1.4.3 合金元素及杂质在钢中的作用及影响
高碳铬轴承钢由碳、铬、硅、锰、硫、磷以及镍、铜、铅、锡、砷、铝等组成。碳、铬、硅、锰是人为加入钢中的，其他元素则以杂质形式存在。
（1）碳 碳是决定钢的性能的主要元素。滚动轴承零件在淬火和回火后，希望具有高的硬度、接触疲劳强度和耐磨性等，而碳是决定这些性能的主要因素。高碳铬轴承钢属于过共析钢。在同样硬度下，在马氏体基体上有均匀细小的碳化物存在，比单纯马氏体的耐磨性要高。为形成足够数量的碳化物，钢中的碳含量就不能太低，故碳含量要高。但过高的碳含量会增加碳化物分布的不均匀性（带状碳化物、网状碳化物和液析碳化物等），从而使力学性能降低，易形成大块状碳化物和碳化物偏析，增加钢的脆性，降低冲击韧性，故高碳铬轴承钢中的碳的质量分数为0.95%～1.05%。
在退火状态下，碳微量地溶入α-Fe，其余与铬、铁形成碳化物（Fe，Cr）3C。在淬火状态下，碳过饱和溶入马氏体内，并保留一定量的碳化物，使高碳铬轴承钢具有高硬度和耐磨性。
（2）铬 铬是决定轴承钢性能的主要元素。铬在钢中部分溶入铁素体中，另一部分进入渗碳体，置换其中部分铁原子，形成较稳定的合金渗碳体型碳化物（Fe，Cr）3C。加热时，铬溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，使等温转变图线右移，提高钢的淬透性，并使Ms降低，增加淬火后的残留奥氏体含量。退火时，含铬的渗碳体聚集倾向较无铬渗碳体小，并易于球化，改善了钢中碳化物的分布状态，得到均匀分布的细粒状珠光体组织。铬使钢的晶粒细化，因为加热时铬阻碍碳在奥氏体中的扩散，使晶粒不易长大。因此，高碳铬轴承钢加热时的过热敏感性小，淬火后能获得较细的晶粒，从而提高力学性能。
钢中铬的质量分数范围为0.35%～1.95%，高碳铬轴承钢中铬的质量分数在1.30%～1.95%范围内。含铬的合金渗碳体在淬火加热时溶解较慢，可以减少过热倾向，经过热处理以后，可得到较细的组织，碳化物能以细小质点均匀分布于钢中。铬也可以提高马氏体的耐低温回火性能，使得钢在淬火和低温回火后能得到均匀的和高的硬度，有效地提高钢的耐磨性和强度。当铬含量过高时，淬火后的残留奥氏体量增加，硬度降低。同时，在钢锭中由于浓度的起伏，形成复杂稳定的块状碳化物（Fe，Cr）7C3，增加了碳化物的不均匀性。在正常淬火温度下，碳化物不易溶入基体中，从而降低了钢的疲劳强度和冲击韧性。铬含量过低，淬透性较差，淬火后容易产生软点。
（3）锰 在GCr15钢中，锰（0.25%～0.45%）是作为脱氧剂而残留在钢内的。GCr15SiMn钢中，锰（0.95%～1.25%）是作为合金元素加入的。它部分溶入铁素体，强化了铁素体，增加钢的强度和硬度。锰是较弱的碳化物形成元素，形成（Fe，Mn）3C型碳化物。它与含铬的碳化物不同，加热时极易溶入奥氏体中，并易使奥氏体晶粒粗大，即过热敏感性大，淬火时开裂倾向较大。回火时，碳化物也易析出和集聚。锰的加入可以提高轴承钢的淬透性和耐回火性能，使马氏体转变开始温度（Ms）降低，增加淬火后的残留奥氏体。但因轴承钢中的铬使锰引起的晶粒长大倾向减弱，锰的质量分数在0.9%～1.2%时使轴承钢强度升高而不降低塑性，主要用于制造大型轴承零件。但是锰会增加钢的过热倾向，锰含量过大会使残留奥氏体含量过多，并增加淬火裂纹倾向。
