制造滚动轴承的材料

制造滚动轴承的材料滚动轴承的性能和可靠性在很大程度上取决于轴承元件的材料。随着近代科学技术的发 展，滚动轴承使用量日益增加，而且对轴承提出了更高的要求，如高精度、长寿命及高可靠 性等，对于某些特殊用途轴承，还要求具有耐高温、抗腐蚀、无磁性、超低温、抗辐射等性 能。滚动轴承用钢通常是高碳铬钢及渗碳钢，除上述两种钢外，还包括耐腐蚀轴承钢、耐高 温轴承钢、防磁轴承钢、除此之外，轴承材料还包括轴承合金、有色金属材料、非金属材料第一节 滚动轴承用钢应具有的性能现代机器要求轴承在高载荷、高旋转速度、高旋转精度下，在宽的工作温度范围内，高 可靠性地工作。因此制造滚动轴承时选择材料是否适当对其使用性能有很大影响。而对材料 的基本要求是由轴承的破坏形式决定的。一般情况下，滚动轴承的主要破坏形式是在交变应 力作用下的疲劳剥落，以及因摩擦磨损而使轴承精度丧失。此外，还有裂纹、压痕、锈蚀等 因而要求制造滚动轴承用钢应具备下列性能：一有较高的接触疲劳强度 滚动轴承运转时，滚动体在轴承内、外圈的滚道间滚动，其接触部分承受周期性交变载 荷，多者每分钟可达数十万次，在周期性交变应力的反复作用下，接触表面金属出现疲劳剥 落，引起轴承振动、噪声增大，工作温度急剧上升，致使轴承最终损坏，称为接触疲劳破坏。 接触疲劳破坏是轴承正常破坏的主要形式。而材料的接触疲劳强度高意味着其抗疲劳能力强， 因此要求滚动轴承用钢，应具有较高的接触疲劳强度。二有良好的耐磨性 滚动轴承工作时，除了发生滚动磨擦外，同时也发生滑动磨擦，发生滑动摩擦的主要部 位是：滚动体与滚道之间、滚动体和保持架兜孔之间、保持架和套圈引导挡边之间以及滚子 端面与套圈引导挡边之间等。无论是宏观还是微观的滑动摩擦都会带来接触表面磨损，滚动 轴承中滑动摩擦的存在不可避免地使轴承零件产生磨损。如果轴承钢的耐磨性差，滚动轴承 便会因磨损而过早地丧失精度或因旋转精度下降而使轴承振动增加、寿命降低。因此，要求 轴承钢应具有良好的耐磨性。三有较高的弹性极限 由于滚动体与套圈滚道之间接触面积很小，轴承在载荷作用下，特别是在较大载荷作用 下，接触表面接触压力很大。为了防止在高接触压力下发生过大的塑性变形，使轴承精度丧 失或发生表面裂纹，因此要求轴承钢应具有较高的弹性极限。四有适宜的硬度 硬度对接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限，都有直接的影响关系，因此，滚动轴承的硬 度也直接影响着滚动轴承的各种寿命。滚动轴承钢的硬度并非越高越好，大小要适宜，过大 或过小都会影响接触疲劳强度、耐磨性、弹性极限，从而影响轴承使用寿命。滚动轴承在国 家标准中规定：当轴承套圈和滚子用GCrl5轴承钢制造时，其硬度应为HRC6165；用 GCrl5SiMn制造时，应为HRC6064，大量试验表明，在上述硬度范围内，材料的接触疲劳强度、耐磨性和弹性极限都是高的。五有一定的韧性 材料的硬度体现着抵抗冲击载荷的能力，很多滚动轴承在使用中都会承受一定的冲击载 荷，因此要求轴承钢具有一定的韧性，以保证轴承不因冲击而破坏。六有良好的尺寸稳定性滚动轴承是精密的机械零件，其精密度是以微米（Mm）来计量的。在长期的保管和使用 中，因材料内在组织发生变化而引起零件尺寸的变化，会使轴承丧失精度，因此，为保证轴 承的尺寸精度，轴承钢应具有良好的尺寸稳定性。七有一定的防锈性能 滚动轴承的生产工序繁多，生产周期较长，有的成品还需较长时间的存放，因此，轴承 在生产过程中和成品保存中都极易发生锈蚀，特别是在潮湿的空气中，所以，要求轴承钢具 有一定的防锈性能。八有良好的工艺性能 滚动轴承在生产中，其零件要经过多道冷、热加工工序。