轴承钢 耐磨与高硬度的完美体现
轴承钢是用于制造滚动轴承的专用钢材，具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度和良好的尺寸稳定性，是机械工业的关键基础材料。
核心特性
- 高硬度：HRC 61-65，确保耐磨性
- 高接触疲劳强度：承受反复接触应力
- 良好韧性：防止脆性断裂
- 尺寸稳定性：热处理变形小
- 高纯净度：非金属夹杂物严格限制
全球轴承钢年产量约1000-1200万吨，中国占全球产量的40%以上
轴承钢概述
轴承钢是专门用于制造滚动轴承套圈和滚动体的高碳铬合金钢，是现代机械设备中承受载荷和传递运动的关键部件材料。
轴承钢的重要性
轴承被称为"机械的关节"，而轴承钢则是制造高品质轴承的基础。其性能直接影响到轴承的承载能力、使用寿命、精度和可靠性，进而影响到整个机械设备的性能。
轴承在工作过程中承受着复杂的交变接触应力，要求材料具有极高的接触疲劳强度、耐磨性和抗塑性变形能力。轴承钢通过高碳高铬的化学成分设计和严格的热处理工艺来满足这些苛刻要求。
轴承钢工作特点
轴承钢基本特性要求
高硬度
确保优异的耐磨性和抗塑性变形能力
高接触疲劳强度
抵抗交变接触应力引起的疲劳剥落
高纯净度
严格控制非金属夹杂物含量和形态
良好尺寸稳定性
热处理后尺寸变化小，保证精度
轴承钢分类
根据化学成分、用途和性能要求，轴承钢可分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈钢承钢、高温轴承钢等主要类别。
主要轴承钢分类对比
高碳铬轴承钢
应用最广泛，占轴承钢总量的80%以上
渗碳轴承钢
心部韧性好，表面硬度高，承受冲击载荷
不锈钢承钢
耐腐蚀，用于化工、食品等特殊环境
高温轴承钢
高温下保持硬度和性能
轴承钢详细分类与特点
| 分类 | 典型牌号 | 主要成分(%) | 硬度(HRC) | 淬透性 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 高碳铬轴承钢 | GCr15 | C 0.95-1.05, Cr 1.40-1.65 | 61-65 | 良好 | 通用轴承，应用最广 |
| 高碳铬硅锰轴承钢 | GCr15SiMn | C 0.95-1.05, Cr 1.40-1.65, Si 0.45-0.75, Mn 0.95-1.25 | 61-65 | 优良 | 大型、特大型轴承 |
| 渗碳轴承钢 | 20CrNiMo | C 0.17-0.23, Cr 0.40-0.60, Ni 0.35-0.75, Mo 0.20-0.30 | 58-62(表面) | 良好 | 承受冲击载荷的轴承 |
| 不锈钢承钢 | 9Cr18Mo | C 0.90-1.00, Cr 16.0-18.0, Mo 0.40-0.70 | 58-62 | 较差 | 耐腐蚀轴承 |
| 高温轴承钢 | Cr4Mo4V | C 0.75-0.85, Cr 3.75-4.25, Mo 4.00-4.50, V 0.90-1.10 | 62-66 | 优良 | 高温轴承，航空发动机 |
轴承钢选用原则
选择轴承钢时需综合考虑轴承类型、工作条件、载荷特性、转速、工作温度、环境介质等因素，确保轴承满足使用要求的同时具有合理的寿命和可靠性。
工作条件考虑
- • 载荷特性：静载、动载、冲击载荷
- • 转速范围：低速、中速、高速、超高速
- • 工作温度：常温、低温、高温
- • 环境条件：腐蚀环境、真空、辐射
轴承类型考虑
- • 深沟球轴承：GCr15、GCr15SiMn
- • 圆锥滚子轴承：GCr15、渗碳钢
- • 圆柱滚子轴承：GCr15SiMn
