中碳轴承钢的结构改进
发布日期: 2013-08-02 09:39 〖返回〗
近期，俄罗斯学者G.S.Vodovozova和P.A.Zhdanov等人研究了中碳轴承钢的结构和机械性能，并通过实验与ShKh15类轴承钢进行了对比分析，得出了在硬度、均质性和晶粒大小方面的结论，为中碳轴承钢的实际生产提供了理论依据，组织不均匀成“瓶颈”。一般来说，轴承钢的性能要求是高硬度、良好的弹性性能和抗疲劳性，特别是抗接触疲劳失效性。对于高碳合金钢，当碳含量在0.95%~1.15%时可以满足上述要求，而碳含量为0.10%~0.20%的低碳轴承钢则通常需要进行碳氮共渗工艺才能达到以上要求。轴承钢抗接触疲劳失效的性能，主要取决于钢中非金属夹杂粗颗粒堆积、碳化物不均质性、晶体大小的差异等因素。这些缺陷的综合作用造成轴承钢在使用过程中微应力集中和过早脆裂(剥落、切口形成和龟裂等)，目前广泛使用的ShKh15类轴承钢显示出来的明显缺点就是由结构不均质性造成的。这是过共析化学构成的一个特点，即在高碳含量(0.95%~1.10%)下，由于碳和碳化物不均质性导致熔析的发展。为避免不均质性这种状况的发生或对这种情况进行改善，采用延长时间的均质化退火是必要的。
通过添加合适的合金元素，采用低碳含量可以达到钢种要求的硬度水平。众所周知，作为轴承钢，可使用低碳和中碳铬-镍、铬-锰和铬-硅-锰钢。这些钢没有高碳过共析钢的主要缺点碳化物不均质性。
考虑到以上因素，需要开发提供节省能源和延长轴承使用寿命的轴承钢生产技术。
最近研究的钢种是创新型轴承钢，能够满足更加致密的薄板部件，并应用更加经济的材料来提高质量，减少生产周期并且具有和ShKh15钢一样或更好的使用性能。川崎钢铁公司(日本)和NTN(日本)钢铁公司已经开发并投产了一类中碳轴承钢。这类中碳轴承钢的碳含量减少到0.75%~0.80%，使得在浇铸阶段钢中去除了共晶成分碳化物的形成，并且无须采用扩散退火。另外，在减少碳含量状况下的钢，工艺上更加有利于冲压和剪切。为评估该钢种的化学成分、微观组织和机械性能，俄罗斯学者们在实验室条件下对普通轴承钢ShKh15钢和中碳轴承钢的抗断裂性能进行了不同炉次的轧制实验和其他检验。
气体分析的结果显示，只在第2炉次钢中发现氧含量上升，但总体氧含量在容许范围内，其他炉次钢中氧含量均符合GOST901技术标准(不超过0.0015%)。为研究宏观组织和微观组织，从实验炉次里选取了用于显微镜观察的试样。同时准备了直径为5毫米的圆柱状试样进行抗拉实验(根据GOST1497-84)；准备带V形坡口(根据GOST9454第二类)10毫米×10毫米×55毫米的试样用于静态弯曲实验；采取疲劳龟裂裂纹最大深度2毫米的试样进行断裂韧性实验。
中碳轴承钢的最终热处理采用普遍接受的ShKh15类轴承钢规范：在840℃~845℃加热硬化，均热35分钟~40分钟后在M2M-16油中冷却，油温在30℃~60℃，随后在155℃下回火3.5小时。根据GOST9013(61.5HRC~62.5HRC)，最终回火后的硬度为62HRC。热轧状态下低倍组织由不存在游离铁素体夹层的珠光体构成，晶粒大小不低于7级(根据GOST5639)，没有粗的碳化物析出，低倍组织均匀细小，有利于钢的进一步精整加工。为提供良好的切削性和硬化前的准备，钢需要进行中间热处理，即在800℃~690℃下球化退火17小时，在退火状态下，球状珠光体的晶粒度级别为2，钢的实验炉次的低倍组织满足GOST801技术规范要求。纵向显微断面评估了显微组织的带状结构。钢试样从850℃硬化，然后再冷却，在150℃回火1小时，实验钢显微组织的带状结构不超过1级~2级，这些值完全满足GOST801对于热轧钢ShKh15的技术规范要求。同一试样用来评价实验钢的残留碳化物网络，确认不超过3级，实验钢的结构更加均匀。因此考虑到碳化物熔析指数和结构的不均质性，实验钢满足所有标准的技术规范要求并且明显超过ShKh15类轴承钢。
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