碳化物是GCr15軸承鋼的重要組成相，它具有耐磨、抑制晶粒長大及吸收合金元素以使鋼材經(jīng)熱處理后獲得令人滿意的性能，但粗大、多角狀及偏析碳化物對軸承的使用壽命非常有害，希望得到細(xì)小而均勻彌散分布的碳化物。關(guān)于GCr15鋼制軸承顯微組織中未溶碳化物尺寸大小、形態(tài)分布對軸承的使用壽命的影響已有過許多報(bào)道，但對以不同方法冶煉的GCr15鋼種碳化物對接觸疲勞壽命的影響研究尚少。本文通過對真空脫氣連鑄鋼（2^#）、優(yōu)質(zhì)真空脫氣連鑄鋼（8^#）和電渣重熔鋼（7^#）三種GCr15軸承鋼的顯微組織中未溶碳化物的尺寸大小、形態(tài)分布和接觸疲勞壽命進(jìn)行的對比試驗(yàn)研究，闡述了碳化物對接觸疲勞壽命的影響。

1 原材料冶金質(zhì)量

1.1 化學(xué)成分

采用化學(xué)分析法對三種不同冶煉方法所得GCr15鋼材試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，并按GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn)評定，分析結(jié)果見表1.

表1? GCr15鋼的化學(xué)成分? %

編號	鋼材規(guī)格及冶煉方法	C	Cr	Mn	Si	S	P
2#	?55真空脫氣連鑄鋼	1.03	1.43	0.32	0.26	0.018	0.01
8#	?60優(yōu)質(zhì)真空脫氣連鑄鋼	1.01	1.45	0.29	0.22	0.01	0.009
7#	?60軍甲鋼（電渣重熔）	1.02	1.46	0.32	0.25	0.015	0.013

由表1可知，三種GCr15軸承鋼化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 非金屬夾雜物及碳化物不均勻性

2#及8#鋼材試樣按GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn)，7#鋼材試樣按軍甲-61標(biāo)準(zhǔn)分別對非金屬夾雜物及碳化物不均勻性進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2? 非金屬夾雜物及碳化物不均勻性檢驗(yàn)報(bào)告???? /級

編號		非金屬夾雜物								碳化物 液析	帶狀 碳化物	退火 組織
		A		B		C		D
		細(xì)系	粗系	細(xì)系	粗系	細(xì)系	粗系	細(xì)系	粗系
2#		1	1	0.5	1	0	0	0	0.5	<1	<3	4
8#		1	<1	0.5	0.5	0	0	0	0.5	<1	2	4
7#	A	1	0.5	0.5	0	0	0	0	0.5	<1	<2	–
	B	氧化物		硫化物		點(diǎn)狀		碳化物液析		帶狀碳化物		退火組織
		1.5		1.0		1		合格		2		<4

注：A試樣按GB/T18254-2002標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的結(jié)果；B試樣按軍甲-61標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的結(jié)果。

由表2可知，三種GCr15軸承鋼原材料均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且非金屬夾雜物及碳化物不均勻性的級別相似。

2 熱處理工藝與質(zhì)量

2.1 熱處理工藝

不同種類的GCr15軸承鋼采用正常熱處理工藝在連續(xù)式可控氣氛電阻爐（型號為RCWM70-9）中加熱淬火，油冷至室溫后用干冰進(jìn)行熱處理，最后在烘箱中進(jìn)行回火。熱處理工藝見表3.

表3? GCr15常規(guī)熱處理工藝

編號	熱處理工藝
2#	淬火：830 ~ 840℃ × 50 min 熱處理：-78℃ × 1 h 回火：160℃ × 3 h
8#
7#

2.2 熱處理質(zhì)量

不同種類的GCr15軸承鋼經(jīng)相同熱處理后，其硬度值均在62 ~ 63 HRC之間，硬度值和淬回火組織均符合JB/T1255標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測量結(jié)果如表4所示。

表4? 三種GCr15軸承鋼正常熱處理后的硬度值和淬回火組織

GCr15軸承鋼種類		2#	7#	8#
硬度 /HRC	試樣1	62.9 62.7 62.8	62.5 62.6 62.6	62.4 62.1 62.2
	試樣2	62.6 62.5 62.5	62.9 62.7 62.7	62.4 62.3 62.5
	試樣3	62.5 62.6 62.9	63.0 62.5 63.0	62.3 62.4 62.4
平均硬度/HRC		62.7	62.7	62.3
淬回火組織/級		<4	3	<4

3 接觸疲勞壽命試驗(yàn)及淬回火組織中碳化物顆粒大小與分布狀態(tài)

3.1 接觸疲勞壽命測試所用推力片試樣尺寸為?52 mm × ?30 mm × ?8 mm，在TLP接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壽命測試。試驗(yàn)條件為：20^#機(jī)油潤滑，轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速為2040 r/min，接觸應(yīng)力為4508 MPa，室溫為20℃。測試結(jié)果如表5所示。

表5? 接觸疲勞壽命對比結(jié)果

編號	韋布爾 斜率參數(shù)	額定壽命L10		中值壽命L50		特征壽命Vs
		L10/ × 107r	比值	L50/ × 107r	比值	Vs/ × 107r	比值
2#	2.1967	0.3014	1	0.7105	1	0.8395	1
8#	2.4453	0.3999	1.33	0.8640	1.22	1.0037	1.20
7#	2.2249	0.5113	1.70	1.1924	1.68	1.4060	1.67

