轴承钢概况及质量检测

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轴承钢是用来制造滚珠、滚柱和轴承套圈的钢种。轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，因此要求轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性以及高的弹性极限；另外，对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格。轴承钢是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。轴承钢按不同的用途可分为若干种类，但目前比较常用的为高碳铬轴承钢GCr15。高碳铬轴承钢GCr15是世界上生产量最大的轴承钢，含碳（质量分数）为1%左右，含铬量（质量分数）为1.5%左右。

轴承钢的性能要求

众所周知，在各种运输车辆、机床、传动机械以及其他高速转动的机械中，轴承是不可缺少的零部件，而轴承钢就是用来制造各种滚动轴承的专用钢种。轴承钢的材料特性主要表现在以下方面：由于轴承钢的含碳量较高，钢锭浇铸及冷却时容易产生碳和铬的偏析，所以轴承钢钢锭开坯前应进行高温保温或扩散退火；轴承钢的导热性差，在加热时要防止炸裂；轴承钢在加热过程中容易产生脱碳、过热和过烧现象；轧后缓慢冷却时有明显的网状碳化物析出；在终轧温度低于800℃时，易产生带状碳化物。

滚动轴承的工作条件极为复杂，承受着各种高的交变应力，如拉力、压力、剪力和摩擦力等。基于对轴承工作条件和破坏情况的分析，对轴承钢的性能要求主要有：具有高的接触疲劳强度和抗压强度；经热处理后必须具有高而均匀的硬度；具有高的弹性极限，防止在高载荷作用下轴承发生过量的塑性变形；要有一定的韧性，防止轴承在受冲击载荷作用时发生破坏；要有一定的抗腐蚀性能；要有良好的工艺性能，如成型、切削、磨削等性能，以适应大批量、高效率、高质量生产的需要；要具有良好的尺寸稳定性，防止轴承在长期存放或使用中因尺寸变化而降低精度。

根据轴承的特殊使用要求，轴承制造行业对轴承钢的生产也提出了非常严格的质量要求，具体体现在标准YB9—68及轴承钢生产标准YJZ84中，这两个标准是目前轴承钢生产中的两个并行标准。

轴承钢的产品系列

轴承钢的产品系列主要有热轧棒材、冷拔材、锻材、管材、盘条以及钢丝等几类，其中用量最大的是热轧棒材。由于各种机械在运行当中是否完全可靠，在很大的程度上要取决于轴承的质量和可靠性，因此，轴承和轴承钢的质量越来越引起世界各国的重视。

目前，瑞典和日本的轴承钢质量在世界上处于领先地位。我国轴承钢的主要生产厂家有大冶特钢、北满特钢、上钢五厂、长城特钢、大连钢厂及本钢等。太钢轴承钢的产量最高时近2万t，约占全国总产量的1%～2%。

轴承钢的研发方向

世界各国都在研究和开发新型轴承钢以扩大应用和代替传统的轴承钢。例如：快速渗碳轴承钢，通过改变化学成分来提高渗碳速度，其中碳含量（质量分数）由传统的0.08%～0.20%提高到0.45%左右，渗碳时间由7h缩短到30min；高频淬火轴承钢，用普通中碳钢或中碳锰、铬钢，通过高频加热淬火来代替普通轴承钢，既简化了生产工序又降低了成本，并提高了使用寿命。

我国开发了高淬透性和淬硬性轴承钢GCr15SiMo，其淬硬性HRC≥60，淬透性J60≥25mm。GCr15SiMo的接触疲劳寿命L10和L50分别比GCr15SiMn提高73%和68%，即，在相同使用条件下，用GCr15SiMo钢制造的轴承的使用寿命是GCr15SiMo钢的近两倍。近年来，我国还开发了能节约能源、节约资源和抗冲击的GCr4轴承钢。与GCr15相比，GCr4的冲击值提高了66%～104%，断裂韧性提高了67%，接触疲劳寿命L10提高了12%。与全淬透的GCr15钢轴承相比，GCr4钢轴承的寿命明显提高，可用于重载高速列车轴承。

