對滾動軸承鋼有如下性能要求：
1，高的淬硬性和必要的淬透性，以保證熱處理后高而均勻表面硬度，以及沿截面有比較均勻的硬
度分布，高的耐磨性。
2，高的接觸疲勞性能。
3，高的彈性極限和一定的沖擊韌性。
4，持久的尺寸穩(wěn)定性。
5，一定的抗腐蝕能力。
6，良好的工藝性。
因此，正確選擇軸承鋼的成分、正確的冶煉、加工和熱處理，才能保證軸承在使用條件下具有最佳的組織狀態(tài)，這樣才會滿足上述性能要求。
二、高碳鉻軸承鋼的化學(xué)成分與合格組織
1，化學(xué)成分：
高碳鉻軸承鋼加工工藝性好，便于得到均勻穩(wěn)定的組織，高而穩(wěn)定的硬度，良好的耐磨性和抗接觸疲勞性能，合適的彈性和韌性，滿意的防銹性能，因而得到了廣泛的應(yīng)用。常用高碳鉻軸承鋼的化學(xué)成分見表1。
表1 鉻軸承鋼的化學(xué)成分
鋼牌號
化 學(xué) 成 分 %
退火后的硬度
HB
C
Mn
Si
Cr
GCr6
1.05-1.15
0.20-0.40
0.15-0.35
0.40-0.70
170-207
GCr9
1.00-1.10
0.20-0.40
0.15-0.35
0.90-1.20
170-207
GCr9SiMn
1.00-1.10
0.90-1.20
0.40-0.70
0.90-1.20
179-217
GCr15
0.95-1.05
0.90-1.20
0.15-0.35
1.30-1.65
170-207
GCr15SiMn
0.95-1.10
0.90-1.20
0.40-0.65
1.30-1.65
179-217
注：鋼中含Ni≤0.30%、含Cu≤0.25%、二者總量≤0.50%，含S≤0.20%、含P≤0.027%。
高碳鉻軸承鋼屬于過共析鋼。淬火、低溫回火后，希望得到高硬度、高的接觸疲勞性能和耐磨性。含碳量是決定這些性能的主要因素。時實踐證明，同樣硬度的條件下，馬氏體上有均勻細(xì)小的碳化物存在，比單純的馬氏體耐磨性高。為形成足夠數(shù)量的碳化物，鋼中的含碳量就不能太低，故選用過共析成分。但含碳量高，會增加碳化物的分布不均勻性，極易生成網(wǎng)狀碳化物而使性能降低。故軸承鋼中的含碳量為0.95-1.15%。鋼中的Cr、Mn、Si都可以提高淬透性，這些鋼在油中最大淬透直徑（中心硬度≥HRC60）：GCr6為Φ6-9，GCr9為Φ14-15，GCr15為Φ23-25，GCr15SiMn為Φ50-60，GCr9SiMn介于GCr15與GCr15SiMn之間。
滾動軸承鋼中的Cr含量范圍在0.40-1.65%之間，它除了增加淬透性外，在鋼中部分地溶于鐵素體，部分地溶于滲碳體，溶于滲碳體的Cr，形成了較穩(wěn)定的合金滲碳體（Fe、Cr）3 C。含Cr的合金滲碳體
在淬火加熱時溶解較慢，可減少過熱傾向，經(jīng)過熱處理后可以得到較細(xì)的組織，碳化物能以細(xì)小的質(zhì)點均勻分布于鋼中，Cr也可以提高馬氏體的低溫回火穩(wěn)定性。因此在淬火和低溫回火后，可以得到高而均勻的硬度，有效地提高鋼的耐磨性并且又具有高強度。但如果含Cr量過高（＞1.65%），則會促使殘余奧氏體量增加，使鋼的硬度降低，并且不能獲得均勻組織，影響鋼的韌性。
在GCr9SiMn和GCr15SiMn鋼中有稍高的Si、Mn含量，可以提高鋼的淬透性，因此GCr9SiMn可以替代GCr15，以節(jié)約Cr的用量。而GCr15SiMn適用于大型零件，以彌補GCr15的淬透性的不足。Si、Mn可以適當(dāng)增加奧氏體含量，有利于減小變形和增加工件工作時的穩(wěn)定性。但是Mn的增加，會增加鋼的過熱傾向，含量過高會使殘余奧氏體的含量過多，并使淬火開裂傾向增大。Si會增加鋼中氧化物夾雜的污染并影響韌性，所以含量須加以限制。
軸承鋼中對于P、S有嚴(yán)格的限制，P在加熱時會促使晶粒長大并增加鋼的脆性，降低強度，增加淬火開裂傾向，S會增加鋼中硫化物夾雜。作為殘余元素的Ni、Cu含量亦有限制，Ni會降低淬火層的硬度，Cu可以引起時效硬化，影響軸承長期使用的精度。
