曼 二 ２鱼 轴承２０１Ｏ年７期 ４８—５Ｏ ＣＮ４１—１１４８／ＴＨ Ｂｅａｔｉｎｇ ２０１０．Ｎｏ．７ 钢中元素和渗碳轴承套圈淬火后 心部硬度的灰色关联分析 常 洪，陈广胜，付玲，买 洁 （洛阳ＬＹＣ轴承有限公司，河南 洛阳４７１０３９） 摘要：针对渗碳轴承钢中化学元素对渗碳零件心部硬度的影响情况，采用灰色系统理论和“曲线趋势图”进行分 析，找出影响铁路轴承套圈心部硬度的主要元素及其关系，通过控制钢材中各化学元素的含量更好地保证渗碳 轴承套圈的心部硬度。 关键词：化学元素；渗碳轴承钢；套圈；心部硬度；灰色系统理论；灰色关联分析 中图分类号：３７－１１３３．３３；ＴＧ１５６．３６；ＴＦ７６２ ．４ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００－３７６２（２０１０）Ｏ７－Ｏ０４８－０３ 渗碳轴承套圈的心部硬度不仅影响套圈的静 “部分信息已知，部分信息未知”的“小样本、贫信 载强度，而且也影响表面残余应力的分布，从而影 息”的灰色系统为主要研究对象，紧紧地抓住表征 响弯曲疲劳强度。若心部硬度过高，会降低其冲 信息，通过对部分已知信息的生成和开发，提取有 击韧度；心部硬度过低，承载时易出现心部屈服和 价值的信息，实现对系统运行行为的正确认识（找 渗碳层剥落。因此渗碳轴承套圈的心部硬度都有 规律）和有效控制（实践应用）。灰色关联分析是 一定的要求 。 灰色系统理论的基本内容，事实上是动态发展态 在实际生产中，对于有效壁厚不太大的渗碳 势的量化分析。信息不完全、不确定性系统的普 轴承套圈通过调整热处理工艺参数等即可很好地 遍存在，决定了灰色系统理论具有十分广阔的应 控制其心部硬度，但对于某些有效壁厚大的渗碳 用前景。 轴承套圈由于受淬透性、表面组织等因素的影响， 如果遇到钢材成分差异太大的情况，只靠调整工 １ 试验过程 艺参数就很难达到要求，这就需要寻求其他解决 １．１ 化验原材料成分进行数据采集 途径。文中从渗碳轴承钢中化学元素的含量人 针对某个大壁厚的轴承型号，取不同材料炉 手，研究其对心部硬度的影响程度，以在符合相关 号的套圈９件，依次编号为Ｉ～Ⅸ，在工装设备、工 标准的前提下，调整材料中某个或某些元素的含 艺参数和路线、操作人员等不变的条件下，对试验 量，在正常加工工艺过程下，稳定高效地达到控制 套圈进行渗碳、二次淬、回火等热处理加工，然后 渗碳轴承套圈心部硬度的目的。 破碎、取样，检验其有效硬化层深度、心部硬度及 灰色系统理论（Ｇｒｅｙ Ｓｙｓｔｅｍ）是本分析研究的 心部硬度处的化学成分，从中选择可能对心部硬 主要手段和支撑 ，它是以系统理论为指导，以 度有影响的８种元素，其结果见表１。 表１ 心部硬度与各化学成分的检验结果 试样 有效硬化 心部硬度 化学成分／％ 编号 层￣．／ｍｍ ／ＨＲＣ Ｃ Ｓ Ｐ Ｍｎ Ｎｉ Ｃｒ Ｍｏ Ｉ ２．４ ３７ Ｏ．２Ｏ Ｏ．ｏ０７ ０．００９ ０．５３ Ｏ．２８ １．８０ Ｏ．５３ ０．２６ Ⅱ ２．２ ３４．５ Ｏ．１９ ０．ｏｏ２ ０．００９ ０．５４ Ｏ．