由表5可知，電渣重熔GCr15鋼（7^#）的接觸疲勞壽命最好，優(yōu)質(zhì)真空脫氣剛（8^#）次之，二真空脫氣連鑄鋼（2^#）稍差。

3.2 碳化物顆粒大小及分布狀態(tài)

將2^#、8^#和7^#三種軸承鋼制的推力片試樣分別制成金相試樣，在對其進(jìn)行碳 – 鉻復(fù)型，在JEM-100CX透射電子顯微鏡（TEM）下，放大5000倍觀察其顯微組織中碳化物的形態(tài)和分布，然后對其碳化物的數(shù)量和尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及測量，測量面積為702 μm²（13μm × 18 μm × 3）.碳化物顆粒測試結(jié)果見表6。

表6? 三種GCr15軸承鋼的碳化物尺寸分布

編號		2#		8#		7#
分布情況	組號	尺寸范圍/μm	個(gè)數(shù)	尺寸范圍/μm	個(gè)數(shù)	尺寸范圍/μm	個(gè)數(shù)
	1	0~0.210	0	0~0.305	4	0~0.181	0
	2	0.210~0.419	10	0.305~0.610	64	0.181~0.362	12
	3	0.419~0.629	26	0.610~0.914	46	0.362~0.543	43
	4	0.629~0.838	30	0.914~1.219	26	0.543~0.724	38
	5	0.838~1.048	35	1.219~1.524	9	0.724~0.905	26
	6	1.048~1.257	36	1.524~1.829	8	0.905~1.086	21
	7	1.257~1.467	36	1.524~1.829	8	0.905~1.086	21
	8	1.467~1.676	9	2.133~2.438	0	1.267~1.448	5
	9	1.676~1.886	1	2.438~2.743	0	1.448~1.629	2
	10	1.886~2.095	1	2.743~3.048	0	1.629~1.810	1
	11	2.095~2.305	3	3.048~3.352	1	1.810~1.991	2
總個(gè)數(shù)/個(gè)		171		160		161
平均尺寸/μm		0.991		0.805		0.722
最大尺寸/μm		2.20		3.20		1.90
分布形態(tài)		局部區(qū)域較為集中		較均勻		較均勻

4 試驗(yàn)結(jié)果分析討論

通過上述試驗(yàn)測試，從表1~表4可知，三種GCr15鋼的化學(xué)成分及原材料材質(zhì)基本相近，在相同熱處理工藝后硬度也基本相同?？墒窃赥LP接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上測試后，發(fā)現(xiàn)7^#、8^#鋼的額定壽命L₁₀分別是2^#鋼的1.70倍和1.33倍，中值壽命L₅₀也分別為2^#鋼的1.68倍和1.22倍。而從表6中可以看到，7^#鋼種碳化物顆粒尺寸集中在0.181~1.086 μm范圍內(nèi)，占總顆粒數(shù)的87.0%，且分布也較均勻，平均尺寸總是三者中最小的；2^#鋼中碳化物顆粒尺寸大于1 μm以上的占總顆粒數(shù)的41.9%，且分布有聚集現(xiàn)象，它的碳化鎢平均尺寸是三者中最大的。

根據(jù)相關(guān)資料可知：鋼中非金屬夾雜物和碳化物均會對軸承壽命產(chǎn)生較大影響。而從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)所用的三種GCr15鋼中非金屬夾雜物和碳化物不均勻性的級別相似，雖無法完全排除非金屬夾雜物對壽命的影響，但至少可以確定7#和8#鋼的接觸疲勞壽命比2#鋼廠的主要原因是由于各自顯微組織中的碳化物差異造成的。而以前許多試驗(yàn)也證明了：在GCr15鋼中得到細(xì)小、均勻分布的碳化物可以延長軸承的使用壽命。

碳化物對使用壽命的影響原因有以下兩方面：(1)碳分布的均勻程度。雖然馬氏體基體平均固溶碳濃度約為0.55%，但這是平均值，在碳化物附近和遠(yuǎn)處的碳濃度是不一樣的。碳化物顆粒粗大時(shí)，其濃度差就大，反之，其濃度差就小^[1-2]。如果濃度差很大，碳濃度高處和地處的壽命就低，所以平均壽命當(dāng)然也就低。(2)碳化物的外形。較細(xì)小的碳化物外形較為圓滑，而粗大的碳化物的外形的圓度就差，容易形成較尖銳或凸凹的邊緣，在這些位置容易與集體產(chǎn)生應(yīng)力集中（特別是受到外力作用時(shí)）而成為疲勞源，產(chǎn)生裂紋，從而會降低韌性和抗疲勞性，縮短使用壽命。

綜上所述，為了避免軸承鋼中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物小（尺寸細(xì)?。颍ù笮”舜讼嗖詈苌?，而且分布均勻）、圓（每粒碳化物皆是球形）^[3]。這可通過對原材料加以控制或在淬火前后采用合適的工藝細(xì)化碳化物，從而得到理想的碳化物形態(tài)與分布。

5 結(jié)論

(1) 碳化物細(xì)小、均勻分布的電渣重熔GCr15鋼的額定壽命L10為碳化物較大、分布集中的真空脫氣連鑄GCr15鋼的1.70倍，其中值壽命L50也為其的1.68倍。

(2) 電渣重熔GCr15鋼和優(yōu)質(zhì)真空脫氣GCr15鋼中的碳化物細(xì)小、均勻分布是其接觸疲勞壽命比真空脫氣連鑄GCr15鋼長的主要原因。

(3) 改善GCr15鋼中碳化物形態(tài)及分布有益于延長GCr15鋼制軸承的使用壽命。