增加超精研工序提高軸承鋼球精度，降低球軸承異音
沈維
［摘要］本文通過對鋼球直徑變動量的不均勻性對軸承異音的影響進行了分析并提出了超精研工序（研Ⅲ），從而提高球直徑變動量的一致性，提高了產品質量。
［關鍵詞］球直徑變動量鋼球精度超精研（研Ⅲ）
一、概述
鋼球是球軸承中的重要零件，隨著國民經濟的發(fā)展和人民的需求提高，球軸承被廣泛地應用到家用空調、洗衣機、電冰箱的電機之中，這些被裝配的軸承除壽命、精度、振動要求之外，最重要的指標之一就是異音，而鋼球就是產生軸承異音的主要原因之一。因此研究鋼球影響軸承異音的問題，并從工藝和質量控制方面加以解決，就能極大地提高軸承質量。
二、球的直徑變動量VDWS
球的直徑變動量VDWS 的不均勻也是影響軸承異音的關鍵因素之一。當然鋼球的表面質量是影響軸承異音的重要因素，鋼球表面存在著擦傷、劃條、黑點等缺陷，鋼球裝入軸承后用S0910 軸承振動儀進行合套試驗時就會發(fā)出異音。但這些問題比較直觀（在放大鏡和目視下均可發(fā)現(xiàn)）。我公司在供某著名軸承公司鋼球時，開始退貨率達到70%，退貨的主要原因就是表面質量而引起的異音，2009 年以后大批使用JQ鋼球光電外觀自動檢測儀后，由于該儀器采用非接觸式光學方法并基于計算機圖像處理和模式識別，被檢鋼球浸泡在油中不會產生新的擦劃傷，經過該機挑出表面缺陷球后，退貨率馬上降至20%。2010 年著名軸承公司要求我司送檢5/16＂G10Z4鋼球，經合套100套檢驗，我們仍有20套的部分產品存在異音，這批送檢產品除經過光電外觀機100%檢驗，又經過人工目視外觀，表面質量應該是可靠的，為什么會出現(xiàn)以上問題呢？
為此我公司專門收集國外著名廠家一家，國內著名廠家一家和我公司產品共3 種，分成A、B、C 進行了全項精度檢查，每樣品各取十粒，現(xiàn)將檢查結果比較如下（其中C 為我公司產品）
表1 儀器型號：WILSON圓度波紋儀GS-1A 單粒鋼球振動儀
| 編號 | 直徑DW
（mm） |
球直徑變動量
VDWS (μm) |
精態(tài)波紋度
(μm) |
動態(tài)波紋度
(μm) |
加速度（db）范圍
26.5～28 |
| A | 3.969mm | 0.19 | 0.008 | 28.1 | 28 |
| 0.17 | 0.007 | 27.2 | |||
| 0.18 | 0.008 | 27.7 | |||
| 0.18 | 0.009 | 28.5 | |||
| 0.18 | 0.008 | 27.5 | |||
| 0.16 | 0.009 | 28.2 | 26.5 | ||
| 0.19 | 0.008 | 29.1 | 28 | ||
| 0.17 | 0.007 | 27.2 | |||
| 0.18 | 0.008 | 27.2 | |||
| 0.17 | 0.007 | 27.2 |
| 編號 | 直徑DW
（mm） |
球直徑變動量
VDWS (μm) |
精態(tài)波紋度
(μm) |
動態(tài)波紋度
(μm) |
加速度（db）范圍
27.5～30 |
| B | 3.969mm | 0.16 | 0.009 | 28.3 | |
| 0.19 | 0.009 | 29.4 | 30 | ||
| 0.17 | 0.009 | 28.1 | |||
| 0.17 | 0.008 | 28.8 | |||
| 0.19 | 0.009 | 27.5 | 30 | ||
| 0.20 | 0.008 | 27.9 | 30 | ||
| 0.16 | 0.009 | 28.6 | |||
| 0.17 | 0.009 | 29.1 | |||
| 0.18 | 0.009 | 28.2 | |||
| 0.18 | 0.008 | 27.9 |
| 編號 | 直徑DW
（mm） |
球直徑變動量
VDWS (μm) |
精態(tài)波紋度
(μm) |
動態(tài)波紋度
(μm) |
加速度（db）范圍
27.5～30 |
| C | 3.969mm | 0.17 | 0.010 | 30.3 | |
| 0.29 | 0.0106 | 35.2 | 31 | ||
| 0.22 | 0.008 | 29.2 | |||
| 0.20 | 0.008 | 29.4 | |||
| 0.19 | 0.010 | 29.1 | 30.5 | ||
| 0.28 | 0.009 | 29.4 | 30.5 | ||