２５ １．９０ ０．５Ｏ ０．２６ Ⅲ ２．１５ ３４ Ｏ．２１ Ｏ．０ＨＤ６ Ｏ．Ｏ１２ ０．５７ ０．２８ １．７１ Ｏ．５Ｏ Ｏ．２４ Ⅳ ２．２ ３０ ０．２１ ０．００８ Ｏ．０１３ ０．５８ ０．２Ｏ １．７１ ０．５２ ０．２５ Ｖ ２．５ ３９ Ｏ．２Ｏ ０．００８ ０．００９ Ｏ．５０ Ｏ．３２ １．７６ Ｏ．５７ Ｏ．２８ Ⅵ ２．５ ３０ ０．２Ｏ ０．００８ ０．００９ ０．５４ ０．２３ １．７１ ０．５０ Ｏ．２５ Ⅶ ２．７ ３６．５ ０ ２３ Ｏ．ｏ０７ Ｏ．０１２ ０．６Ｏ ０．３４ １．７５ Ｏ．５７ ０．２５ Ⅷ ２．４ ２８ ０．２０ Ｏ．ｏｏ８ ０．００９ ０．４９ Ｏ ２２ １．７１ ０．４８ ０．２８ Ⅸ ２．２ ３６ Ｏ．２】 Ｏ．ｏｏ２ ０．０１３ ０．４９ Ｏ．２８ １．７Ｏ Ｏ．５１ ０．２５ 收稿Ｅｔ期：２０１０—０１—１９；修回日期：２０１０—０４—１３ 常洪等：钢中元素和渗碳轴承套圈淬火后心部硬度的灰色关联分析 ・４９・ １．２利用“灰色系统理论”将各化学成分与心部 设参考数列（心部硬度）为： Ｘｏ＝［ （１），Ｘｏ（２），Ｘｏ（３），…，Ｘｏ（９）］ 与参考数列进行比较的数据列为： 。， ， ， 硬度进行关联分析 １．２．１ 建立各项指标的对应代号 为便于计算关联系数，将各原材料成分元素 …，Ｘ８（各化学元素） 与心部硬度等指标建立代号，见表２。 ＝［ （１）， （２），Ｘ （３），…， 。（９）］ 表２各项指标对应代号 ：＝［ （１），Ｘ２（２），Ｘ：（３），…，Ｘ２（９）］ 心部 化学成分 ＝硬度 Ｃ Ｓ Ｐ Ｍｎ Ｓｉ Ｎｉ Ｃｒ Ｍｏ ［ （１），Ｘ３（２）， （３），…，Ｘ３（９）］ 指标 ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ 代号 ＝［Ｘ８（１），Ｘ （２），Ｘ （３），…，Ｘ （９）］ １．２．２计算关联系数及关联度 关联系数计算公式为： （ ） 、 （， 。（… ）， （（ ）一 （ ）Ｊ＋０・５ ｘ …… ））＝』、 呈 １生 ＿ｌ ＿ ＿ ＿； Ｊ％（后）一 （ ）将各化学成分的关联系数进行计算，列于表３。 表３各化学成分与心部硬度的关联系数计算结果 蕈 １．０ｏ０ Ｏ．９５ｌ ０．７２４ ０．５９０ ０．８６４ ０．６４５ ０．６７７ ０．５８５ ０．８１７ 毯 １．Ｏ００ ０．３４７ ０．８４８ ０．５０８ ０．７９５ ０．５０８ ０．９６２ ０．４７１ ０．３３３ １．０ｏＯ ０．８３６ ０．４５３ ０．３５２ ０．８６４ ０．６４５ ０．４９８ ０．５８５ ０．４２１ 试样编号 １．ｏｏ０ ０．７９９ ０．６８７ ０．５４８ ０．７５６ ０．６２３ ０．７０２ ０．６７２ ０．８７６ 图１ 心部硬度值与各化学成分曲线趋势图 １．ｏｏ０ ０．８９７ ０．８０９ ０．７８１ ０．７９５ ０．９７０ ０．６ｏ１ ０．９２２ ０．９２７ 从图中直观分析可知：ｓｉ含量曲线与心部硬 度曲线的几何形状最接近，且心部硬度值随着ｓｉ １．