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第29卷第4期黑龙江冶金Vol.29No.42009年12月HeilongjiangMetallurgyDecember2009GCr15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ResearchoneffectofbearingsteelcontactfatiguelifeWangHonggang(QualityDepartmentofDongbeiSpecialSteelGroupBeimanSpecialSteelCo.,Ltd.,Qiqihaer,161041China)Abstract:Thearticleanalysecontactfatiguelifeofbearingsteel,andmakearesearchoneffectofnitride,oxide,sulphide,andremainedausteniteonbearingsteelcontactfatiguelife.KeyWords:bearingsteel;fatiguelife;nitride;oxide;sulphide;remainedaustenite轴承钢内在质量的综合标志就是疲劳寿命,物轴承解剖、接触疲劳寿命试验等,作了具体而有6国内轴承钢额定标准寿命一般波动在4.52110意义的研究,从而寻找到我国轴承钢与先进工业6~9.343310周次。世界上质量最好的轴承钢国家轴承钢的质量差距。(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1氮化物对疲劳寿命的影响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:降低氧的有的学者指出:钢中增氮,氮化物的体积分数质量分数仍未起到大幅度提高轴承钢疲劳寿命的却下降,这是由于钢中夹杂物的平均尺寸减少的作用,其原因在于:在氧化物夹杂量降低以后,多缘故,受技术所限,还有相当数量的小于0.2m夹余的硫化物又成为影响钢材疲劳寿命的不利因杂物颗粒未计算在内。恰恰是这些微小氮化物颗素。只有同时降低氧化物和硫化物的质量分数,粒的存在状态,对轴承钢的疲劳寿命有着直接影才能充分挖掘材质潜力,大幅度提高轴承钢的疲响。Ti是形成氮化物的最强元素之一,比重小,易劳寿命。金属学理论指出:轴承中一个滚动体或上浮,还会有一部分Ti留在钢中形成多棱角的夹任一滚道出现疲劳剥落前的总转数或在一定转数杂物。这种夹杂物容易引起局部应力集中,产生和负荷下工作小时数,称为标准寿命!。有关资疲劳裂纹,因此要控制此种夹杂物的产生。氮化料介绍:美国等先进国家的轴承寿命为10~13倍钛为间隙相,如果从电子因素对间隙相的影响来的标准寿命,我国的轴承寿命为6~7倍的标准寿看,通常的规律认为过渡元素的3d层电子数越命。影响轴承寿命的原因主要来自三个方面,即少,同C、N的亲合力越大,形成的碳化物或氮化物轴承钢的内在质量、轴承设计、轴承制造工艺。在就越稳定,这种稳定的碳化物或氮化物的间隙相,这三个因素中,轴承钢的内在质量对轴承寿命的具有金属链的特征,熔点高、硬度大。作者观察影响最为显著。近几年来,我国许多冶金科技工到:TiN或Ti(CN)的显微颗粒(500∀以下)呈弥散分作者对轴承钢的内在质量颇为关注,开展了研究布于显微组织的晶内或晶界。因为N和Al也有工作。针对与国外轴承钢质量对比、质量分析、实极强的亲合力,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。1 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最大可能防止过吹,要把停氧的时间控制在最佳以下,氮的质量分数有所提高,非金属夹杂物的大时机,以减少三氧化二铬或四氧化三铬的生成,减小、类型和分布状态得到了改善,夹杂物有明显的少后期脱氧压力。