GCr15 钢的断裂过程 , 根据断口分析主要为解 理和准解理断 裂机 制 。 著 名专 家肖 纪美先 生指 出 :钢中夹杂物是一种脆性相 , 体积分数愈高 , 韧 性愈低 ;夹杂物的尺寸愈大 , 韧性下降的愈快 。对 于解理断裂的韧性而言 , 夹杂物的尺寸愈细小 , 夹 杂物的间距愈 小 , 则韧性不但不下降 , 反而提高 , 如果晶内脆性相排列较密 , 则可缩短位错堆塞距 离 , 不易发生解理断裂 , 从而提高解理断裂强度 。 有人专门做过试验 :A 、B 两批钢材属于同一钢种 , 但是各自所含夹杂物的情况不 同 。 经过热处理 , A 、B 两批钢材达到相同的抗拉强度 95kg mm2 ,A 、B 材的屈服强度 是一 样的 。 在延 伸率 和面缩 率方 面 , B 材略低于 A 材仍为合格 。 经疲劳试验(旋转 弯曲)后发现 :A 材是长寿命材 , 疲劳极限高 ;B 材 为短寿命材 , 疲劳极限 低 。 当钢材试样所受循环 应力略高于 A 材的疲劳极限时 , B 材的寿命只有 A 材的 1 10 。A 、B 钢材中的夹杂物均为氧化物 。从 夹杂物总量上看 :A 材的纯净度比 B 材的纯净度 更差一些 , 但 A 材的氧化物颗粒大小一致 , 分布均 匀 ;B 材含 有一 些大颗 粒的 夹杂 物 , 分布也 不均 匀 。 这充分说明肖纪美先生的观点是正确的 。
在轴承钢中硫化物呈细小状 弥散分布 , 并且 混入氧化物夹杂之中 , 既使采用金相方法也难以 辨认 。试 验证实 :在原有 工艺的基 础上 , 增加 Al 量对降低氧化物 、硫化 物起到积极的作用 。 这是 因为 Ca 具有相当强的 脱硫能力 。 夹杂物对强度 影响甚微 , 而对钢的韧性危害较大 , 其危害程度又 取决于钢的强度 。强度愈高夹杂物对韧性的危害 愈大 。 甚至在较低的应力作 用下 , 夹杂物可能成 为高强度低韧性的裂纹源 。 由于高强度材料抗断 裂能力较差 , 一旦出现裂纹源 , 就会使裂纹源迅速 扩展并导致断裂 。夹杂物和基体的界面都是影响 钢材连续性的薄弱环节 。钢中夹杂物是裂纹成核 的场所 , 导致钢材会优先在大颗粒夹杂物上成核 , 因此可将夹杂物看做是等价的裂纹 。轴承钢在交 变载荷作用下 , 其中小颗粒夹杂物也会开裂 , 形成 微裂纹 , 这些微裂纹又会长大直至成为失稳扩展 的裂纹源 。
轴承钢内在质量 的综合标志就是疲劳寿命 , 国内轴承钢额定标准寿命一般波动在 4 .521 ×106 ～ 9 .3433 ×106 周次 。 世界上质量最好的轴承钢 (标钢代号为 :NBS1094)氧的质量分数为 3 .5ppm 。 有的学者提 出 :在 低氧区 域 10ppm 以 下 , 每降低 1ppm 氧的质量分数 , 其接触疲劳寿命提高 40 倍左 右 。但也有的学者提出了另 一种观点 :降低氧的 质量分数仍未起到大幅度提高轴承钢疲劳寿命的 作用 , 其原因在于 :在氧化 物夹杂量降低以后 , 多 余的硫 化物又成 为影响钢 材疲劳 寿命的 不利因 素 。只有同时降低氧 化物和硫化物的质量分数 , 才能充分挖掘材质潜力 , 大幅度提高轴承钢的疲 劳寿命 。金属学理论指出 :轴承中一个滚动体或 任一滚道出现疲劳剥落前的总转数或在一定转数 和负荷下工作小时数 , 称为“标准寿命” 。 有关资 料介绍 :美国等先进国家的轴承寿命为 10 ～ 13 倍 的标准寿命 , 我国的轴承寿命为 6 ～ 7 倍的标准寿 命 。影响轴承寿命的原因主 要来自三个方面 , 即 轴承钢的内在质量 、轴承设计 、轴承制造工艺 。在 这三个因素中 , 轴承钢的内在质量对轴承寿命的 影响最为显著 。 近几年来 , 我国许多冶金科技工 作者对轴承钢的内在质量 颇为关注 , 开展了研究 工作 。 针对与国外轴承钢质量对比 、质量分析 、实