| 0.20 | 0.010 | 32.5 | |||
| 0.16 | 0.010 | 28.3 | |||
| 0.22 | 0.008 | 29.4 | |||
| 0.22 | 0.009 | 30 |
從以上測試結果可以看出幾個問題。
（一）三種產品相比較：
1.A 產品的球直徑變動量VDWS 均勻性較好 ?級差R 0.19 – 0.16 = 0.03 db R 28-26.5=1.5
2.B 產品的球直徑變動量VDWS 均勻性稍差 ?級差R 0.20 – 0.16 = 0.04 db R 30-27.5=2.5
3.C 產品的球直徑變動量VDWS 均勻性差 ?級差R 0.29 – 0.16 = 0.13 db R 31-28=3.0
（二）用GS-1A 單粒鋼球振動儀和VILSON 圓度波紋度儀的分析結果：鋼球單粒振動值（db）和球直徑變動量VDWS 有一定的對應關系，球直徑變動量VDWS較大其單粒鋼球振動值較高，反之則較低。
（三）鋼球在裝入軸承進行合套測振和異音檢查時通常是裝入七粒或八粒鋼球，當其中一?；蚨Ｓ休^大的振動，必然會產生不和諧的異音，而且鋼球的VDWS 不合格數(shù)約占被檢測鋼球20%左右和退貨量比較接近，因此可以判斷球直徑變動量VDWS 的不均勻也是影響軸承異音的關鍵因素之一。
三、提高鋼球精度，降低球軸承異音
從以上對比可以看出用原來的工藝方法和采用GB308-2002 標準生產的G10級鋼球已經不能滿足軸承行業(yè)的靜音軸承要求，要為更高級的用戶供貨，起碼內控標準要提高到G5 級，為此我們修改了工藝和質量控制標準，增加了研Ⅲ工序和修改了檢查方法。
四、超精研（研Ⅲ）
超精研Ⅲ工序就是在原來二遍精研基礎上再增加一遍精研，也稱研Ⅲ，為做到精細加工，還需要注意以下問題：
(1)調整機床精度，采用3M4925 機床和德國SMS720 精研機，應調整機床和更換主軸軸承使端面跳動和徑向跳動精度達到0.02mm 以內，修復上下研磨板同軸度達到0.02mm 以內，機床的料盤要增加自動保護裝置，在堆球時可自動調節(jié)進球量或停機。
(2)采用德國ROXTH 公司的超精研板或國內著名品牌的超精研板, 該板以石墨與鐵素體為基本組織,不允許有硬質點和砂眼氣孔,板的硬度應控制在150-130HB 以內。
(3)加工板溝時應采用數(shù)顯立式機床，用成型刀加工,少壓溝，多磨溝，先連續(xù)裝幾盤球進行研磨加工,待板溝吻合后,再進行研Ⅲ加工,少壓溝的目的是避免板溝回彈使溝走形,多磨溝既可提高機床利用率,減少輔助時間又可使板溝光滑。
(4)超精研的加工量應控制在0.3μm 以內,一般來講研Ⅱ工序的成品球均應達到G10 級標準,其VDWS 均在0.25μm 以內,超精研的目的是為了提高精度,減少散差,而且超精研板始終要保持一個規(guī)矩的溝型,用它來修磨整批球。
(5)在南方由于空氣濕度較大,為防止銹蝕產生,建議使用英國BP 公司生產的BPOLEX-5452G 循環(huán)液或者是洛陽航達生產的類似循環(huán)液，保持在加工過程中不斷吸渣，以去除板溝剝落的鐵粉和被加工鋼球的鐵屑，以免產生新的擦劃傷，一旦發(fā)現(xiàn)球的表面和精度均不好時要主動更換磨液。
(6)研磨料采用W0.5 μm的白鋼玉或人造金剛石微粉，每盤球150kg可加入1 克，一般當水箱內濃度達到可研磨2~3 盤球后再加入1 克。
(7)加工時間24 小時，機床轉速15 轉/分，壓力根據(jù)球徑大小控制在3KN~5KN,加工＜3mm小球的壓力要更小些。
(8)為避免內溝和外溝的直徑差應堵溝和減少溝槽數(shù)，原3M4725 機床板徑為720mm,內徑為290mm,現(xiàn)改為內徑為420mm，原內外溝道的周長比為0.4，現(xiàn)內外溝道的周長比為0.6，3M4725 機床均在出球處裝有撥球器，因此可以進一步減少散差。
經過超精研Ⅲ加工后的鋼球測試數(shù)據(jù)如表2。
表2 儀器型號：WILSON圓度波紋儀GS-1A 單粒鋼球振動儀
| 編號 | 直徑DW
（mm） |
球直徑變動量
VDWS (μm) |
精態(tài)波紋度
(μm) |
動態(tài)波紋度
(μm) |
加速度（db）范圍
27.5～30 |
| 3.969mm | 0.17 | 0.009 | 28.1 | ||
| 0.17 | 0.009 | 28.6 | |||
| 0.17 | 0.010 | 29.5 | |||
| 0.18 | 0.009 | 29.6 | 30.5 | ||