如果因为过吹而生成大量的三降低。钢中氮化物颗粒虽然增多,但其颗粒甚小,氧化二铬或四氧化三铬,则应当考虑适当增加脱并于晶界或晶内呈弥散状态分布,成为有利因素,氧剂的用量,尤其是钙与硅类型含钙高的脱氧剂,使轴承钢的强度和韧性得到了良好配合,极大地从而达到降低钢中氧的目的。在脱氧过程中,脱增加钢的硬度、强度,特别是接触疲劳寿命改善效氧剂的加入应当遵循先弱后强!的原则。比如锰果是客观存在的。等元素应先期加入,然后加入脱氧剂强的硅、铝等脱氧剂。另外脱氧产物二氧化硅、三氧化二铝等2氧化物对疲劳寿命的影响的排除也影响钢中的氧的质量分数,因而脱氧不仅仅局限于去除钢中的氧,脱氧产物的去除也是钢中氧的质量分数是影响材质的重要因素,十分重要的。氧的质量分数越低其纯洁度越高,相对应的额定钢中由于氧化物的存在,破坏了金属基体的寿命就越长。有的学者专门对国内轴承钢与国外连续性,又由于氧化物的膨胀系数小于轴承钢基轴承钢内在质量做过比较:国内比国外夹杂物平体膨胀系数,当承受交变应力时,易于产生应力集均级别高出0.2~0.3级,在大规格的轧材上表现中,成为金属疲劳的发源地。应力集中多数产生突出。分析表明:国内外轴承钢氧化物总量相差在氧化物、点状夹杂物和基体之间,当应力达到足并不大,但分布不同;国内钢材氧化物分布集中,够大时,就产生裂纹,并迅速扩展而破坏。夹杂物颗粒粗大,国外钢材氧化物分布分散、细小、均匀,塑性越低,形状越尖棱,则应力集中也就越大。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3硫化物对疲劳寿命的影响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钢材中发现有硫钢中硫的质量分数几乎全部以硫化物形态存化物与氧化物孪生共存的形式,氧化物被硫化物在。钢中硫的质量分数增高,则钢中硫化物相应包在其中。国内平均级别和出现频率均比国外增高,但因硫化物能很好地包围在氧化物周围,减高,且存在大点状的夹杂物;国外钢材很少有点少了氧化物对疲劳寿命的影响,所以夹杂物的数状,既使有点状也比较细小,而国内钢材大颗粒点量对疲劳寿命的影响并不是绝对的,与夹杂物的状夹杂物出现频率高;高倍组织国内外相比水平性质、大小和分布有关。不一定夹杂物越多,疲劳接近。钢中氧的质量分数和氧化物有着密切的关寿命就一定越低,必须联系其它影响因素综合加系,钢液在凝固过程中,铝、钙、硅等元素溶解的氧以考虑。有的专家研究结果认为:夹杂物平均直形成氧化物。氧化物夹杂的质量分数是氧的函径小于8m以下不影响其疲劳强度。硫化物具有数。随着氧的质量分数的降低,氧化物夹杂将减较低的熔点,当钢凝固时,就附着在多角形的氧化少;氮的质量分数和氧质量分数一样,同样和氮化物夹杂物表面,特别是棱角处,形成氧化物#硫化物存在函数关系,但由于氧化物在钢材中分布的物共生夹杂物。因此硫的质量分数适当地提高,较分散,起着和碳化物同样作用的质点作用,所以增加氧化物被硫化物包围的机会,导致共生夹杂对钢材疲劳寿命没有起到破坏作用。数量增多。当热加工时,这种共生夹杂物与基体脱氧不彻底会造成钢中氧的质量分数的增之间造成一个平滑的内表面,它的应力集中倾向高。冶炼时若追求尽可能低的碳的质量分数,就比脆性棱角形氧化物低。同时由于硫化物的膨胀有可能造成过吹的现象,这样就会使钢中的铬成系数大,不易出现拉应力,被硫化物包围的氧化物分过量氧化,形成三氧化二铬或四氧化三铬,而脱与基体之间的应力也是很低的。当硫化物#氧化氧剂的用量又没有相应的增加。这样就造成了脱物共生时,既使该夹杂体积比氧化物的大,基体中氧不彻底的问题。轴承钢氧的质量分数的多少是的残余应力比起没有同硫化物结合的来说,危害决定轴承钢接触疲劳寿命的重要因素。生产中要程度也有所减轻,残余应力不足以引起疲劳的。