Abstract :The article analyse contact fatigue life of bearing steel , and make a research on effect of nitride , oxide , sulphide , and remained austenite on bearing steel contact fatigue life . KeyWords:bearing steel ;fatigue life ;nitride ;oxide ;sulphide ;remained austenite
2 氧化物对疲劳寿命的影响
钢中氧的质量分数是影 响材质的重要因素 , 氧的质量分数越低其纯洁 度越高 , 相对应的额定 寿命就越长 。有的学者专门对国内轴承钢与国外 轴承钢内在质量做过比较 :国内比国外夹杂物平 均级别高出0 .2 ～ 0 .3 级 , 在大规格的轧材上表现 突出 。 分析表明 :国内外轴承钢氧化物总量相差 并不大 , 但分布不同 ;国内钢材氧化物分布集中 , 颗粒粗大 , 国外钢材氧化物分布分散 、细小 、均匀 , 因而导致了国内钢材氧化物评级较高 ;小于 30 圆 的国内外水平与国外接近 , 大于 30 圆的国内钢材 的硫化物平均级别低于国 外 ;国外钢材的硫化物 较多 , 氧化物很少 。 在瑞典 SKF 钢材中发现有硫 化物与氧化物孪生共存的 形式 , 氧化物被硫化物 包在其中 。 国 内平均 级别 和出 现频 率均比 国外 高 , 且存 在大点 状的夹 杂物 ;国外 钢材很 少有点 状 , 既使有点状也比较细小 , 而国内钢材大颗粒点 状夹杂物出现频率高 ;高倍组织国内外相比水平 接近 。钢中氧的质量分数和氧化物有着密切的关 系 , 钢液在凝固过程中 , 铝 、钙 、硅等元素溶解的氧 形成氧化物 。 氧化物 夹杂 的质 量分 数是氧 的函 数 。随着氧的质量分数的降 低 , 氧化物夹杂将减 少 ;氮的质量分数和氧质量分数一样 , 同样和氮化 物存在函数关系 , 但由于氧化物在钢材中分布的 较分散 , 起着和碳化物同样作用的质点作用 , 所以 对钢材疲劳寿命没有起到破坏作用 。
物轴承解剖 、接触疲劳寿命试验等 , 作了具体而有 意义的研究 , 从而寻找到我国轴承钢与先 进工业 国家轴承钢的质量差距 。
1 氮化物对疲劳寿命的影响
有的学者指出 :钢中增氮 , 氮化物的体积分数 却下降 , 这是由于钢中夹杂物的平均尺寸 减少的 缘故 , 受技术所限 , 还有相当数量的小于 0 .2μm 夹 杂物颗粒未计算在内 。 恰恰是这些微小氮化物颗 粒的存在状态 , 对轴承钢的疲劳寿命有着 直接影 响 。Ti 是形成氮化物的最强元素之一 , 比重小 , 易 上浮 , 还会有一部分 Ti 留在钢中形成多棱角的夹 杂物 。 这种夹杂物 容易引起局部应力集中 , 产生 疲劳裂纹 , 因 此要控制此种夹杂物的产生 。 氮化 钛为间隙相 , 如果从电子因素对间隙相的 影响来 看 , 通常的 规律认为 过渡元素 的 3d 层 电子数 越 少 , 同 C 、N 的亲合力越大 , 形成的碳化物或氮化物 就越稳定 , 这种稳定的碳化物或氮化物的间隙相 , 具有金属 链的特 征 , 熔 点高 、硬度 大 。 作 者观 察 到 :TiN 或 Ti(CN)的显微颗粒(500°以下)呈弥散分 布于显微组织的晶内或晶界 。 因为 N 和 Al 也有 极强的亲合力 , 所以也可观察到 AlN 的显微颗粒 。