新型轴承钢主要向高洁净度和性能多样化两个方向发展。提高轴承钢的洁净度，特别是降低钢中的氧含量，可以明显延长轴承的寿命。氧含量(质量分数)由28×10-6降低到5×10-6，疲劳寿命可以延长1个数量级。目前，我国可以将轴承钢中的最低氧含量控制在10×10-6左右。轴承使用环境的变化要求轴承钢必须具备性能的多样化。例如：随着设备转速的提高，需要准高温用(200℃以下)轴承钢(通常采用在SUJ2钢的基础上提高Si含量、添加V和Nb的方法来达到抗软化和稳定尺寸的目的)；腐蚀环境下使用需要开发不锈轴承钢；为了简化工艺，应该开发高频淬火轴承钢和短时渗碳轴承钢；为了满足航空航天的设备需要，应开发高温轴承钢。

随着我国现代工业和科学技术的迅速发展，轴承的需用量日益增加，对其质量和性能的要求也越来越高，提出了高精度、高速、高温、低摩擦、低温升、低噪音和耐腐蚀等一系列要求。因此，对轴承钢的要求也越来越严格，使其向着高质量、高性能和多品种的方向发展。

轴承钢的质量要求

滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶炼质量有着密切的关系。由于轴承钢所具有的特性，对冶炼质量的要求比一般工业用钢要严格得多，如钢的化学成分、纯洁度、组织和均匀性等。滚动轴承要在拉伸、压缩、弯形、剪切、交变等复杂应力状态和高应力值之下，高速、长时间地工作。为了保证轴承具有良好的性能和高的寿命，对轴承钢的质量要求如下：

化学成分是影响轴承钢性能的最本质的因素。钢的物理、化学、机械性能和金相组织都是由化学成分决定的，改变了化学成分，就改变了钢的基本性质。因此，轴承钢的化学成分必须符合标准规定的允许范围。一般轴承用钢主要是高碳铬轴承钢，即含碳量1%左右，加入1.5%左右的铬，并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。铬可以改善热处理性能、提高淬透性、组织均匀性、回火稳定性，又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。但当铬含量超过1.65%时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。因此高碳铬轴承钢中的含铬量一般控制在1.65%以下。只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得满足轴承性能的组织和硬度。

特别严格的纯洁度要求。钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。轴承钢中的氧化物、硅酸盐等有害夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落、显著降低轴承寿命的主要原因。特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此，为了提高轴承的使用寿命和可靠性，必须降低轴承钢中夹杂物的含量。为了保证轴承钢有较高的疲劳强度、抗压强度、表面硬度和较长的使用寿命，钢中的氧化物、硫化物、点状夹杂等各种非金属夹杂物要严格地控制在一定的范围之内；钢中的各种碳化物(如碳化物液析、条状碳化物、带状碳化物及网状碳化物等)的不均匀性要控制在一定的级别之内。经热加工后的轴承钢成品，其表面脱碳层厚度要尽量减小；钢材的宏观低倍组织要良好，即一般疏松、中心疏松、偏析的级别要小，不允许出现皮下气泡、缩孔、夹杂和裂纹。经退火后的钢材，要求具有均匀、细小的球状珠光体组织。

严格的低倍组织和显微(高倍)组织要求。轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和偏析，显微(高倍)组织包括钢的退火组织、碳化物网状、带状和液析等。网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。带状碳化物影响退火和淬火回火组织以及接触疲劳强度。碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。低、高倍组织的优劣对滚动轴承的性能和使用寿命有很大的影响，所以，在轴承材料标准中对低、高倍组织有着严格的要求。

根据不同成型方法对钢材表面质量有不同程度的要求。总的来说，轴承钢材表面不得有裂纹、折叠、拉裂、结疤和夹渣。对冷冲用的冷拉钢材，除不允许上述缺陷外，表面要洁净，不得有锈蚀、麻凹等缺陷。轴承钢材表面不得有严重的脱碳现象，根据轴承零件成型工艺的不同要求，在标准中，对不同品种的钢材表面脱碳层深度有不同的限制规定。

滚动轴承用钢要求钢材尺寸精度较高，原因是大部分轴承零件都要经过压力成型。为了节省材料和提高劳动生产率，绝大部分轴承套圈都是经过锻造成型；钢球要经过冷镦或热轧成型，小尺寸的滚子也是经过冷镦成型。如果钢材的尺寸精度不高，就无法精确地计算下料尺寸和重量，而不能保证轴承零件的产品质量，也容易造成设备和模具的损坏。在对轴承钢进行精加工时，为了对原材料准确下料并精确地加工成所要求的零件尺寸，对轴承钢产品的尺寸精度也有严格的要求，同时还要求成品的外形（形状精度）要平直。根据轴承零件成型工艺及轴承钢的生产工艺，在标准中，对轴承钢材各种品种、规格的尺寸公差都进行了规定。锻造钢材尺寸公差一般按GB908—72标准，热轧钢材尺寸公差按GB702—86，冷拉钢材按GB905—82标准，冷拉钢丝按YB245—64标准。