Ｏｏｏ ０．７３６ Ｏ．９１７ Ｏ．７１２ ０．８１８ ０．７１２ ０．９６０ ０．６４０ ０．９２３ 含量的增减而增减；其次是Ｃｒ含量曲线等，这与 １．ｏｏｏ ０．９６９ ０．９３３ ０．６６９ ０．９４１ ０．７２２ ０．７９４ ０．６９８ ０．９７０ １．２中量化分析的结果相吻合。 １．０ｏｏ ０．８３６ ０．９８８ ０．６９５ ０．９３８ ０．６９５ ０．９３２ ０．５ｌ８ ０．９６８ ２化学元素对渗碳轴承钢作用的定 关联度的计算公式： １ ９ 性分析 ｙ ＝ （ ）＝吉×∑ 。：１ （ ） 渗碳轴承钢中，ｃ含量对渗碳淬火后零件心 按照关联度公式经计算，原材料化学成分中 部硬度和淬透性起着决定性作用，ｃ含量过低，其 Ｃ，Ｓ，Ｐ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ与心部硬度的关联度分 淬透性差、心部硬度值低，且强度下降。 另４为７１＝０．７６１， ２＝０．６４１，ｙ３＝０．６２８，７４＝ Ｓ在渗碳轴承钢中是有害元素，应严格控制。 ０．７４０， ５＝０．８５６， ６＝０．８２４， ７＝０．８５５， ８＝ Ｐ对钢的低温韧性不利，对冲击韧性的影响非 ０．８４１。 常大。在有耐冲击要求的场合，Ｐ是有害元素，应 １．２．３灰色关联分析 尽量减少。 可以看出，成分中Ｓｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ与心部硬度 Ｍｎ能溶于铁素体而强化铁素体基体，提高钢 的关联度值较高，其中ｓｉ含量与心部硬度的关联 的强度、硬度和淬透性，但会使钢的塑性和韧性略 度 ＝０．８５６为最大，且其数据处于成分要求含 有降低，另外Ｍｎ还会使钢的耐腐蚀性能降低。控 量０．１５～０．４０的下限者较多，有提高其含量的余 制钢中Ｍｎ含量，使钢的综合性能达到最佳。Ｍｎ 地。Ｓ含量 和Ｐ含量 对心部硬度 的影响 在渗碳轴承钢中，控制含量应不超过０．７％。 较小。 ｓｉ也能固溶于铁素体而强化铁素体基体，提 １．３利用“曲线趋势图”分析 高钢的强度和硬度，还能提高屈强比及疲劳强度 根据１．２的分析结果，对影响心部硬度较大 与抗拉强度的比值。钢中加入适量的ｓｉ可以提高 的化学成分Ｃ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｎｉ和Ｍｏ的含量数据扩 淬透性，改善抗回火软化组织。在渗碳轴承钢中， 大一定的倍数与心部硬度数据绘制成如图１所示 ｓｉ和Ｍｎ的复合作用能显著提高渗碳层的抗回火 的曲线图。 稳定性，ｓｉ含量越高，抗回火稳定性能越好，控制 ・５０・ 《轴承）２０１０．Ｎｏ．７ ｓｉ含量不超过０．４％，这样对钢的韧性和塑性影响 不大。 度影响较大的ｃ，ｃｒ，Ｓｉ，Ｍｎ等元素成分按表４要 求专门定制一炉钢材，以便对试验结论做进一步 验证。 表４专门定制钢材的主要化学成分要求 主要元素 Ｃ Ｃｒ Ｓｉ Ｍｎ 在渗碳轴承钢中，Ｍ是作为合金元素加入的， 在钢中能降低表面吸收碳原子的能力，加速碳原 子在奥氏体中的扩散，减少渗碳层中的碳浓度，Ｎｉ 可以减慢渗碳速度，提高钢的韧性。 