- • 推力轴承：高碳铬轴承钢
不同工况选材指南
轴承钢性能要求
轴承钢需要满足极其严格的力学性能、冶金质量和工艺性能要求，以确保轴承在工作过程中能够可靠地承受高载荷并保持长寿命。
力学性能要求
- 硬度：HRC 61-65
- 接触疲劳强度：σw≥1500MPa
- 抗压强度：≥2500MPa
- 断裂韧性：KIC≥20MPa·m¹⁄²
冶金质量要求
- 纯净度：O≤10ppm，Ti≤15ppm
- 夹杂物：A、B、C、D类≤1.5级
- 碳化物：细小、均匀、球化
- 组织：隐晶/细晶马氏体+碳化物
工艺性能要求
- 淬透性：J9≥55HRC
- 尺寸稳定性：热处理变形≤0.05%
- 可加工性：良好的切削、磨削性能
- 抗回火性：150°C回火硬度降≤1HRC
典型轴承钢牌号性能参数
| 牌号 | 硬度(HRC) | 接触疲劳强度(MPa) | 抗压强度(MPa) | 淬透性J9(HRC) | 氧含量(ppm) | 碳化物级别 | 热处理尺寸变化(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GCr15 | 61-65 | 1500-1800 | 2600-3000 | 55-60 | ≤15 | ≤2.5 | ≤0.05 |
| GCr15SiMn | 61-65 | 1600-1900 | 2700-3100 | 60-64 | ≤12 | ≤2.0 | ≤0.06 |
| GCr18Mo | 62-66 | 1800-2200 | 2800-3200 | 58-62 | ≤10 | ≤1.5 | ≤0.04 |
| 9Cr18Mo | 58-62 | 1400-1700 | 2500-2900 | 45-50 | ≤20 | ≤3.0 | ≤0.08 |
| Cr4Mo4V | 62-66 | 2000-2500 | 3000-3500 | 62-65 | ≤8 | ≤1.0 | ≤0.03 |
注：淬透性J9表示在标准端淬试样上，距水冷端9mm处的硬度值；碳化物级别按GB/T 18254标准评定。
轴承钢疲劳寿命影响因素
轴承钢性能提升技术
通过超纯净冶炼、碳化物控制、组织细化、残余应力优化和表面强化等技术，可以显著提升轴承钢的疲劳寿命和可靠性。
超纯净冶炼技术
双真空冶炼(VIM+VAR)，氧含量≤8ppm
碳化物细化技术
快速凝固、大变形加工细化碳化物
轴承钢生产工艺
轴承钢生产需要采用先进的冶炼、精炼、连铸和轧制技术，严格控制钢水纯净度、成分均匀性和组织均匀性。
电炉冶炼
初炼
炉外精炼
LF/VD精炼
真空脱气
RH/VOD
连铸
钢坯制备
加热炉
均匀化
控轧控冷
组织控制
球化退火
软化处理
精整探伤
表面处理
电炉冶炼
初炼
电弧炉冶炼，控制基本成分
炉外精炼
LF/VD精炼
脱氧、脱硫、合金化、成分微调
真空脱气
RH/VOD
降低气体含量，提高纯净度
连铸
钢坯制备
保护浇注，低过热度，电磁搅拌
加热炉
均匀化
加热至1150-1250°C，均匀组织
控轧控冷
组织控制
控制轧制温度、变形量和冷却速度
球化退火
软化处理
获得球状珠光体，改善加工性
精整探伤
表面处理
矫直、修磨、超声波探伤
轴承钢生产关键技术
超纯净钢冶炼技术
通过铁水预处理、高效炉外精炼、真空脱气等先进技术，将钢中氧含量控制在10ppm以下，非金属夹杂物数量和尺寸最小化。
- 真空脱气：RH、VD、VOD等工艺
- 夹杂物控制：钙处理、稀土处理
- 气体含量：O≤10ppm，H≤2ppm，N≤60ppm
- 有害元素：Ti≤15ppm，Ca≤5ppm
碳化物控制技术
通过控制凝固过程、热加工工艺和热处理制度，获得细小、均匀、球化的碳化物，提高轴承钢的疲劳寿命和耐磨性。
