鋼中元素和滲碳軸承套圈淬火后心部硬度的灰色關聯分析

常 洪，陳廣勝，付 玲，買 潔

（洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039）

滲碳軸承套圈的心部硬度不僅影響套圈的靜載強度，而且也影響表面殘余應力的分布，從而影響彎曲疲勞強度。若心部硬度過高，會降低其沖擊韌度；心部硬度過低，承載時易出現心部屈服和滲碳層剝落。因此滲碳軸承套圈的心部硬度都有一定的要求［1］。

在實際生產中，對于有效壁厚不太大的滲碳軸承套圈通過調整熱處理工藝參數等即可很好地控制其心部硬度，但對于某些有效壁厚大的滲碳軸承套圈由于受淬透性、表面組織等因素的影響，如果遇到鋼材成分差異太大的情況，只靠調整工藝參數就很難達到要求，這就需要尋求其他解決途徑。文中從滲碳軸承鋼中化學元素的含量入手，研究其對心部硬度的影響程度，以在符合相關標準的前提下，調整材料中某個或某些元素的含量，在正常加工工藝過程下，穩定高效地達到控制滲碳軸承套圈心部硬度的目的。

灰色系統理論（Grey System）是本分析研究的主要手段和支撐［2］，它是以系統理論為指導，以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本、貧信息”的灰色系統為主要研究對象，緊緊地抓住表征信息，通過對部分已知信息的生成和開發，提取有價值的信息，實現對系統運行行為的正確認識（找規律）和有效控制（實踐應用）。灰色關聯分析是灰色系統理論的基本內容，事實上是動態發展態勢的量化分析。信息不完全、不確定性系統的普遍存在，決定了灰色系統理論具有十分廣闊的應用前景。

1 試驗過程

1.1 化驗原材料成分進行數據采集

針對某個大壁厚的軸承型號，取不同材料爐號的套圈9件，依次編號為Ⅰ～Ⅸ，在工裝設備、工藝參數和路線、操作人員等不變的條件下，對試驗套圈進行滲碳、二次淬、回火等熱處理加工，然后破碎、取樣，檢驗其有效硬化層深度、心部硬度及心部硬度處的化學成分，從中選擇可能對心部硬度有影響的8種元素，其結果見表1。

表1 心部硬度與各化學成分的檢驗結果

1.2 利用“灰色系統理論”將各化學成分與心部硬度進行關聯分析

1.2.1 建立各項指標的對應代號

為便于計算關聯系數，將各原材料成分元素與心部硬度等指標建立代號，見表2。

表2 各項指標對應代號

1.2.2 計算關聯系數及關聯度

設參考數列（心部硬度）為：

將各化學成分的關聯系數進行計算，列于表3。

表3 各化學成分與心部硬度的關聯系數計算結果

關聯度的計算公式：

按照關聯度公式經計算，原材料化學成分中C，S，P，Mn，Si，Ni，Cr，Mo與心部硬度的關聯度分別為γ1＝0.761，γ2＝0.641，γ3＝0.628，γ4＝0.740，γ5＝0.856，γ6＝0.824，γ7＝0.855，γ8＝0.841。

1.2.3 灰色關聯分析

可以看出，成分中Si，Ni，Cr，Mo與心部硬度的關聯度值較高，其中Si含量與心部硬度的關聯度γ5＝0.856為最大，且其數據處于成分要求含量0.15～0.40的下限者較多，有提高其含量的余地。S含量X2和P含量X3對心部硬度X0的影響較小。

