一、淬火鋼中的馬氏體

 

當高碳鉻鋼的原始組織為粒狀珠光體時，淬火馬氏體的碳含量對鋼在淬火和低溫回火條件下的力學性能有明顯影響，其強度和韌性約為0.5%，接觸疲勞壽命約為0.55%，抗壓強度約為0.42%，當GCr15鋼淬火馬氏體的碳含量為0.5%～0.56%時，可以獲得抗破壞性最強的綜合力學性能。

 

在這種情況下獲得的馬氏體是隱晶馬氏體，并且測量的碳含量是平均碳含量，事實上，馬氏體中的碳含量在微觀區域并不均勻，碳化物附近的碳濃度高于碳化物中遠離鐵素體的部分，因此它們開始發生馬氏體轉變的溫度不同。因此，馬氏體晶粒的生長和微觀形態的顯示被抑制為隱晶馬氏體，其可以避免高碳鋼淬火時容易出現的微裂紋，其亞結構為高強度、高韌性的位錯板條馬氏體，因此，只有對高碳鋼進行淬火以獲得中碳隱晶馬氏體，軸承零件才能獲得具有最佳抗破壞性能的基體。

 

二、淬火鋼中的殘余奧氏體

 

在正常淬火后，高碳鉻鋼可含有8%至20%的Ar（殘余奧氏體），Ar在軸承零件中有優點也有缺點，為了取長補短，Ar的含量應該確保在適當的范圍內。由于Ar的量主要與淬火加熱的奧氏體化條件有關，其量將影響淬火馬氏體的碳含量和未溶解碳化物的量，并且難以準確反映Ar量對機械性能的影響。因此，奧氏體條件是固定的，并使用奧氏體化熱穩定工藝來獲得不同的Ar含量。有相關的機構研究了Ar含量對GCr15鋼調質后硬度和接觸疲勞壽命的影響，隨著奧氏體含量的增加，硬度和接觸疲勞壽命都有所增加，達到峰值后又有所下降。然而，Ar含量的峰值是不同的，硬度峰值出現在約17%的Ar處，而接觸疲勞壽命峰值出現在9%左右，當試驗載荷減小時，Ar量的增加對接觸疲勞壽命的影響減小，這是因為當Ar的量不多時，對強度降低的影響很小，但增韌效果更明顯。當載荷小時，Ar發生少量變形，這不僅降低了應力峰值，而且加強了變形的Ar處理和應力應變誘導的馬氏體相變，然而，如果載荷較大，Ar的大塑性變形以及基體的局部應力集中和開裂將導致壽命降低。需要特別注意的是，Ar的有益作用必須在Ar的穩定狀態下，如果它自發地轉變為馬氏體，鋼的韌性將急劇降低并脆化。

 

三、淬火鋼中未溶解的碳化物

 

淬火鋼中未溶解碳化物的數量、形態、尺寸和分布不僅受淬火前鋼的化學成分和原始組織的影響，還受奧氏體化條件的影響，未溶解碳化物對軸承壽命的影響較小。碳化物是一種硬而脆的物質，除了有利于耐磨性外，在加載過程（尤其是碳化物是非球形）時，由于基體的應力集中，還會產生裂紋，從而降低韌性和抗疲勞性。淬火未溶解的碳化物除了自身對鋼的性能有影響外，還影響淬火馬氏體的碳含量和Ar含量以及分布，從而對鋼的特性有額外的影響。為了揭示未溶解碳化物對性能的影響，使用了不同碳含量的鋼，淬火后馬氏體碳含量和Ar含量相同，但未溶解碳化物含量不同。在150°C回火后，由于馬氏體具有相同的碳含量和更高的硬度，未溶解碳化物的少量增加對硬度的增加幾乎沒有影響，強度和韌性的破碎載荷減小，對應力集中敏感的接觸疲勞壽命明顯降低。因此，未溶解碳化物的過度淬火對鋼的綜合力學性能和抗破壞性是有害的，適當降低軸承鋼的含碳量是提高零件使用壽命的途徑之一。

 

除了淬火未溶解碳化物的量影響材料性能外，尺寸、形態和分布也影響材料性能。為了避免軸承鋼中未溶解碳化物的危害，要求未溶解碳化物數量少、尺寸小、均勻（尺寸差異小，分布均勻）、圓（存在每種碳化物）。需要注意的是，軸承鋼淬火后需要少量未溶解的碳化物，不僅可以保持足夠的耐磨性，還可以獲得細粒度的隱晶馬氏體。

 

四、調質后的殘余應力

 

軸承零件經過低溫調質處理后，仍有較大的內應力，零件中的殘余內應力有優點也有缺點，在鋼的熱處理之后，隨著表面上殘余壓應力的增加，鋼的疲勞強度增加。相反，當表面上的殘余內應力為拉應力時，鋼的疲勞強度降低，這是因為當零件受到過大的拉伸應力時，就會發生零件的疲勞失效，當較大的壓應力殘留在表面時，它會抵消相同值的拉應力，鋼的實際拉應力會降低，從而提高疲勞強度極限值。當表面上殘留有較大的拉應力時，即使疲勞強度極限值降低，它也會與拉應力載荷疊加，使鋼材的實際拉應力顯著增加，因此，使軸承零件在淬火和回火后表面具有較大的殘余壓應力也是提高使用壽命的措施之一（當然，過大的殘余應力可能會導致零件變形甚至開裂，應給予足夠的重視）。