这就要求轴承钢应具有良好的 工艺性能，如冷、热成型性能、切削、磨削及热处理性能等，以适应大批量、高效率、低成 本和高质量生产的需要。此外，对于特殊工作条件下使用的轴承，对其用钢还必须提出相应的特殊性能要求，如 耐高温、高速性能、抗腐蚀以及防磁性能等。第二节 对滚动轴承用钢冶炼质量的一般要求滚动轴承用钢的冶炼质量，如钢的纯洁度、组织和均匀性等均比一般工业用钢要求高。 一般轴承用钢主要是铬轴承钢，是含碳 1%左右。加入铬 1.5%左右并含有少量的锰、硅 的共析钢。铬在钢中，一部分溶入固溶体，一部分与碳组成渗碳体型的碳化物（ FeCr） 3C。 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。热处理后，使钢获得较高 而又均匀的硬度，以及提高耐磨性和获得均匀组织。铬还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。为此，含铬量一般均控制在1.65%以下。钢中的非金属夹杂物和气体，会使轴承早期疲劳剥落，会显著降低轴承寿命。特别是脆 性夹杂物，危害最大，而且还影响精加工后表面质量。因此，必须降低钢中夹杂物含量和改 善其分布状况。近年普遍推广的真空脱气钢，它可以显著地降低钢中的非金属夹杂物和气体 含量。从而大大提高了所制造轴承的疲劳寿命。钢的组织不均匀性对接触疲劳强度也有较大影响。碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆 性夹杂物相同。网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使退火组织不均匀，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。退火后组织应为细小碳化物均匀分布的球化组织，硬度HB170207,有利于切削加工和 最终热处理，提高使用状态的疲劳寿命。为此，对轴承钢的退火后组织有严格的要求。第三节 滚动轴承钢的选择原则在设计和制造滚动轴承时，一般按如下原则来选择轴承材料。一根据轴承的工作条件选择1工作温度常温下工作的轴承，采用铬轴承钢。工作温度高于150C低于250C也采用铬轴承钢，但 要经过特殊的热处理（需200C或300C回火）。2承受冲击载荷的大小 承受强大冲击载荷的轴承，一般不采用铬轴承钢，大多数采用优质渗碳结构钢、耐冲击工 具钢或调质结构钢。3接触介质 在有腐蚀性的介质中使用的轴承必须采用具有良好耐腐蚀性的耐蚀钢或合金钢制造。二根据轴承的结构类型选择 轴承零件结构较复杂，如外圈带安装挡边，而且承受较高的冲击载荷时，宜采用加工性 能良好的渗碳钢；冲压滚针轴承外圈可采用08和10低碳钢（塑性好，适于冷冲压加工）；摆 动机构或操纵机构上使用的关节轴承，可采用具有优良的冷塑性变形性能的 GCr15、9Cr18、 9Cr8Mo 以及合金结构钢冷挤压成型。三根据轴承疲劳寿命和可靠性要求选择 轴承疲劳寿命和可靠性，在一定程度上取决于钢的纯洁度和组织均匀性。对于一般使用 场合，多使用酸性平炉或碱性电炉冶炼的普通轴承钢。随着冶炼方法的不断改进，产生了电 流重熔、真空冶炼、电子束炉冶炼等新的冶炼方式，由上述方式炼成的轴承钢制成的轴承， 其寿命也相应得到提高。适用于疲劳寿命和可靠性有特殊要求的轴承，如铁路车辆轴箱轴承、 航空发动机主轴轴承和导航系统轴承等。此外，在选择钢种时还应综合考虑钢的加工性能、货源供给及国内资源情况等。