- 快速凝固：降低偏析，细化碳化物
- 大变形加工：破碎网状碳化物
- 球化退火：获得均匀球状碳化物
- 碳化物评级：按GB/T 18254标准评定
关键工艺参数控制
轴承钢球化退火工艺
球化退火目的与要求
球化退火是轴承钢热加工后的关键工序，目的是获得均匀的球状珠光体组织，改善切削加工性能，为最终热处理作组织准备。
组织要求
碳化物球化率≥90%，球化级别2-4级
硬度要求
退火硬度179-207HB，便于切削加工
均匀性要求
组织均匀，无网状、带状碳化物
典型球化退火工艺参数
良好的球化退火组织是获得优异最终性能的基础，直接影响轴承的疲劳寿命和尺寸精度
轴承钢热处理技术
热处理是决定轴承钢最终性能的关键工序，通过精确控制加热、保温和冷却过程，获得理想的组织和性能。
淬火
加热至Ac1以上，快速冷却获得高硬度马氏体组织。
回火
低温回火消除淬火应力，提高韧性和尺寸稳定性。
深冷处理
-70°C以下处理，促进残余奥氏体转变，稳定尺寸。
表面强化
喷丸、氮化等表面处理，引入残余压应力，提高疲劳强度。
轴承钢详细热处理工艺参数
GCr15典型热处理工艺
淬火工艺
- • 加热温度：830-850°C
- • 保温时间：盐浴炉1-2min/mm，空气炉2-3min/mm
- • 冷却介质：普通淬火油，油温20-80°C
- • 冷却时间：至150°C左右出油
回火工艺
- • 加热温度：150-180°C
- • 保温时间：2-4小时
- • 冷却方式：空冷
- • 回火次数：1-2次
深冷处理（可选）
- • 处理温度：-70°C至-196°C
- • 保温时间：1-4小时
- • 升温速度：缓慢升温至室温
- • 处理时机：淬火后，回火前
热处理质量要求
组织要求
- • 马氏体组织：隐晶马氏体+细小碳化物
- • 残余奥氏体：≤10%
- • 碳化物：细小、均匀分布，≤2.5级
- • 网状碳化物：≤2.0级
硬度要求
- • 淬火硬度：≥64HRC
- • 回火硬度：61-65HRC
- • 硬度均匀性：同一工件硬度差≤2HRC
- • 表面硬度：与心部硬度差≤1HRC
变形要求
- • 尺寸变化：≤0.05%
- • 圆度误差：≤0.02mm
- • 直线度：≤0.03mm/100mm
- • 平面度：≤0.02mm/100mm
常见热处理缺陷与防止措施
| 缺陷类型 | 产生原因 | 对性能影响 | 防止措施 |
|---|---|---|---|
| 淬火裂纹 | 冷却速度过快，应力集中 | 直接导致零件失效 | 预热、分级淬火、降低冷却速度 |
| 软点 | 冷却不均，表面污染 | 硬度不均，耐磨性差 | 加强搅拌，清洁表面，提高淬火温度 |
| 氧化脱碳 | 加热气氛控制不当 | 降低表面硬度，产生疲劳源 | 保护气氛加热，真空热处理 |
| 变形超差 | 加热冷却不均，装炉不当 | 影响装配精度和使用寿命 | 缓慢加热，合理装炉，加压淬火 |
先进轴承钢热处理技术
可控气氛热处理
在可控气氛炉中进行热处理，精确控制炉内气氛成分，防止氧化脱碳，提高表面质量。
真空热处理
在真空环境下进行热处理，完全避免氧化脱碳，变形小，表面光亮，适合精密轴承零件。
热处理新技术发展趋势
- 智能化控制：基于大数据和AI的热工艺优化
- 节能环保：低能耗、低排放热处理技术
- 在线监测：实时监控温度、组织和性能变化
- 一体化处理：热处理与表面处理一体化技术
轴承钢应用领域
轴承钢广泛应用于汽车、机床、电机、铁路、航空、风电等各个领域，是现代机械工业不可或缺的关键材料。
汽车工业
轮毂轴承、变速箱轴承、发动机轴承
机床工业
主轴轴承、丝杠支撑轴承、导轨滑块