GCr15從其成分看，可作為合金工具鋼使用。故也常用來做沖模、量具、絲錐等，也常用于柴油機的精密偶件，某些轉(zhuǎn)子泵的定子等。
2，合格的低倍組織、非金屬夾雜物及顯微組織
對于軸承鋼的低倍組織、非金屬夾雜物和顯微組織在GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中有嚴(yán)格要求。表2列出了標(biāo)準(zhǔn)中對低倍組織的要求。
表2 高碳鉻軸承鋼低倍組織合格級別
低倍組織類型
評級圖
合格級別 不大于
模鑄鋼
連鑄鋼
中心疏松
第1級別圖
1.0
1.5
一般疏松
第2級別圖
1.0
1.0
偏析
第3級別圖
1.0
1.0
非金屬夾雜物對軸承鋼的機械性能，特別是接觸疲勞性能，以及使用壽命都有顯著的影響。一些研究指出，非金屬夾雜物對軸承鋼疲勞性能的影響隨夾雜物的類型、數(shù)量、形態(tài)不同而異。氧化物系夾雜物對軸承鋼接觸疲勞壽命的影響是明顯的，尤其鋼中Al2O3、球狀不變形夾雜物對疲勞壽命的影響最為嚴(yán)重，其次是TiN和塑性硅酸鹽。夾雜物顆粒越大，危害越嚴(yán)重，而且越能在較深處引發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生。疲勞裂紋是在工作表層發(fā)生的破壞，軸承零件在工作時，最大切應(yīng)力發(fā)生在距表層0.35-0.55mm某處。因此，從工件表層至1mm深處，其組織的均勻性至關(guān)重要，同樣的夾雜物，在距表層1mm以內(nèi)的夾雜物會比其它部位的危害更大。研究實驗指出，可成為破壞起點的夾雜物平均直徑，隨深度增加而變大。一般認(rèn)為，在試樣表層能引起疲勞破壞的夾雜物最小直徑為6-8μm，在這個數(shù)值以下的夾雜物對疲勞性能不起影響。此外，夾雜物的形狀分布也是影響疲勞壽命的因素之一。夾雜物細(xì)小、呈細(xì)條狀、分布均勻者疲勞壽命較高。由此可見，夾雜物對疲勞壽命的影響不是絕對的，與其性質(zhì)、種類、大小和分布有關(guān)。
還有研究認(rèn)為，硫化物對疲勞壽命并無有害影響，而鋼中含硫?qū)η邢骷庸び欣?，自動化加工軸承場合，可以放寬對硫的限制。
用于重要用途的軸承鋼對非金屬夾雜物的允許含量較一般用途的軸承鋼有更嚴(yán)格的要求。
表3，是GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對非金屬夾雜物合格級別的規(guī)定。
為了提高軸承鋼的使用壽命，不僅要嚴(yán)格控制鋼中非金屬夾雜物，還要認(rèn)真改善鋼中碳化物的不均勻性。鋼材原始的退火組織中，碳化物的形狀、大小、分布良好，是獲得具有良好使用性能的組織的前提。
表3 高碳鉻軸承鋼非金屬夾雜物合格級別
非金屬夾雜物類型
合格級別 不大于
細(xì)系
粗系
A
2.5
1.5
B
2.0
1.0
C
0.5
0.5
D
1.0
1.0
大量的生產(chǎn)實踐和研究實驗表明，原始組織為均勻細(xì)粒狀珠光體時，軸承零件在各個方面都能得到滿意的效果。原始組織是細(xì)粒狀珠光體的鋼材，具有合適的低硬度，便于切削加工，加工后表面質(zhì)量好。并且，在正常的淬火溫度范圍內(nèi)，具有較高的淬硬性和淬透性，具有寬的淬火溫度范圍和淬火開裂傾向，淬火質(zhì)量高而且穩(wěn)定。原始組織為片狀珠光體的鋼，淬火時較易開裂。均勻細(xì)粒狀珠光體原始組織，在淬火回火后，能得到最佳綜合機械性能。就是說，一方面具有高強度，另一方面又兼有良好的韌性和塑性，疲勞壽命和耐磨性也較高。關(guān)于碳化物對疲勞壽命的影響，一般認(rèn)為原始組織中碳化物顆粒越小，壽命越高。碳化物對疲勞壽命的影響，是通過其對基體固溶成分的改變而起作用的。淬火后，除碳化物外的基體雖然有一個平均含碳量（一般認(rèn)為0.5-0.6%比較好），但基體上，近碳化物處和遠(yuǎn)碳化物處的碳濃度是不一樣的。碳化物顆粒粗大，顆粒間距遠(yuǎn)，顆粒間基體碳濃度的不均勻程度就大，相反，碳化物顆粒細(xì)小，顆粒密集，間距近，顆粒間基體碳濃度差就小。碳濃度相差大，就有高碳區(qū)和低碳區(qū)，這樣的區(qū)域，疲勞裂紋就容易產(chǎn)生、發(fā)展，表象就是低疲勞壽命。
GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對珠光體合格級別有這樣的規(guī)定：
≤Φ60的球化退火圓鋼、盤條、所有尺寸的鋼管2-4級合格。
＞Φ60球化退火鋼材，供需雙方協(xié)議商定。
為了得到優(yōu)良的球化退火組織，材料球化退火前的組織也要控制。球化退火前，軸承鋼可能會存在三種碳化物分布不均勻的缺陷，一是網(wǎng)狀、二是帶狀、三是液析。
軸承鋼中的網(wǎng)狀碳化物是在鍛造或軋制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。保留在淬火、回火后的軸承鋼零件中的網(wǎng)狀碳化物，急劇地降低零件的強度和韌性。碳化物的不均勻分布以及終鍛（軋）的溫度過高，以及隨后冷卻太慢，都會促使網(wǎng)狀碳化物的形成。軸承鋼在軋制、鍛造溫度下，碳化物已經(jīng)全部溶進了奧氏體中，網(wǎng)狀碳化物在900℃開始析出，在750-700℃范圍內(nèi)急劇形成，終鍛、終軋溫度過高會形成粗大的網(wǎng)狀碳化物。適宜的終鍛溫度是830-850℃，軋制或鍛造后在850-700℃范圍內(nèi)需要用鼓風(fēng)、噴霧、水冷等方法迅速冷卻來抑制。
帶狀碳化物是先有鋼錠存在枝晶偏析，在軋制后枝晶變成帶狀形成的，在鋼材的縱向磨片中呈現(xiàn)帶狀故名。
帶狀碳化物對退火和淬火后的組織轉(zhuǎn)變有相當(dāng)大的影響。熱加工后鋼材若存在嚴(yán)重的帶狀碳化物，退火后就很難獲得均勻一致的球化組織。退火后，在那些貧碳區(qū)域，往往形成層片狀的珠光體組織，或者即使在這些貧碳區(qū)域獲得了球化珠光體，但從整體來看，碳化物在顆粒大小和分布上是不均勻的。嚴(yán)重的帶狀碳化物組織也使獲得均勻的淬火組織發(fā)生困難。淬火加熱時，原來的貧碳區(qū)域容易發(fā)生過熱，奧氏體晶粒粗大且不均勻，馬氏體是針狀而不是隱晶的，原來的富碳區(qū)域容易出現(xiàn)曲氏體組織。由于帶狀碳化物組織所引起的淬火組織的不均勻性，使得零件中的內(nèi)應(yīng)力增大，而淬火組織中出現(xiàn)的曲氏體組織也使零件表面硬度不均勻。此外，也使工件淬火時產(chǎn)生較大的淬火變形，增加了淬火后鋼的各向異性，帶狀碳化物組織也是產(chǎn)生淬火裂紋的根源。
液析碳化物是鑄錠凝固時形成的，其形態(tài)粗大，沿軋制方向分布。它是一種一次碳化物。其在軸承鋼中的危害不再贅述。
GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對網(wǎng)狀碳化物的合格級別有如下規(guī)定：
≤Φ60的球化退火圓鋼、盤條、所有尺寸的鋼管，網(wǎng)狀碳化物，不大于2.5級。
＞Φ60至Φ120的球化退火鋼材的網(wǎng)狀碳化物不得大于3級。
＞Φ120的球化退火鋼材的網(wǎng)狀碳化物級別由供需雙方協(xié)議商定。
表4和表5，是GB/T18254-2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對帶狀碳化物、液析碳化物合格級別的規(guī)定。
表4 高碳鉻軸承鋼帶狀碳化物合格級別
規(guī) 格
合格級別 不大于
鋼管、冷拉（軋）材、≤Φ30熱軋球化退火材
2.0
＞Φ30至Φ60球化退火或軟化退火材
2.5
＞Φ60熱軋（鍛）球化退火或軟化退火材
≤Φ80熱軋不退火材
3.0
＞Φ80至Φ150熱軋不退火材
3.5
表5 高碳鉻軸承鋼液析碳化物合格級別
規(guī) 格
合格級別 不大于
鋼管、冷拉（軋）材、≤Φ30熱軋球化退火材
0.5
＞Φ30至Φ60球化退火或軟化退火材
1.0
＞Φ60熱軋（鍛）球化退火或軟化退火材
≤Φ80熱軋不退火材
2.0
＞Φ80至Φ150熱軋不退火材
2.5
end
