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轴承钢的质量要求及其缺陷

时间: 2011-07-09 09:04 来源: 作者: 中国冶金报点击:
1、对钢的质量要求。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。因此在生产过程中,轴承钢质量控制检验项目多,控制范围又窄,生产工艺严格、复杂,要求有一定的工装设备、检验手段和一定水平的反派人物技术。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:

(1)化学成分:化学成分是轴承钢的最本质的因素。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。

(2)内部质量:可分为宏观质量和微观质量。

宏观质量:要求轴承钢材内部不允许有白点、缩孔、夹渣、民种金属、裂纹、过烧、皮下气泡等缺陷。要求轴承钢材的内部偏析、疏松控制在一定范围内。总之,轴承钢材的内部要致密,不允许有肉眼可见的缺陷割裂钢材的基体。

微观质量:要求轴承钢材内部组织要均匀,纯净度要高。

轴承钢材的内部组织是指碳化物带状、碳化物网状、碳化物液析及退火组织。碳化物是轴承钢的主要成分之一,是客观存在的,如何使碳化物分布的均匀、分散、细小,是提高轴承钢质量的重要课题之一。近年来轴承钢主要生产厂家采用了高温扩散处理,控制轧制新工艺和连续退火炉设备等。即使这样,碳化物的分布仍不能达到理想的程度。因此,在标准中,规定了它们的允许范围和控制级别。

轴承钢材的纯净度是指非金属夹杂物对钢的沾污程度。非金属夹杂物是轴承钢基体的民种物质,破坏了基体的连续性,是造成轴承早期疲劳、剥落的主要原因之一。因此,要求轴承钢中非金属夹杂量越少越好。为了限制、控制非金属夹杂物在钢中的存在,在标准中,对它们进行了严格的级别控制。生产厂家除了采用电炉冶炼加电渣重熔外,还采用了电炉冶炼加炉外精炼、真空脱氧、吹氩处理、炉外喷粉处理等工艺,力图使钢中氧含量降低到20ppm以下。

(3)表面质量:轴承零件的成型方法,目前有锻造、车削和冷冲等。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。

(4)尺寸允许公差:根据轴承零件成型工艺及钢的生产工艺,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。

2、轴承用钢的冶金缺陷

(1)、轴承用钢的表面缺陷

①、裂纹: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。
②、折叠:钢材在锻、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。
③、结疤: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。
④、刮伤:因轧机导板上沾有金属颗粒,导板安装不当等原因,使钢材表面刻划出沟槽,称为刮伤或划痕。
⑤、夹渣: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,在钢材表面形成夹渣。
⑥、脱碳: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,形成气体,使钢材表面的碳量低于规定数值称脱碳。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。

(2)、轴承钢材的低倍缺陷

①、缩孔: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,因此在钢液浇注,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,如定琪不合理,钢锭头部保温不足,开坯后锭头部位切除量少等,使缩孔残留在钢材内,低倍检查时,就会显示出来。

②、白点: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明缝,或在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。

③、过烧: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,在补天浴日下的强度和冲击韧性都大大降低,故不能使用。

④、气泡: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,以及钢锭模内表面涂料不良,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。

⑤、偏析:在钢液冷凝过程中,由于钢中各种化学成分碳、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,硫的析易产生热脆,磷的偏析易产生冷脆。偏析的存在易引起金属疲劳断裂。

⑥、疏松: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。

(3)、非金属夹杂物: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,汤道等耐炎材料被蚀肃落而进入钢液。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。钢中非金属夹杂物按其特征、形状和分布等分为以下几种。

氧化物:性质较脆,故也称为脆性夹杂,在钢材中一般沿轧制方向呈点链状分布,如三氧化二铝(Al2O3)和氧化铁(FeO)就属此类。

硫化物:有较好的塑性,可以变形,故也称塑性夹杂。在钢材中沿轧制方向呈较连续条状分布。如硫化铁(FeS)和硫化锰(MnS)属此类。除硫化物外,硅酸盐也有一定塑性,也称塑性夹杂物。