按照工艺要求严加对碳的控制,不能过于追求很但遇到存在氧化物夹杂,应力就会加强,再加上外低的碳的质量分数,应根据各种参数值的变化尽加的应力,结果导致产生疲劳源。所以外部应力2 第4期王洪刚:GCr轴承钢的接触疲劳寿命影响因素研究是破坏基体连续性的直接原因,夹杂是内因。这两者的应力场将使材料经不住外来的应力。当硫4残余奥氏体对疲劳寿命的影响化物和氧化物共生时,则残余应力较低,因而压应力的作用也小,这将阻碍裂纹的发生,材料就增强残余奥氏体对钢的断裂韧性和接触疲劳寿命了抵抗外来应力的能力,提高了材料的疲劳寿命。有着直接影响。一般地讲,残余奥氏体数量的多在轴承钢中硫化物呈细小状弥散分布,并且少,主要受化学成份、晶粒大小、淬火介质,Ms点混入氧化物夹杂之中,既使采用金相方法也难以以下的冷却速度以及回火温度、回火时间等因素辨认。试验证实:在原有工艺的基础上,增加Al的影响。残余奥氏体数量的增加主要有以下几种量对降低氧化物、硫化物起到积极的作用。这是原因:因为Ca具有相当强的脱硫能力。夹杂物对强度(1)奥氏体中碳及合金元素(除Co以外)的增影响甚微,而对钢的韧性危害较大,其危害程度又加;(2)奥氏体晶粒的细化;(3)淬火冷却速度的取决于钢的强度。强度愈高夹杂物对韧性的危害变小;(4)在Ms点以下停留及回火温度较低;(5)愈大。甚至在较低的应力作用下,夹杂物可能成保温时间较长。为高强度低韧性的裂纹源。由于高强度材料抗断由此可见:钢中残余奥氏体之所以增加,可能裂能力较差,一旦出现裂纹源,就会使裂纹源迅速与增氮有关。因为[N]是一种很强的形成稳定奥扩展并导致断裂。夹杂物和基体的界面都是影响氏体的元素,其效用约是Ni的20倍。另外,由于钢材连续性的薄弱环节。钢中夹杂物是裂纹成核细微TiN颗粒的增多,其细化晶粒的作用,也是导的场所,导致钢材会优先在大颗粒夹杂物上成核,致钢中残余奥氏体增加的原因之一。残余奥氏体因此可将夹杂物看做是等价的裂纹。轴承钢在交在室温下会发生缓慢分解,因为它属于热力学不变载荷作用下,其中小颗粒夹杂物也会开裂,形成稳定相。经过回火处理,没发生转变的残余奥氏微裂纹,这些微裂纹又会长大直至成为失稳扩展体,其稳定性才会大有提高。残余奥氏体的质量的裂纹源。分数多少及分布形态,对钢的使用性能有着相当GCr15钢的断裂过程,根据断口分析主要为解显著的影响,尤其是对疲劳寿命的影响。这一问理和准解理断裂机制。著名专家肖纪美先生指题引起了许多专家的关注。目前有两种截然不同出:钢中夹杂物是一种脆性相,体积分数愈高,韧的观点。一种观点认为:残余奥氏体硬度低、塑性性愈低;夹杂物的尺寸愈大,韧性下降的愈快。对大、比容小、塑性抗力低、降低有效残余压应力、应于解理断裂的韧性而言,夹杂物的尺寸愈细小,夹力诱发马氏体硬度高、脆性大、增加显微组织应杂物的间距愈小,则韧性不但不下降,反而提高,力,所以降低接触疲劳寿命。另一种观点认为:残如果晶内脆性相排列较密,则可缩短位错堆塞距余奥氏体塑性变形好、能松驰应力、吸收能量、缓离,不易发生解理断裂,从而提高解理断裂强度。冲相变马氏体的冲击能、减少显微裂纹,同时增加有人专门做过试验:A、B两批钢材属于同一钢种,接触面积、降低实际接触应力、诱发马氏体韧性但是各自所含夹杂物的情况不同。经过热处理,好、具有明显的强韧化效果。在裂纹尖端塑性区2A、B两批钢材达到相同的抗拉强度95kgmm,A、B内,由于残余奥氏体加工硬化了,诱发马氏体具有材的屈服强度是一样的。在延伸率和面缩率方较大的压应力,因此裂纹难以扩展。残余奥氏体面,B材略低于A材仍为合格。经疲劳试验(旋转阻止了裂纹扩展,消耗了扩展能,对疲劳寿命做出弯曲)后发现:A材是长寿命材,疲劳极限高;B材了贡献。试验结果表明;残余奥氏体的存在,对轴为短寿命材,疲劳极限低。当钢材试样所受循环承钢的塑性、断裂韧性、硬度、接触疲劳寿命都有应力略高于A材的疲劳极限时,B材的寿命只有A提高,并能抑制接触疲劳裂纹的萌生和扩展。因材的110。A、B钢材中的夹杂物均为氧化物。