第四节 常用滚动轴承钢的用途和性能常用的滚动轴承钢有高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、耐腐蚀轴承钢、高温轴承钢、防磁轴 承钢、不锈轴承钢和中碳合金钢等。一高碳铬轴承钢高碳铬轴承钢是含铬1.301.65%的高碳合金钢，其特点是：热处理后的显微组织比较均 匀稳定、硬度高而均匀、耐磨性好、接触疲劳强度高、具有良好的尺寸稳定性和耐腐蚀性。 经球化退火后，其切削加工性能良好，且价格也比较便宜。这种钢可以满足在一般工况条件 下运转的轴承的使用要求。高碳铬轴承钢在全世界得到广泛采用，最常用的牌号是GCr 15和GCr15SiMn,在我国用 量约占轴承钢总量的80%以上,这两种钢的性能基本相同，但GCr15SiMn钢的淬透性比GCr15 钢好，因此对于较大尺寸的轴承零件，宜采用GCr15SiMn钢，高碳铬轴承钢广泛用于制造滚 动轴承套圈和滚动体，其使用范围列于表 6-1。GCr15 轴承钢大量用来制造汽车、拖拉机、坦克、飞机等使用的发动机轴承、机床、电 机等所使用的主轴轴承以及铁路车辆、矿山机械、通用机械用轴承。GCr15SiMn 轴承钢主要用来制造壁厚大的轴承，如各种大型和特大型轴承，多用在重型 机床及轧钢机上无较大冲击载荷的工作条件下。由于GCr15SiMn钢的裂纹敏感性较大，冲击韧性差，对于有冲击载荷的厚壁轴承还不能 完全满足使用要求，铁道部首先提出客车轴承不允许使用 GCr15SiMn 钢，还有对于大壁厚的 轧机和矿山轴承在承受冲击载荷大的条件下， GCr15SiMn 钢也限制使用。现已开发出 GCr18SiMo 和 GCr15SiMo 等高淬透性钢，其性能比 GCr15SiMn 钢优越，可在铁路轴承、轧 机轴承、矿山机械轴承上替代 GCr15SiMn 钢使用。表 6-1 高碳铬轴承钢的使用范围钢号使用范围套圈钢球滚子GCrl5有效壁厚Wl2直径W50直径W22GCrl5SiMn有效壁厚12直径50直径22二渗碳轴承钢用于制造轴承零件的渗碳钢主要是低碳钢和优质低碳合金结构钢。用这类钢制造的轴承 零件，经渗碳、淬火、回火等热处理工序后，表面具有很高的硬度（硬度鼻HRC60）和一定 的耐磨性以及较高的抗接触疲劳强度，而心部又具有良好的韧性，一定的强度和硬度。渗碳 轴承钢特别适宜于制造在冲击载荷条件下工作的轴承和尺寸较大的轴承。总之，渗碳钢轴承 的优点是：1）渗碳淬火后表面保留压应力状态，抗疲劳强度好。2）承受冲击载荷能力强，表面硬化层有微裂纹也不易向内部扩展。表面具有较高的硬度 而心部硬度较低（一般为35HRC40HRC）,与高碳铬轴承钢相比，有较好的心部冲击韧度。3）渗碳的深度和浓度可以根据需要加以调节。4）不受轴承零件尺寸和壁厚的限制。三耐腐蚀轴承钢耐腐蚀轴承钢又称不锈钢，在腐蚀介质中工作不易氧化。常用的有奥氏体不锈钢 （lCrl8Ni9Ti）,马氏体不锈钢（9Crl8、9Crl8Mo、Crl5Mo4）,沉淀硬化不锈钢（0Crl7Ni7AL） 及镍基或钴基合金等。其中以 9Cr18 最为常用， 9Cr18Mo 次之。耐腐蚀轴承钢用于制造在化学工业、食品工业等腐蚀环境和低温下工作的轴承零件及某 些要求低摩擦的仪器和仪表轴承等。9Crl8 和 9Crl8Mo ,这类马氏体不锈钢经热处理后可得到大部分马氏体组织，具有高硬度、 高强度、很好的耐磨性和韧性，主要用于制造在海水、河水、酸、有机盐水以及蒸汽等腐蚀 介质中工作的轴承，在-253350C下工作的轴承以及某些微型轴承。lCrl8Ni9Ti 和 0Crl7Ni7AL 主要用于制造耐腐蚀保持架、钢球等。其中 lCrl8Ni9Ti 还可 作防磁轴承套圈及滚动体，且经渗氮处理后适用于制造高温、高真空、低载荷及高速条件下 工作的套圈和滚动体。