中碳軸承鋼的結構改進和性能提升

　　隨著中國裝備制造業向高質量和高精密發展，用於制造軸承滾動軸承的滾珠、滾柱和套筒等的軸承鋼正日益受到重視。伴隨著軸承制造業的持續、較快發展，軸承鋼市場前景看好。並且，精密軸承等基礎機械鑄造業已經成為國家“十二五”期間重點發展的行業。因此，有必要加大對軸承鋼的研究，提高軸承鋼的質量。
　　近期，俄羅斯學者G。S。Vodovozova和P。A。Zhdanov等人研究了中碳軸承鋼的結構和機械性能，並通過實驗與ShKh15類軸承鋼進行了對比分析，得出了在硬度、均質性和晶粒大小方面的結論，為中碳軸承鋼的實際生產提供了理論依據。
　　組織不均勻成“瓶頸”
　　一般來說，軸承鋼的性能要求是高硬度、良好的彈性性能和抗疲勞性，特別是抗接觸疲勞失效性。對於高碳合金鋼，當碳含量在0。95%~1。15%時可以滿足上述要求；而碳含量為0。10%~0。20%的低碳軸承鋼則通常需要進行碳氮共滲工藝才能達到以上要求。軸承鋼抗接觸疲勞失效的性能，主要取決於鋼中非金屬夾雜粗顆粒堆積、碳化物不均質性、晶體大小的差異等因素。這些缺陷的綜合作用造成軸承鋼在使用過程中微應力集中和過早脆裂(剝落、切口形成和龜裂等)。
　　目前廣泛使用的ShKh15類軸承鋼顯示出來的明顯缺點就是由結構不均質性造成的。這是過共析化學構成的一個特點，即在高碳含量(0。95%~1。10%)下，由於碳和碳化物不均質性導致熔析的發展。為避免不均質性這種狀況的發生或對這種情況進行改善，采用延長時間的均質化退火是必要的。
　　通過添加合適的合金元素，采用低碳含量可以達到鋼種要求的硬度水平。眾所周知，作為軸承鋼，可使用低碳和中碳鉻-鎳、鉻-錳和鉻-硅-錳鋼。這些鋼沒有高碳過共析鋼的主要缺點碳化物不均質性。
　　考慮到以上因素，需要開發提供節省能源和延長軸承使用壽命的軸承鋼生產技術。
　　顯微組織細小均勻
　　最近研究的鋼種是創新型軸承鋼，能夠滿足更加致密的薄板部件，並應用更加經濟的材料來提高質量，減少生產周期並且具有和ShKh15鋼一樣或更好的使用性能。川崎鋼鐵(日本)和NTN(日本)鋼鐵已經開發並投產了一類中碳軸承鋼。這類中碳軸承鋼的碳含量減少到0。75%~0。80%，使得在澆鑄階段鋼中去除了共晶成分碳化物的形成，並且無須采用擴散退火。另外，在減少碳含量狀況下的鋼，工藝上更加有利於衝壓和剪切。
　　為評估該鋼種的化學成分、微觀組織和機械性能，俄羅斯學者們在實驗室條件下對普通軸承鋼ShKh15鋼和中碳軸承鋼的抗斷裂性能進行了不同爐次的軋制實驗和其他檢驗。
　　氣體分析的結果顯示，只在第2爐次鋼中發現氧含量上升，但總體氧含量在容許範圍內，其他爐次鋼中氧含量均符合GOST901技術標准(不超過0。0015%)。為研究宏觀組織和微觀組織，從實驗爐次裡選取了用於顯微鏡觀察的試樣。同時准備了直徑為5毫米的圓柱狀試樣進行抗拉實驗(根據GOST1497-84)；准備帶V形坡口(根據GOST9454第二類)10毫米×10毫米×55毫米的試樣用於靜態彎曲實驗；采取疲勞龜裂裂紋最大深度2毫米的試樣進行斷裂韌性實驗(根據GOST9454第二類)。