1.3 利用“曲線趨勢圖”分析

根據1.2的分析結果，對影響心部硬度較大的化學成分C，Mn，Si，Cr，Ni和Mo的含量數據擴大一定的倍數與心部硬度數據繪制成如圖1所示的曲線圖。

圖1 心部硬度值與各化學成分曲線趨勢圖

從圖中直觀分析可知：Si含量曲線與心部硬度曲線的幾何形狀最接近，且心部硬度值隨著Si含量的增減而增減；其次是Cr含量曲線等，這與1.2中量化分析的結果相吻合。

2 化學元素對滲碳軸承鋼作用的定性分析

滲碳軸承鋼中，C含量對滲碳淬火后零件心部硬度和淬透性起著決定性作用，C含量過低，其淬透性差、心部硬度值低，且強度下降。

S在滲碳軸承鋼中是有害元素，應嚴格控制。

P對鋼的低溫韌性不利，對沖擊韌性的影響非常大。在有耐沖擊要求的場合，P是有害元素，應盡量減少。

Mn能溶于鐵素體而強化鐵素體基體，提高鋼的強度、硬度和淬透性，但會使鋼的塑性和韌性略有降低，另外Mn還會使鋼的耐腐蝕性能降低。控制鋼中Mn含量，使鋼的綜合性能達到最佳。Mn在滲碳軸承鋼中，控制含量應不超過0.7%。

Si也能固溶于鐵素體而強化鐵素體基體，提高鋼的強度和硬度，還能提高屈強比及疲勞強度與抗拉強度的比值。鋼中加入適量的Si可以提高淬透性，改善抗回火軟化組織。在滲碳軸承鋼中，Si和Mn的復合作用能顯著提高滲碳層的抗回火穩定性，Si含量越高，抗回火穩定性能越好，控制Si含量不超過0.4%，這樣對鋼的韌性和塑性影響不大。

在滲碳軸承鋼中，Ni是作為合金元素加入的，在鋼中能降低表面吸收碳原子的能力，加速碳原子在奧氏體中的擴散，減少滲碳層中的碳濃度，Ni可以減慢滲碳速度，提高鋼的韌性。

Cr在滲碳軸承鋼中，可以提高淬透性、提高滲碳層耐磨性，并能改善鋼的力學性能，同時Cr還能使鋼的熱處理工藝穩定。

Mo是使奧氏體化區域縮小的元素。在滲碳軸承鋼中，Mo的主要作用是提高淬透性，提高韌性、耐磨性和滲碳性能，改善力學性能。

結合前面的灰色關聯分析結果，也可以看出，作為有害化學元素的S，P已經在滲碳軸承鋼中得到有效控制，即使在各試樣的化學成分中，最高與最低含量S為4倍，Si為1.6倍，P為1.4倍，S和P對心部硬度的影響最小，與Si的影響相比仍差許多。

通過前面的分析可以得出：當C，Mn，Ni，Cr，Mo等元素在材料成分合格范圍內波動時，Si含量對心部硬度的影響成為最大因素，且心部硬度值隨著Si含量的增減而增減。同時，可預見到不管是進口還是國產滲碳軸承鋼，如果Cr，Ni，Mo（關聯度較大者）僅在要求的下限，即使Si含量較大，也將制約心部硬度的提高。因此，對滲碳軸承鋼的化學成分進行有效控制，心部硬度的問題將不再是加工生產中的一項難題。同時，對于有效壁厚較小的滲碳軸承套圈的心部硬度，也將會得到更充分地保證，從而對其有效硬化層深度、金相組織等也有一定的改善。

3 生產驗證

根據試驗分析結論，經與鋼廠協商，對心部硬度影響較大的C，Cr，Si，Mn等元素成分按表4要求專門定制一爐鋼材，以便對試驗結論做進一步驗證。

表4 專門定制鋼材的主要化學成分要求

材料入廠后，對應質保書進行原材料檢驗，各成分含量見表5。根據關聯分析，可以預測本爐材料加工的套圈熱處理后的心部硬度將在35～40 HRC之間。

表5 定制材料入廠后的檢驗結果

在同樣的熱處理加工狀態下，本爐鋼材加工套圈分為3個滲碳批次，二次淬、回火后從3個批次中各隨機取1件產品，破碎、制樣，檢驗結果見表6。

表6 定制材料加工的套圈二次淬回火后的檢驗結果

由此可見，通過鋼材化學元素的合理組配，實現了滲碳軸承鋼二次淬火心部硬度的有效控制。