四高温轴承钢通常，在l50C以上温度工作的轴承称为高温轴承。普通铬轴承钢的使用温度超过l50C 时，硬度将急剧下降，尺寸不稳定，并导致轴承无法正常工作。对于工作温度在 l50250C 工作的轴承，若套圈和滚动体仍选用普通高碳铬轴承钢制造，则必须对钢的回火温度提出特 殊的要求，一般应高于工作温度50C下进行回火。经过按上述要求回火处理的轴承钢，能在 250C下正常工作，但因回火后硬度有所下降，对轴承寿命有所降低。当工作温度高于250C时，必须采用耐高温的轴承钢制造，高温轴承钢除应具有一般轴承 钢的性能外，还应具有一定的高温硬度和高温耐磨性以及高温接触疲劳强度，还要抗氧化、 耐冲击和高温尺寸稳定性。耐高温轴承用钢，主要是选用高速钢和高铬马氏体不锈钢。对于结构复杂，又需承受强 大冲击载荷的轴承，也可采用高温渗碳钢制造。当环境温度超过500C时，选用钢已难以满足要求，而应选用钻基、镍基合金碳化钛等高 温材料。高温轴承主要用于航空喷气发动、燃气轮机、核反应堆系统、 X 光管钨管，以及高速飞行 器、火箭和宇宙飞船。五防磁轴承材料当轴承在强磁场中工作时，为使轴承不被磁化，使轴承摩擦力矩稳定，从而确保其精度， 轴承必须用防磁材料制造。例如，在采矿工业中，利用飞机进行大面积控矿，要求控矿仪表 零件不受磁性干扰，此仪表轴承应为防磁轴承。目前常用的防磁轴承材料主要有 QBe2、 Crl8Ni9Ti等，其中最常用的是铍青铜QBe2。第五节 滚动轴承保持架及其它零件所用材料滚动轴承在工作时，由于滑动摩擦而造成轴承发热磨损。特别是在高速运转的条件下， 由于离心力的作用，加速了摩擦磨损与发热，严重时会造成保持架烧伤和断裂，致使轴承不 能正常使用。因此，要求制造滚动轴承保持架的材料除具有一定的强度外，还必需有良好的 导热性，摩擦系数小，耐磨性能好，比重较小且膨胀系数与滚动体相近。除此之外，由于保 持架结构一般比较复杂，还要求所用材料具有良好的加工性能。常用的轴承保持架及铆钉支柱所用材料分为黑色金属材料（如低碳钢、不锈钢等），有色 金属材料（如黄铜、青铜和铝合金等）和非金属材料（如酚醛夹布胶木、塑料等）三类。特 殊用途的轴承保持架还应满足特殊工作条件的要求，如耐高温、耐腐蚀、自润滑（真空中使 用）和无磁性等。一黑色金属材料滚动轴承的保持架绝大部分采用 08 和 10 优质碳素钢薄板冷冲压而成。此外，常用的黑 色金属材料还有 20、 30、 45、 0Cr18Ni9 、 1Cr18Ni 9Ti、 S16SiCuCr 、 ML15、 ML20、 65Mn 等。其用途列于表 6-2。表 6-2 黑色金属材料用途表钢号用途0810制造各类型滚动轴承的冲压保持架及防尘盖挡圈、铆钉和冲压滚 针轴承套圈等204045制造大型、特大型轴承保持架、支柱、垫圈及大型、特大型圆锥 滚子轴承的内、外隔圈等0Crl8Ni9 lCrl8Ni9Ti制造不锈钢轴承的保持架、垫圈和铆钉等S16SiCuCr制造需要润滑条件轴承的保持架、防尘盖等ML15ML20制造长圆柱和螺旋滚子轴承的支柱以及铆钉等65Mn制造轴承的弹簧、锁圈等二有色金属材料 常用的有色金属材料用途列于表 6-3。表 6-3有色金属材料用途表牌号用途备注H62制造冲压保持架及铆钉等黄铜类HPb59-l制造高强度实体保持架及挡圈QAI10-3-1.5制造高温高速轴承用实体保持架铝铁锰青铜LY11CZLY12CZ制造高温高速轴承用实体保持架铝合金三非金属材料常用非金属材料用途列于表 6-4表 6-4 非金属材料用途表材料名称用途酚醛胶布制造中小型、微型高速轴承保持架尼龙1010聚四氟乙烯制造W100C中小型高速耐腐蚀轴承保持架耐油橡胶、毛毡制造轴承的密封圈