轴承钢质量问题成因分析

　　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
　　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Z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。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。针对国内外轴承钢质量对比、质量问题、质量分析、实物轴承解剖、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的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，氮化物的质量分数却下降，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。恰恰是这些微小的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Z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。
　　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，稳定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和强度，特别是接触疲劳寿命改善效果是客观存在的。
　　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，氧含量越低其纯洁度越高，相对应的额定寿命就越长。钢中氧含量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。氧化物夹杂含量是氧的函数。随着氧的质量分数的降低，氧化物夹杂将减少：氮和氧的质量分数一样，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支点作用，所以对钢材疲劳寿命没有起到破坏作用。
　　钢由于氧化物的存在，破坏了金属基体的延续性，又由于氧化物的膨胀系数小于轴承钢基体膨胀系数，当承受交变应力时，易于产生应力集中，成为金属疲劳的发源地。应力集中多数产生在氧化物、点状夹杂物和基体之间，当应力达到足够大时，就产生裂纹，并迅速扩展而破坏。夹杂物塑性越低，形状越尖棱，则应力集中也就越大。
　　3　硫化物对疲劳寿命的影响
　　钢中硫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。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。同时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。
　　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两批钢材同属于同一钢种，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。
　　4　结语
　　真正的优质产品还是依靠人去生产和控制的。客观条件再好，如果缺乏质量控制，仍然达不到提高质量的目的。提高轴承钢的产品质量Z关键是把基础工作做实，一要在原料、工艺、设备、检测和管理五个方面都要有一套质量控制措施体系。二要严格控制各工艺环节、各道工序，要有明确的责任制度和检查考核制度，加强和严肃工艺纪律，强化标准化作业，严格执行工艺规程，切实从钢生产的具体环节入手，就能有效地提高特钢产品质量。三要加强各个质量控制点、管理点的整顿，用工艺规程、操作规程来保证产品质量，用高质量的工作保证产品的高标准。有关的技术质量工作，行政管理工作、群众工作都要以产品质量为龙头，用方针目标管理方法落实到基层。对质量问题，要本着“查找异因—采取措施—加以消除—不再出现—纳入标准”的20字准则，定准问题，查清原因，及时处置，完善措施、全程跟踪，为提高我国的特钢质量，缩小与世界Z优水平的差距做出贡献。