　　中碳軸承鋼的最終熱處理采用普遍接受的ShKh15類軸承鋼規範：在840℃~845℃加熱硬化，均熱35分鐘~40分鐘後在M2M-16油中冷卻，油溫在30℃~60℃，隨後在155℃下回火3。5小時。根據GOST9013(61。5HRC~62。5HRC)，最終回火後的硬度為62HRC。熱軋狀態下低倍組織由不存在游離鐵素體夾層的珠光體構成，晶粒大小不低於7級(根據GOST5639)，沒有粗的碳化物析出，低倍組織均勻細小，有利於鋼的進一步精整加工。
　　為提供良好的切削性和硬化前的准備，鋼需要進行中間熱處理，即在800℃~690℃下球化退火17小時，在退火狀態下，球狀珠光體的晶粒度級別為2，鋼的實驗爐次的低倍組織滿足GOST801技術規範要求。縱向顯微斷面評估了顯微組織的帶狀結構。鋼試樣從850℃硬化，然後再冷卻，在150℃回火1小時，實驗鋼顯微組織的帶狀結構不超過1級~2級，這些值完全滿足GOST801對於熱軋鋼ShKh15的技術規範要求。同一試樣用來評價實驗鋼的殘留碳化物網絡，確認不超過3級，實驗鋼的結構更加均勻。因此考慮到碳化物熔析指數和結構的不均質性，實驗鋼滿足所有標准的技術規範要求並且明顯超過ShKh15類軸承鋼。
　　機械性能良好
　　評價非金屬夾雜物的試樣選擇和實驗按GOST1778-80制備。非金屬夾雜物主要為碳化物和氧化物，幾乎不存在球狀夾雜，硅酸鹽有延性單項夾雜，顯示有1。5級大小，存在於第2爐次鋼裡，並由於氧化物夾雜污染而報廢。在熱軋狀態下，實驗室爐次鋼采用碳氮共滲工藝進行微合金化的硬度為35HRC~38HRC。為實現球狀珠光體的退火，實驗室爐次鋼采用碳氮共滲進行微合金化的硬度為195HB~217HB，其值稍高於GOST801技術規範硬度的179HB~207HB。在新硬化狀態下，所實驗鋼硬度為65HRC~67HRC。
　　回火對淬火鋼硬度的影響顯示，對於實驗爐次鋼在回火溫度為160℃時幾乎沒有降低淬火鋼的硬度，即在65HRC的水平。
　　在硬化和輕度回火狀態下鋼的機械實驗結果表明，所有的斷裂案例都是因為脆性機理所致，斷裂應力值和屈服強度值幾乎相等，他們是624~920N/mm2，相關延伸率和面積減少接近零。斷裂韌性實驗試樣規格為10毫米×10毫米55毫米，並進行集中折彎，試樣先期要開尖銳切口和疲勞裂紋。在硬化和150℃~180℃下回火後，對采用V和Nb微合金化的試樣進行了實驗。從組織狀態和數據分析表明，斷裂韌性對於實驗鋼(中碳軸承鋼)和ShKh15鋼是相似的，回火溫度從150℃升到180℃時沒有降低鋼的斷裂韌性。
　　通過對實驗鋼化學成分、宏觀組織和微觀組織的分析，對硬度、機械性能和抗斷裂性能的全面研究得出，新型實驗爐次的軸承鋼的機械性能水平與ShKh15類軸承鋼相當，64HRC~65HRC的硬度水平優於GOST801技術規範要求，實驗爐次鋼和ShKh15類軸承鋼的斷裂韌性值相似。而采用V和Nb微合金化的軸承鋼滿足了GOST801技術規範要求，實驗鋼更加純淨。同時，低倍組織碳化物不均質性低，不存在碳化物網格殘留。因此，新型的微合金化中碳軸承鋼具有比ShKh15類軸承鋼更加良好的性能。