（4）硅 在GCr15钢中，硅（0.15%～0.35%）也是作为脱氧剂而残存下来的。而GCr15SiMn钢中的硅（0.45%～0.75%）是作为合金元素加入的。硅在钢内不形成碳化物，而溶入固溶体中起固溶强化作用。硅的加入增加钢的强度、弹性极限、屈服极限和疲劳强度等。硅提高钢的淬透性、降低碳在铁素体中的扩散速度，因而，回火时析出的碳化物不易聚集，提高了钢的回火抗力。硅含量过高会影响钢的韧性，也会增加钢的过热敏感性、裂纹和脱碳倾向，并增加淬火钢中的残留奥氏体，影响零件尺寸稳定性。
（5）磷 磷是有害杂质。生铁中含磷，炼钢时未能除尽而残留在钢中。磷增加钢的偏析程度，因磷和铁易形成低熔点共晶体充填在已凝固的枝晶夹缝中，造成偏析。磷在铁素体中的扩散速度慢，故要获得均匀的组织是困难的。尽管高温长时间扩散退火，也难使成分达到均匀。因此，必须尽量降低钢中磷的含量。
磷在铁素体中，较其他元素有更强的强化能力，它使晶格扭曲，晶粒长大，脆性增加。在低温下使钢的塑性、韧性下降而变脆，即所谓冷脆现象。试验表明：当磷的质量分数从0.025%提高到0.035%时，钢的冲击韧性降低15%，抗弯强度下降18%，为此，规定高碳铬轴承钢中磷的质量分数应小于0.025%。
（6）硫 硫是由生铁带入钢内的，也可能从炉气中进入钢中。硫和铁形成的硫化铁称为硫化物夹杂。硫和磷一样使钢发生严重偏析。其凝固温度范围较宽。硫不同于硅、锰、磷，几乎不溶于铁素体。硫与铁在固态下，即使硫的含量很少，也由于偏析，会形成低熔点的硫化铁。而硫化铁又与铁形成熔点更低的共晶体。此时，硫化铁以薄膜形式分布在铁素体晶界上，因而在热加工时会造成钢件的开裂。由于锰的加入，锰和硫形成高熔点硫化锰，而减少硫化铁的危害性。钢中硫化物夹杂的尺寸过大，使钢的韧性、塑性降低，并使工作面产生应力集中，造成过早的磨损和疲劳破坏，从而降低轴承的寿命。高碳铬轴承钢应将硫的质量分数控制在小于0.020%。
（7）氧 氧的含量高低直接影响钢中夹杂物的多少，进而影响轴承钢的接触疲劳强度。有资料显示，钢中氧含量与额定疲劳寿命呈如下关系：
L 10 =372[O]-1.6
式中 [O]——钢中氧的质量分数（10-4%）。
目前，各种先进的炼钢技术最重要的一直就是降低氧含量，氧的质量分数从20世纪60年代初的30×10-6，下降到现在的（3～5）×10-6，L10是未采用真空脱气前的30倍以上。
（8）氢 氢一般是由锈蚀含水的炉料和浇注系统带入的。钢中含氢，会引起氢脆、白点等缺陷。所谓氢脆是指氢扩散到钢中的应力集中区，并间隙溶解到承受拉应力的晶格中，使其塑性下降到几乎等于零。所谓白点是指热轧钢坯中一种特殊的小裂纹，其形成主要是由氢脆和内应力共同作用的结果。因此降低钢液的氢含量，能有效防止氢脆和白点的产生。
（9）其他元素 钼在GCr15SiMo和GCr18Mo中作为合金元素加入，作用是提高淬透性和耐回火性能，细化组织，减小淬火变形，提高疲劳强度；镍作为残留元素，它的增多会增加淬回火的残留奥氏体，降低硬度；铜可以引起时效硬化，影响长时间使用时轴承的精度，同时铜作为低熔点有色金属，使钢加热时容易形成表面裂纹。
GCr15的使用量占轴承钢的绝大部分，多用于制造一般要求的微型、小型、中型和部分大型滚动轴承。当套圈壁厚≥12mm，滚子直径≥22mm，钢球直径≥50mm时，多采用GCr15SiMn或GCr15SiMo制造。GCr18Mo多用于制造下贝氏体淬火轴承。