三種高淬透性軸承鋼的主要工藝與性能對比分析

2012-02-09

　　現行高碳鉻軸承鋼國家標準GB/T18254-2002中所納入的鋼號共有5個，其中3個牌號的軸承鋼GCr15SiMn、GCr15SiMo和GCr18Mo是淬透性較高的鋼種。GCr15SiMn鋼的應用時間較長，它是在GCr15鋼的基礎上，適當增加Si、Mn含量的改進型鋼種，以改善其淬透性和彈性極限，耐磨性比GCr15鋼好，但切削加工性能較GCr15鋼稍差，有回火脆性傾向，主要用于制造壁厚大于12mm、外徑大于250mm的軸承套圈，以及鋼球直徑大于50mm，圓錐、圓柱及球面滾子直徑大于22mm的軸承零件。
　　GCr15SiMo和GCr18Mo鋼分別是在1986～1995年期間先后開發的高淬透性軸承鋼，其目的是為了適應國民經濟的發展，特別是重型機械、礦山機械、采掘鉆井機械等大型化、重型化的發展需求。這些領域對大型軸承的品種、規格和數量的需求越來越多，軸承尺寸增加，要求軸承內外套圈的有效壁厚和滾體直徑也隨之加大，用GCr15SiMn鋼的淬透性、淬硬性及軸承的壽命滿足不了實際需要。
　　GCr15SiMo鋼開發的基本思路為：通過研究Si對Cr-Mo系SKF25及Mo對Cr-Si-Mn系的GCr15SiMn鋼各項性能的影響，而篩選出淬透性J60≥25mm，同時淬硬性等各項性能良好的鋼種；GCr18Mo鋼則是以德國鋼號100CrMo7（相當于SKF24）為基礎而開發的適宜于貝氏體等溫淬火的鋼種，其淬透性為880端淬J60值為18mm。自三種鋼開發并納標以來，GCr15SiMn和GCr18Mo用量較大，GCr15SiMn鋼則多用于制造大型軸承。GCr18Mo鋼用于貝氏體等溫淬火處理，在鐵路客車軸承上大量應用。而GCr15SiMo鋼目前的用量較少，其原因很多，諸如使用習慣、材料價格等，更重要的是與軸承生產廠家和軸承用戶對其工藝和性能并不十分清楚有關。為了合理、有效地選擇使用這三種材料，研究人員對它們的主要工藝與性能進行了綜合實驗研究和對比分析。
　　試驗用料選取不同的熔煉爐號，以及不同規格的GCr15SiMn、GCr15SiMo和GCr18Mo熱軋退火棒材。三種鋼材均以電爐+真空脫氣方法熔煉，化學成分和冶金質量符合GB/T18254-2002標準。以頂端淬火試驗法比較了三種材料的淬透性；試驗研究了三種鋼淬火溫度、回火溫度與硬度的關系；試驗研究了三種鋼在不同熱處理工藝下沖擊韌性與斷裂韌度KIC；試驗研究了GCr15SiMn鋼和GCr15SiMo鋼常規馬氏體淬回火后TLP試樣的接觸疲勞壽命；對GCr15SiMo鋼下貝氏體與M/B復合組織的TLP試樣的接觸疲勞壽命進行了對比試驗。
　　研究結果表明：
　　由三種軸承鋼的淬透性比較可知，以GCr15SiMo鋼Z好，GCr15SiMn鋼和GCr18Mo鋼稍差一些，且兩者相近。因此，在要求高淬透性及零件有效壁厚（或直徑）增大的情況下，在馬氏體淬火時，可優先考慮使用GCr15SiMo鋼，其次為GCr15SiMn鋼。GCr18Mo鋼則多用于下貝氏體等溫淬火處理。
　　由三種軸承鋼的淬硬性比較可知，以GCr15SiMo鋼Z好，GCr15SiMo鋼的65～80方的試樣可以淬透，而GCr15SiMn鋼與GCr15SiMo鋼則相差很多。
　　GCr15SiMo鋼抗回火性能明顯優于GCr15SiMn鋼和GCr18Mo鋼。
　　GCr15SiMn鋼和GCr15SiMo鋼常規馬氏體淬回火后的沖擊韌度與斷裂韌度基本相當，GCr18Mo鋼的等溫淬火貝氏體組織的沖擊韌度和斷裂韌度明顯優于GCr15SiMo鋼和GCr15SiMn鋼。
　　在常規馬氏體淬回火條件下，GCr15SiMo鋼的接觸疲勞壽命高于GCr15SiMn鋼。GCr15SiMo鋼與GCr18Mo鋼的等溫淬火下，其全下貝氏體（BL）組織的疲勞壽命高于M/B復合組織的疲勞壽命。
　　在承受大沖擊載荷下使用的軸承，優先適宜選擇GCr18Mo鋼等溫貝氏體淬火，在較小沖擊載荷下，也可使用GCr15SiMo鋼等溫貝氏體淬火。