轴承钢的轧制工艺

轴承钢的轧制工艺对轴承钢的冶炼质量要求很高，需要严格控制硫、磷、氢等含量以及非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况。因为非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况对轴承钢的使用寿命影响很大，往往轴承的失效就是在大的夹杂或碳化物周围产生的微裂纹扩展造成的。夹杂物的含量和钢中氧含量密切相关，氧含量越高，夹杂物数量就越多，寿命就越短。夹杂物和碳化物粒径越大、分布越不均匀，使用寿命也越短，而它们的大小、分布状况与使用的冶炼工艺和冶炼质量密切相关，现在生产轴承钢的主要工艺是连铸以及电炉冶炼+电渣重熔工艺冶炼，还有少量采用真空感应+真空自耗的双真空工艺，或+多次真空自耗等工艺来提高轴承钢的质量。

根据轴承钢的技术要求和钢种特征，轴承钢生产的大致轧制工艺过程如下：

轴承钢在冶炼后铸成的钢锭有热锭和冷锭之分。热锭可以利用钢锭的余热进行红送，装入初轧工序的均热炉内进行高温扩散加热，而冷锭则应及时退火，并对钢锭的表面进行清理。

由于轴承钢的导热性较差，在开坯或成材的轧前加热时速度不宜过快，钢坯入炉时的炉尾温度不宜过高，应小于700℃。高碳钢的加热温度区间比较窄，通常在150℃～1200℃之间。温度过低时变形抗力较大，而温度过高则会出现过热和过烧缺陷。轴承钢的过烧温度约为1220℃，一般的加热温度以1100℃～1180℃为宜。轴承钢在加热过程中的脱碳倾向很大。以GCr15为例，热加工过程中的脱碳层厚度可达0.3～0.8mm，对轴承制品的表面硬度和强度有很大的影响。为了减少脱碳层厚度，在加热过程中要尽量采用较低的加热温度和较短的加热时间，在高温区应避免长时间的加热，炉内的气氛要控制在还原性气氛中。为了减轻钢材的脱碳现象，钢厂在热加工和退火工序进行了钢材表面涂抹防脱碳的保护涂层试验，效果较好。

高温时，高碳轴承钢具有良好的塑性，可以用较大的压下量进行轧制。轧后冷却时，浓度较高的碳会沿着奥氏体的晶界析出，形成网状碳化物。因此，钢的终轧温度应严格控制在800～850℃之间，以利于破碎网状碳化物。温度高于850℃时，钢材在冷却过程中会析出网状碳化物；温度低于800℃时碳化物开始析出，富集的碳化物偏析会随着金属的变形，延伸成带状碳化物。

对于球化退火状态交货的轴承钢，在轧后和退火前需要降低网状碳化物的级别，得到晶粒细小的奥氏体组织。为了达到这一要求，除了上述控制终轧温度的方法外，另一个最有效的方法是对轧后的钢材进行控制冷却，而且它也是破除网状碳化物和细化晶粒的一个关键环节。

控制轧制和控制冷却是近十几年来发展起来的新技术，在国内外已得到普遍使用。轴承钢控制冷却的工艺主要是：轧后的钢材要穿水快速冷却至500℃左右，此时钢材内外的表面温差较大，可依靠钢材芯部的热量使钢材表面逐渐返红至660℃，然后缓慢冷却。这时钢材可以在返红过程中完成组织转变。快速冷却的目的是抑制钢中网状碳化物的析出，降低网状碳化物的级别，同时可以使珠光体的转变在较低的温度下进行，得到晶粒细小的奥氏体组织，为随后的球化退火提供良好的预备组织，以提高球化质量、缩短球化时间。目前国内外轴承钢的控制冷却主要采用双套管冷却器、环形喷嘴冷却器及湍流管冷却器等。