 

五、鋼材雜質含量

 

鋼中的雜質包括非金屬夾雜物和有害元素（酸溶性物質），它們對鋼性能的危害往往是相輔相成的，例如，氧含量越高，氧化物夾雜物就越多，鋼中雜質對構件力學性能和抗破壞性的影響與雜質的類型、性質、數量、尺寸和形狀有關，通常會降低韌性、塑性和疲勞壽命。

 

隨著夾雜物尺寸的增加，疲勞強度下降，鋼的抗拉強度越高，下降趨勢越大，當鋼中氧含量增加（氧化物夾雜物增加）時，在高應力下，彎曲疲勞和接觸疲勞壽命降低，因此，有必要降低在高應力下工作的軸承零件的制造鋼的含氧量。一些研究表明，鋼中的MnS夾雜物呈橢球形，可以包裹有害的氧化物夾雜物，因此對疲勞壽命的降低影響很小，甚至可能是有益的。

 

六、影響軸承壽命的材料因素的控制

 

為了使上述影響軸承壽命的材料因素處于最佳狀態，首先需要在淬火前控制鋼的原始組織，可采取的技術措施有：高溫（1050℃）奧氏體化，快速冷卻至630℃等溫正火，得到擬共析細珠光體組織，或冷卻至420℃等溫處理，得到貝氏體組織。鍛造和軋制余熱也可用于快速退火，以獲得細粒度的珠光體組織，確保鋼中的碳化物細小且均勻分布。當這種狀態下的原始組織通過淬火和加熱進行奧氏體化時，除了溶解在奧氏體中的碳化物外，未溶解的碳化物還會聚集成細小的晶粒。

 

當鋼中的原始組織不變時，淬火馬氏體的碳含量（即淬火加熱后奧氏體的碳含量）、殘余奧氏體的量和未溶解碳化物的量主要取決于淬火加熱溫度和保溫時間。隨著淬火加熱溫度的升高（一定時間），鋼中未溶解碳化物的數量減少（淬火馬氏體的碳含量增加），殘余奧氏體的數量增加，硬度首先增加，達到峰值后，它會隨著溫度的升高而降低，當淬火加熱溫度恒定時，隨著奧氏體化時間的延長，未溶解碳化物的數量減少，殘余奧氏體的數量增加，硬度增加，時間越長，這種趨勢就越慢，當原始組織中的碳化物較小時，碳化物很容易溶解為奧氏體，因此淬火后的硬度峰值向較低的溫度移動，并在較短的奧氏體化時間內出現。

 

綜上所述，最佳的軸承鋼，即GCrl5鋼淬火后未溶解的碳化物約為7%，殘余奧氏體約為9%（隱晶馬氏體的平均碳含量約為0.55%）。當原始結構中的碳化物精細且均勻分布時，且可靠地控制上述水平的微觀結構組成時，有利于獲得高的綜合機械性能，從而具有高的使用壽命。需要注意的是，原始結構中有細小且分散的碳化物，在淬火和加熱時，未溶解的細小碳化物會聚集并生長，使其變得更粗糙，因此，采用這種原始結構的軸承零件的淬火加熱時間不宜過長，快速加熱奧氏體化淬火工藝將獲得更高的綜合力學性能。

 

為了使軸承零件表面在淬火和回火后殘留較大的壓應力，可以在淬火和加熱過程中引入滲碳或氮化工藝，進行短期的表面滲碳或氮化。由于這種鋼在淬火和加熱過程中奧氏體的實際碳含量不高，因此碳（或氮）可以被吸收，當奧氏體含有高碳或高氮時，Ms降低，與內層和核心相比，淬火后的表層發生馬氏體轉變，導致較大的殘余壓應力。GCr15鋼在滲碳和非滲碳（均為低溫回火）中加熱淬火后，接觸疲勞試驗表明，表面滲碳的壽命是非滲碳的1.5倍，其原因是滲碳零件表面存在較大的殘余壓應力。

 

七、結論

 

影響高碳鉻鋼滾動軸承零件使用壽命的主要材料因素和控制程度有：

 

（1） 淬火前鋼的原始組織中的碳化物要求細小且分散。高溫奧氏體化可以在630°C或420°C下使用，也可以通過鍛造和軋制余熱快速退火工藝實現。

 

（2） 對于淬火后的GCr15鋼，要求獲得平均碳含量約為0.55%、Ar約為9%、未溶解碳化物約為7%的隱晶質馬氏體的均勻圓形組織，這種微組織可以通過淬火加熱溫度和時間來控制。

 

（3） 零件在低溫下淬火回火后，表面需要較大的壓應力，有助于提高抗疲勞性能。淬火加熱過程中短時間滲碳或氮化的表面處理工藝可以使表面保持較大的壓應力。

 

（4） 軸承零件制造中使用的鋼材要求高純度，主要是為了降低O2、N2、P、氧化物和磷化物的含量。可采用電渣重熔、真空熔煉等技術措施使材料含氧量≤15PPM。