点状不变形夹杂物:性质脆而硬,在钢材中呈点状或球状,加工时不变形,如石英(SiO2)、铝硅酸盐(3Al2O3,2SiO2)和钙硅酸盐等属此类。

(4)、碳化物不均匀性:高碳轴承钢碳量较高,并含有一定数量的碳化物形成元素(如铬)。在钢液冷凝过程中,这些元素又易发生成分偏析,而引起钢材中碳化物分布的不均匀性。

碳化物液析:钢液在结晶过程中,由于冷却速度过慢,造成碳成分的严重偏析。在枝晶间形成粗大的一次碳化物,这种一次碳化物很难消除。在钢材中沿轧制方向呈条状或块状分布其危害性与非金属夹杂物一样,因此,在钢材的技术标准中有严格的控制。

碳化物带状:其形成原因与碳化物液析一样。在锻造、轧制过程中被破碎的粗大一次碳化物呈小块而集聚,并沿轧制方向形成条带状分布。碳化物带状严重会影响零件的热处理质量,使零件的组织局部欠热或过热,造成零件硬度不均匀,组织不均匀。以致造成零件热处理质量不合格。碳化物带状和碳化物液析严重时,会使轴承零件早期疲劳损坏。

碳化物网状:钢材在锻造、轧制冷却过程中,奥氏体对碳的溶解度随温度下降而下降。如在800~900℃之间冷却速度过慢,则碳从奥氏体中析出并扩散晶界,在晶界间形成二次碳化物,呈网络状存在,故称碳化物网状。碳化物是硬而脆的相,使晶粒之间的连续性遭到破坏,严重地降低了钢的冲击韧性。因此,使轴承零件寿命降低。

退火组织不均匀:轴承钢的退火组织要求是分布均匀的或球状的珠光体。由于钢材带状严重,锻造轧制后的冷却不当,或退火工艺不正确都可能造成退火组织不均匀。带状严重时,两带之间的贫碳区在退火过程中产生过热的粗片层状珠光体。锻造后冷却过慢不仅产生网状,而且命名片层状珠光体特别粗大,造成退火时碳化物核心减少,从而导致退火组织中部分保留原来的片层和分布极不均匀的粗大颗粒碳化物。若钢材原始组织正常,而退火温度过高就会产生粗片层状珠光体。退火温度偏低就会出现细片状或堆积的细点状珠光体。退火组织不均匀,导致钢材的切削性能变坏,淬火后的零件组织不均匀,从而造成轴承零件寿命降低。

轴承钢材的质量检验

轴承钢材的检验方法

1、钢材表面质量的外观检查:钢材表面质量通常用肉眼检查,退火及未退火的热思钢材,必要时可用风动或电动手提砂轮磨成螺旋頫进行检查。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,此外,也可采用酸洗检查,即在盘料的两端各取250mm长,按低倍酸洗工艺酸洗后肉眼检查其表面。

2、钢材尺寸检查: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检查。冷拉条钢和钢丝用分度值为0.01mm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。

3、鉴别钢种检查: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种情况。火花检查是根据火花特征判断被检钢材的钢号。

4、硬度检查: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标准规定进行。

5、断口检查:直径30mm以下的冷拉退火及热轧退火钢材应进行断口检查。在钢材一端切一缺口用锤击断或用压力机截取断口试样。用肉眼检查断面上是否有缩孔、白点、裂纹,过烧等缺陷。

6、低倍组织检查: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偏析、疏松程度有无缩孔、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。

7、化学成分分析: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。

8、高倍组织检查: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),在钢材的横肉截面上检查。碳化物液析、碳化物带状、非金属夹杂物(放大100倍)在钢材的纵向截面上检查,但为了减少试样数量,网状可与带状、液析用同一试样在纵向截面上检查,有疑问时,以横向截面检验结果为准。
各个项目检查数量以标准规定为准,检查员取样后,首先要进行按规定进行机械加工。非金属夹杂物,带状、液析、网状试样要进行淬、回火处理,高砚铬轴承钢回火工艺如下:

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;
碳化物带状、碳化物液析、碳化物网状被检面要用4%硝酸酒精溶液浸蚀后检查。

9、拉力检验: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。钢板根据标准规定截取和制备试样,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。
轴承钢材的检验数量: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。

目前,我国高碳铬轴承钢棒、条、丝有三个标准。棒、条钢材用YJ284和YB9-68,钢丝标准为YB245-64。

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