若用户需对轴承钢产品直接进行冷加工时，钢材应进行球化退火，以使钢材获得合适的硬度及细小的珠光体球化组织，便于加工。由于钢材在退火过程中还会继续发生氧化和脱碳，因此，轴承钢的退火多数是在通有氮气、氢气等的保护气氛的连续退火炉内进行，这样可以减轻钢材的氧化和脱碳。据统计，在通有保护气体的炉内退火，脱碳层的厚度最多只增加0.1mm左右。

轴承用钢的常见缺陷

滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶炼质量有着密切的关系。由于轴承钢所具有的特性，对冶炼质量的要求比一般工业用钢要严格得多，如钢的化学成分、纯洁度、组织和均匀性等。钢锭的皮下气泡，严重的非金属夹杂物及钢材在锻、轧过程中，加热温度过高，锻、轧后冷却快，终轧、终锻温度过低等原因都有产生裂纹的可能性。

轴承钢在锻、轧过程中产生的飞边、毛刺、皱折和尖锐棱角等，在继续轧制时压入金属内部，则形成折叠。由于钢锭表面的夹渣、凹坑，在锻、轧过程中形成较薄、扁平的分层，称之为结疤。

因轧机导板上沾有金属颗粒，导板安装不当等原因，使轴承钢钢材表面刻划出沟槽，称为刮伤或划痕。炉渣和各种耐火材料，在钢浇注过程中未浮在钢锭头部，而集聚在钢锭表面，钢锭修整时，又未清理掉，因此就会在钢材表面形成夹渣。

轴承钢钢材在加热过程中，表面要发生氧化作用，炉气中的氧与钢材表面的碳进行氧化反应，形成气体，使钢材表面的碳量低于规定数值称为脱碳。脱碳对高碳轴承钢来说是一个严重的缺陷，往往造成轴承零件表面脱碳，淬火后的硬度达不到技术要求。

钢液在浇注后的冷凝过程中，由于体积收缩而在钢锭的中心部位形成孔洞，称为缩孔。为了减少缩孔钢材的危害，在钢液浇注、结晶过程中要采用合理的工艺，使体积收缩而形成的孔洞移向钢锭的头部，在钢锭开坯后，将缩孔部分切掉。但是，由于浇注、冷却工艺不当，如定尺不合理、钢锭头部保温不足、开坯后锭头部位切除量少等，常会使缩孔残留在钢材内，而在低倍检查时，就会显示出来。

经酸洗后的钢样横向截面中心或其附近区域呈现短小、不连续，一般呈辐射状态分布的发丝状开裂，或在轴承钢钢材的纵向断口上出现表面光滑，形状近似圆形或椭圆形的银白色斑点，称为白点。白点形成的原因，一是钢中氢气的存在，二是钢材锻造后在600～300℃没有缓冷，氢气未充分扩散，产生组织应力而开裂。有白点的钢材或零件，其纵向、横向机械性能都有显著下降，故有白点的钢材或零件没有使用价值。

钢锭或钢坯在锻造加热时，温度过高，表面层沿晶界处被氧气侵入而产生氧化物。在晶界处和枝晶轴间的一些低熔点化合物发生熔化，以致在冷凝后形成裂纹或孔洞，这种现象称为过烧。钢材过烧后，再锻时将引起开裂，即使不开裂，其强度和冲击韧性都会大大降低，故不能使用。

轴承钢在液体状态溶解气体的能力比固态时大，钢液在冷凝过程中，气体从钢液中逸出，如来不及排出，则形成气孔。此外，钢锭模烘烤不良，会在钢模表面存在水分或气体；钢锭模内表面涂料不良，会形成大量气体，这些水分或气体来不及排出钢液，则形成皮下气泡。气泡的存在大大地降低了钢材的强度。

在钢液冷凝过程中，由于轴承钢中碳、铬、钨、磷等元素结晶、扩散速度不同而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。偏析的存在会给以后的变形加工造成困难，例如：硫的偏析易产生热脆，磷的偏析易产生冷脆。偏析的存在易引起金属疲劳断裂。

轴承钢钢液在冷凝过程中，由于体积收缩而引起的细小孔隙称为疏松。分散分布的细小孔隙称为一般疏松。分布在钢材中心部位的细小孔隙称为中心疏松。疏松降低了钢材的致密度，使机械性能显著下降，降低轴承的使用寿命。

轴承钢在冶炼、浇铸过程中，由于钢液内各成分之间、钢液与炉衬之间接触所引起的化学反应产物、脱氧产物，以及炉壁、出钢槽、钢水包等耐火材料剥落而进入钢液，这些进入钢液而未排出的非钢液物质称为非金属夹杂物。非金属夹杂物在轴承钢中的存在，是降低轴承使用寿命的主要原因之一。