电机电器
电机轴承、家用电器轴承
铁路运输
机车车辆轴承、轨道车辆轴承
风电设备
风电主轴轴承、齿轮箱轴承
航空航天
航空发动机轴承、飞机附件轴承
冶金矿山
轧机轴承、矿山机械轴承
精密机械
精密仪器轴承、机器人轴承
典型轴承应用案例
汽车轮毂轴承
使用GCr15、GCr15SiMn轴承钢，要求高可靠性、长寿命(≥20万公里)、良好的密封性。
机床主轴轴承
使用GCr15SiMn、GCr18Mo轴承钢，要求高精度(P4/P2级)、高刚度、低振动、耐磨损。
风电主轴轴承
使用GCr18Mo、渗碳轴承钢，要求超大尺寸、高承载能力、抗疲劳、长寿命(≥20年)。
航空发动机轴承
使用Cr4Mo4V、M50高温轴承钢，要求耐高温(≥300°C)、高转速(≥20000rpm)、高可靠性。
轴承钢技术发展趋势
材料发展方向
- 长寿命化：额定寿命提高50-100%
- 耐高温：开发400°C以上高温轴承钢
- 高纯净度：氧含量降至5ppm以下
- 高承载：开发超高承载轴承钢
制造技术方向
- 智能化制造：全自动轴承生产线
- 绿色制造：节能减排，循环利用
- 数字化：数字孪生，虚拟制造
- 一体化：材料-成型-热处理一体化
轴承钢标准规范
轴承钢的生产和应用需要符合各国标准和行业规范，确保材料质量和性能的一致性、可靠性和互换性。
中国标准体系
- GB/T 18254：高碳铬轴承钢
- YB/T 4146：高碳铬轴承钢无缝钢管
- GB/T 10561：钢中非金属夹杂物评定
- JB/T 1255：高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件
国际标准体系
- ASTM A295：高碳铬轴承钢
- EN ISO 683-17：热处理钢、合金钢和易切钢-轴承钢
- JIS G4805：高碳铬轴承钢
- ISO 683-17：轴承钢国际标准
质量检验标准
- GB/T 230.1：金属材料洛氏硬度试验
- GB/T 6398：金属材料疲劳裂纹扩展速率试验
- GB/T 4662：滚动轴承额定静载荷
- JB/T 7361：滚动轴承零件硬度试验方法
各国轴承钢牌号对应表
| 中国(GB) | 美国(ASTM/SAE) | 欧洲(EN) | 日本(JIS) | 德国(DIN) | 类型 |
|---|---|---|---|---|---|
| GCr15 | 52100 | 1.3505 | SUJ2 | 100Cr6 | 高碳铬轴承钢 |
| GCr15SiMn | - | 1.3520 | SUJ3 | 100CrMn6 | 高碳铬硅锰轴承钢 |
| GCr18Mo | - | 1.3547 | SUJ4 | 100CrMo7 | 高碳铬钼轴承钢 |
| 9Cr18Mo | 440C | 1.4125 | SUS440C | X90CrMoV18 | 不锈钢承钢 |
| Cr4Mo4V | M50 | 1.3551 | - | X82WMoCrV6-5-4 | 高温轴承钢 |
轴承钢标准要点解读
轴承钢标准主要规定化学成分、非金属夹杂物、碳化物、低倍组织、硬度、淬透性、尺寸公差和表面质量等内容。不同标准体系对同一性能可能有不同的要求和试验方法。
化学成分要求
- • 主要元素：C、Cr、Si、Mn、Mo等含量范围
- • 残余元素：Cu、Ni、Al等限制含量
- • 有害元素：P、S、Ti、O、H等严格控制
- • 微量元素：Ca、Mg、稀土等控制
冶金质量要求
- • 非金属夹杂物：A、B、C、D类夹杂物评级
- • 碳化物：网状、带状、液析碳化物评级
- • 低倍组织：一般疏松、中心疏松、偏析评级
- • 断口：白点、缩孔、内裂等缺陷检查