收稿日期 :2009-04 -02 作者简介 :王洪刚 , 男 , 45 岁 , 汉族 , 本科文化 , 学士学位 , 高级工程师 。
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黑 龙 江 冶 金
第 29 卷
试验结果表明 :钢中氧的质量分数降至 20ppm 以下 , 氮的质量分数有所提高 , 非金属夹杂物的大 小 、类型和分布状态得到了改善 , 夹杂物有明显的 降低 。 钢中氮化物颗粒虽然增多 , 但其颗粒甚小 , 并于晶界或晶内呈弥散状态分布 , 成为有利因素 , 使轴承钢的强度和韧性得 到了良好配合 , 极大地 增加钢的硬度 、强度 , 特别是接触疲劳寿命改善效 果是客观存在的 。
3 硫化物对疲劳寿命的影响
钢中硫的质量分数几乎全部以硫化物形态存 在 。钢中硫的质量 分数增高 , 则钢中硫化 物相应 增高 , 但因硫化物能很好地包围在氧化物周围 , 减 少了氧化物对疲劳寿命的影响 , 所以夹杂 物的数 量对疲劳寿命的影响并不是绝对的 , 与夹 杂物的 性质 、大小和分布有关 。不一定夹杂物越多 , 疲劳 寿命就一定越低 , 必须联系其它影响因素 综合加 以考虑 。有的专家 研究结果认为 :夹杂物 平均直 径小于 8μm 以下不影响其疲劳强度 。 硫化物具有 较低的熔点 , 当钢凝固时 , 就附着在多角形的氧化 物夹杂物表面 , 特别是棱角处 , 形成氧化物 —硫化 物共生夹杂物 。 因此硫的质量分数适当地提高 , 增加氧化物被硫化物包围的机会 , 导致共 生夹杂 数量增多 。 当热加 工时 , 这种共生夹杂物 与基体 之间造成一个平滑的内表面 , 它的应力集 中倾向 比脆性棱角形氧化物低 。 同时由于硫化物的膨胀 系数大 , 不易出现拉应力 , 被硫化物包围的氧化物 与基体之间的应力也是很低的 。 当硫化物 —氧化 物共生时 , 既使该夹杂体积比氧化物的大 , 基体中 的残余应力比起没有同硫化物结合的来说 , 危害 程度也 有所减 轻 , 残余应 力不足 以引起 疲劳的 。 但遇到存在氧化物夹杂 , 应力就会加强 , 再加上外 加的应力 , 结 果导致产生疲劳源 。 所以外 部应力
第 29 卷 第 4 期 2 0 0 9 年 1 2 月
黑 龙江 冶 金
Heilongjiang Metalember 2009
GCr15 轴承钢的接触疲劳寿命影响因素
王洪刚
(东北特钢集团北满特钢质量部 , 齐齐哈尔 161041)
摘 要 :本文分析了 GCr15 轴承钢的接触疲劳寿 命 , 对钢中氮 化物 、氧化 物 、硫 化物 、残余 奥氏体 对轴承钢 接触 疲劳寿命的影响进行了研究 。 关键词 :轴承钢 ;疲劳寿命 ;氮化物 ;氧化物 ;硫化物 ;残余奥氏体
脱氧 不彻底 会造成 钢中氧 的质 量分数 的增 高 。冶炼时若追求尽可能低 的碳的质量分数 , 就 有可能造成过吹的现象 , 这样就会使钢中的铬成 分过量氧化 , 形成三氧化二铬或四氧化三铬 , 而脱 氧剂的用量又没有相应的增加 。 这样就造成了脱 氧不彻底的问题 。轴承钢氧的质量分数的多少是 决定轴承钢接触疲劳寿命的重要因素 。 生产中要 按照工艺要求严加对碳的 控制 , 不能过于追求很 低的碳的质量分数 , 应根据各种参数值的变化尽