轴承钢的冶金检验方法

轴承钢钢材表面质量通常用肉眼检查。退火及未退火的热轧钢材必要时可用风动或电动手提砂轮磨成螺旋槽进行检查；冷拉退火条钢和钢管可用细的平锉刀在整根材料上锉成三到四处圆周光面，用肉眼检查；钢丝盘料通常也用肉眼检查，也可采用酸洗检查，即在盘料的两端各取250mm长的钢丝，按低倍酸洗工艺酸洗后肉眼检查其表面。

尺寸精度检验方法：退火和不退火的热轧圆钢，用读数值为0.1mm的游标卡尺或卡规进行尺寸精度检查。冷拉条钢和钢丝用分度值为0.01mm的千分尺进行检查。热轧和冷拉钢管的外径尺寸和壁厚差分别用读数值为0.1mm的游标卡尺和分度值为0.01mm千分尺检查。冷轧钢板和钢带的厚度用千分尺检查。钢材的长度、宽度用钢直尺检查。各种钢材（除盘料外）的弯曲度可用双直尺或塞尺检查。

鉴别钢种一般用手提看谱镜和火花鉴别法进行检查。手提看谱镜是一种半定量的光谱仪器，能够半定量地检查出钢中的主要合金元素，如铬、锰、镍、钼、钨、钒等。光谱检查可以查明被检钢材的钢号及有无混钢情况。火花检查是根据火花特征判断被检钢材的钢号。

对于冷拉退火条钢和热轧退火钢材要进行布氏硬度检查。布氏硬度试验方法按GB231—84标准进行。直径30mm以下的冷拉及热轧退火钢材应进行断口检查。在钢材一端切出缺口后用锤击断或用压力机截取断口试样，然后用肉眼检查断面上是否有缩孔、白点、裂纹，过烧等缺陷。

直径大于30mm的退火钢材和不退火钢材一般都检查低倍组织。即在钢材的一端用锯床（退火材）和砂轮切割机（不退火材）切取厚度为12～15mm的圆片试样，试样被检的一面用磨床磨平。经热酸洗后用肉眼检查是否有偏析、疏松程度、缩孔、白点、裂纹、过烧等缺陷。热酸洗用50%的工业盐酸水溶液，加热到70±5℃，酸洗时间为30~40min，试样取出后用碱水冲洗，然后用80℃热清水冲洗净。

化学成分一般按炉号取样分析。钢号的各种元素成分分析方法按国家标准规定进行。化学分析方法比较慢，不适用于生产现场；由于光谱科学的发展，目前，在生产厂一般采用光谱分析方法来分析检验钢材的化学成分。

高倍组织用金相显微镜进行检查。检验的项目有：退火组织（放大500倍）、脱碳层深度（放大100倍）在钢材的横向截面上检查；碳化物液析、带状碳化物、非金属夹杂物（放大100倍）在钢材的纵向截面上检查。为了减少试样数量，网状碳化物的检验可与带状碳化物、碳化物液析用同一试样在纵向截面上检查，有疑问时，再以横向截面检验结果为准。

检查取样后，首先要按规定进行机械加工。非金属夹杂物、带状碳化物、碳化物液析、网状碳化物试样要进行淬、回火处理。高碳铬轴承钢回火工艺为：淬火温度820～840℃；回火温度：150℃，回火时间1～2h。试样的被检面要磨制、抛光。检查退火组织和脱碳层温度的被检面，要用2%硝酸酒精液浸蚀后检查。非金属夹杂物被检面抛光，不浸蚀检查。带状碳化物、碳化物液析、网状碳化物被检面要用4%硝酸酒精溶液浸蚀后检查。

钢丝和钢板要进行拉力检验。钢丝拉力检验：在钢丝的一端截取长250mm的试样，在拉力试验机上进行拉力试验。钢板拉力检验：根据标准规定截取和制备钢板试样，在拉力机上进行拉力试验。拉力试验方法按GB228—76标准规定进行。轴承钢钢材的检查以批或炉次作为检验单位。每批钢材必须由同一钢种，同一冶炼炉号，同一热处理炉次，同一尺寸的钢材组成。轴承钢材的检查数量根据钢材的订货技术标准，供货状态而定。