原要求含量／％ Ｏ．１７～０．２３ ０．４０～０．６０ ０．１５～０．０ ４０．４０～０．７０ 新要求含量／％ ０．１９～Ｏ．２３ ０．４５～０．６０ ０．２５～０．４０ Ｏ．５５～０．７０ ｃｒ在渗碳轴承钢中，可以提高淬透性、提高渗 碳层耐磨性，并能改善钢的力学性能，同时Ｃｒ还 能使钢的热处理工艺稳定。 Ｍｏ是使奥氏体化区域缩小的元素。在渗碳 轴承钢中，Ｍｏ的主要作用是提高淬透性，提高韧 性、耐磨性和渗碳性能，改善力学性能。 材料人厂后，对应质保书进行原材料检验，各 成分含量见表５。根据关联分析，可以预测本炉材 料加工的套圈热处理后的心部硬度将在３５—４０ ＨＲＣ之间。 表５ 定制材料入厂后的检验结果 元素 Ｃ Ｃｒ Ｓｉ Ｍｎ Ｍｏ Ｎｉ Ｐ Ｓ 结合前面的灰色关联分析结果，也可以看出， 作为有害化学元素的Ｓ，Ｐ已经在渗碳轴承钢中得 到有效控制，即使在各试样的化学成分中，最高与 最低含量Ｓ为４倍，ｓｉ为１．６倍，Ｐ为１．４倍，Ｓ和 Ｐ对心部硬度的影响最小，与ｓｉ的影响相比仍差 许多。 含量／％ ０．２２ ０．５９ Ｏ．２９ ０．６１ Ｏ．２５ １．７５ Ｏ．０ｏ９ Ｏ．０ｏ７ 在同样的热处理加工状态下，本炉钢材加工 套圈分为３个渗碳批次，二次淬、回火后从３个批 次中各随机取１件产品，破碎、制样，检验结果见 表６。 表６定制材料加工的套圈二次淬回火后的检验结果 试样编号 有效硬化层深／ｍｍ 心部硬度／ＨＲＣ 表面组织／级 Ｉ Ⅱ Ⅲ 通过前面的分析可以得出：当Ｃ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒ， Ｍｏ等元素在材料成分合格范围内波动时，ｓｉ含量 对心部硬度的影响成为最大因素，且心部硬度值 随着Ｓｊ含量的增减而增减。同时，可预见到不管 是进口还是国产渗碳轴承钢，如果Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ（关 联度较大者）仅在要求的下限，即使Ｓｉ含量较大， 也将制约心部硬度的提高。因此，对渗碳轴承钢 的化学成分进行有效控制，心部硬度的问题将不 再是加工生产中的一项难题。同时，对于有效壁 厚较小的渗碳轴承套圈的心部硬度，也将会得到 更充分地保证，从而对其有效硬化层深度、金相组 织等也有一定的改善。 ２．５ ２．７ ２，６ ３７ ３９ ３７ ３ ３ ２ 由此可见，通过钢材化学元素的合理组配，实 现了渗碳轴承钢二次淬火心部硬度的有效控制。 参考文献： ［１］刘吉远，陈雷．铁路货车轮轴技术概论［Ｍ］．北京： 中国铁道出版社，２００９． ［２］ 罗佑新，张龙庭，李２００１． 敏．灰色系统理论及其在机械 ３ 生产验证 根据试验分析结论，经与钢厂协商，对心部硬 工程中的应用［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社， ｆ编辑：赵金库） 欢迎广大读、作者向本刊赐稿； 欢迎轴承及相关客户在本刊刊登广告。