从此说:在一定范围内,残余奥氏体量的增加,是夹杂物总量上看:A材的纯净度比B材的纯净度GCr15钢提高疲劳寿命的重要原因之一。更差一些,但A材的氧化物颗粒大小一致,分布均真正的优质产品还是依靠人去生产和控制匀;B材含有一些大颗粒的夹杂物,分布也不均的。客观条件再好,如果缺乏质量控制,仍然达不匀。这充分说明肖纪美先生的观点是正确的。到提高质量的目的。所以,任何时候都不能弱化质量控制,特别要进一步加强全面质量管理,从根(下转6页)3 黑龙江冶金第29卷表2腐蚀试验结果相在晶内均匀分布。室内试验海港试验通过快速浸泡拉应力腐蚀试验可知,Zr能提合金快速浸泡快速拉应力腐蚀寿命结构焊箱全浸高高镁合金的拉应力腐蚀寿命。晶间腐蚀剥落腐蚀冷轧稳定化试验(三年)2.5焊接性能含Zr合金无点蚀19.7h62h点蚀Zr能提高铝合金的焊接性能,这是众所周知进口附近有的事实。为了考核锆的作用,都取基体自身作为不含Zr合金无点蚀9.0h58h鼓包和分层焊丝材料,试验结果列于表3。表3焊接性能结果室内试验的结果表明,含Zr合金与不含Zr合金均无晶间腐蚀,剥落腐蚀为点蚀,但含Zr合金的热裂倾向性焊接系快速浸泡快速拉应力腐合金快速拉应力腐蚀寿命高于不含Zr合金。系数%数%剥落腐蚀蚀寿命h对于高镁铝合金,特别是用于舰、船体的板含Zr合金890.4点蚀35材,考核耐蚀性的重要指标是抗剥落腐蚀能力,该不含Zr合金3589.6点蚀25腐蚀特征是沿平行于金属表面发生分层,导致金从表3可知,含Zr合金的热裂倾向性显著降属内部彼此分离开。剥落腐蚀使船体或结构部件低,含Zr合金的快速拉应力腐蚀寿命高于不含Zr在很短时间内毁坏,作为舰船结构用板,是绝对不合金。含Zr合金热裂倾向性显著降低的原因,可允许有剥落腐蚀倾向存在的,而最能反映材质抗能是因为焊缝处为铸态组织,而Zr有显著细化铸剥落腐蚀性的试验是用结构焊箱进行海港实地考态晶粒的能力所致。核。总的来说,高镁铝合金的焊接性能是不错的,结构焊箱是一个用板材焊成的、边长约但含Zr合金的综合性能要更佳。400mm的立方壳体,该焊箱投于海港试验站的海面内进行海港试验,全浸三年后取出。经检查,不3结论含Zr合金的焊箱,在其进水孔附近产生了剥落腐蚀(鼓包和分层),而含Zr合金的焊箱,仅为点蚀。3.1Zr能显著细化高镁铝合金的铸态晶粒,从而众所周知,高镁铝合金的腐蚀性主要取决于提高了板材制品的可加工性和强度。合金内微电池中充作阳极的(Mg2Al3)相的数量、3.2Zr能提高高镁铝合金的耐蚀性,特别是抗剥大小、形状和分布状态,含Zr合金抗剥落腐蚀能力落腐蚀的能力。提高的原因,据有关资料报道,可能是由于Zr能抑3.3Zr能进一步提高高镁铝合金焊接构件的综制相质点的沿晶析出;也可能是由于Zr细化了合性能。晶粒,相对而言,促使过饱和固溶体中沉淀出的(上接3页)本上来保证特钢产品质量。提高轴承钢的产品质要以产品质量为龙头,把目标管理方法落实到基量最关键是把基础工作做实,一要在原料、工艺、层。四要向规范化、标准化方向发展,全面规划,设备、检测、管理五个方面都要有一套质量控制措分类指导,深入发展,质量水平将会有一个明显的施体系。二要严格控制各工艺环节、各道工序,要提高。对质量问题,要本着查找异因#采取措施有明确的责任制度和检查考核制度,加强和严肃#加以消除#不再出现#纳入标准!的20字准工艺纪律,强化标准化作业,严格执行工艺规程,则,定准问题,查清原因,及时处置,完善措施、全切实从钢生产的具体环节入手,依据四精控制原程跟踪,为提高我国的特钢质量,缩小与世界最优则,即精料、精炼、精轧、精整,确保工序质量,就能水平的差距做出贡献。有效地提高特钢产品质量。三要加强各个质量控参考文献制点、管理点的整顿,用工艺规程、操作规程来保[1]宋维锡金属学[M].2000[2]冶金信息导刊[J].2006:5证产品质量,用高质量的工作保证产品的高标准。[3]冶金标准化与质量[J].2007:4有关的技术质量工作,行政管理工作、群众工作都6