| 0.17 | 0.008 | 29.6 | |||
| 0.17 | 0.009 | 28.6 | |||
| 0.18 | 0.009 | 29.6 | 30.5 | ||
| 0.17 | 0.008 | 28.1 | |||
| 0.17 | 0.009 | 28.6 | |||
| 0.17 | 0.009 | 28.3 |
以上結果可以看出，球直徑變動量VDWS 均勻性大為改善,級差R0.18-0.17=0.01，比原來有所提高，振動值散差db 30.5-29=1.5db，均勻性也有一定的改善。產品基本達到國內著名廠家的精度水平,與國外相比仍有一定的差距,主要體現(xiàn)在靜態(tài)波紋度還有一定差距,從而使單粒鋼球的振動值與國外相比還有2 個db 的差距,以后應加強在磨料方面的選擇和加工壓力的研究,盡量達到國際先進水平。
結論：
1.超精研加工是提高產品球直徑變動VDWS 均勻性的有效途徑,可以使產品的合套率大為提高,軸承的旋轉精度也有相應提高。
2.球直徑變動量的一致性好,使單粒鋼球的振動加速度db 的散差縮小,使軸承的異音大為降低。
參考文獻
［1］黃國武.超精研板對提高鋼球表面精度質量的分析《全國滾動體年會論文集》
［2］鋼球磨研工藝學.機械工業(yè)出版社
［3］王國智，嚴微.無異音低振動鋼球的工藝研制《軸承技術》
［4］陳建華.鋼球合套異音控制初探《軸承工業(yè)》，2001.2
［5］胡公明，吳其新.提高鋼球質量降低鋼球消耗《黑色金屬礦山通訊》，1990.1
［6］江逢春.鋼球合套異音的試驗分析《軸承工業(yè)》，2003.9
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]]>滾動軸承的疲勞失效與軸承鋼中的非金屬夾雜物的關系
王振華
（寶鋼股份公司 設備部，上海 200941）
《寶鋼技術》 2003年增刊
摘要：闡述了滾動軸承的運動機理、非金屬夾雜物和材料表層疲勞剝離的相互關系，指出軸承鋼中的非金屬夾雜物是影響滾動軸承使用壽命的一個很重要的因素，提出提高鋼的冶煉技術、改進冶煉設備、穩(wěn)定工藝及擬定合理的檢驗標準和方法仍是降低軸承鋼中非金屬夾雜物含量的最有效的措施。
關鍵詞：滾動軸承；夾雜物；壽命；疲勞剝離
1 前言
滾動軸承是一種應用十分廣泛的機械零件，目前全世界軸承的銷售額達300億美元，中國占9%。軸承鋼的產量達千萬噸，中國占8%左右，已成為繼日本、美國、瑞典、德國之后的第五個軸承和軸承鋼的生產大國。但盡管如此，我國目前每年還需進口2 ～ 3億套軸承（約2.5億美元）及相當數(shù)量的軸承鋼，用于關鍵設備及制造高品質的軸承，這不但反映了我國軸承和軸承鋼的生產能力與先進工業(yè)國有差距，而且在軸承和軸承鋼的產品質量上也同樣存在一定的差距。就軸承產品質量而言，我國軸承鋼的產品質量（主要指非金屬夾雜物）的穩(wěn)定性仍然是影響我國軸承產品質量（軸承的使用壽命）的重要因素。
2 滾動軸承的使用特性及對鋼材的性能需求
2.1 滾動軸承的使用特性
滾動軸承是由滾動體（鋼球、滾子和滾針）來承受系統(tǒng)載荷并傳遞機械運動（轉動、擺動和直線運動）。在軸承內相對運動的滾動體和套圈滾道表面的接觸處是處于高交變應力狀態(tài)，一般而言，在點接觸類型的滾動軸承內（如球軸承），鋼球和套圈滾道表面的接觸處的接觸應力大約為2000 ～ 2500 N/mm2, 在線接觸類型的滾動軸承內（如滾子軸承），滾子和套圈滾道表面的接觸處的接觸應力大約為1400 ～ 1800 N/mm2。
滾動軸承的一個非常重要的使用特性是：在上述的高交變接觸應力作用下，軸承能在滿足設備系統(tǒng)的要求（如：載荷、轉速、振動、溫度及精度等）的同時，持續(xù)運行所要求的時間或轉數(shù)。這就是所謂的“滾動軸承的使用壽命”。
大量的軸承壽命試驗數(shù)據(jù)證明，滾動軸承的疲勞壽命是相當離散的，而影響疲勞壽命離散性的主要因素之一是：軸承材質均質性及質量的穩(wěn)定性。
2.2 滾動軸承對鋼材的性能要求
鑒于滾動軸承使用的苛刻條件及特殊的抗磨、抗疲勞的要求，在20世紀開發(fā)了一類含1%左右的碳（C）和含1.5%左右的鉻（Cr）為主的高碳鉻合金鋼，其主要特點是：可以采用現(xiàn)金的冶煉方法、技術和工藝得到很高的純凈度；經適當?shù)臒崽幚砜色@得具有均勻分布的粒狀珠光體球化組織，切削加工性能良好；具有優(yōu)良的淬透性和淬硬性，熱處理后的顯微組織和硬度比較均勻穩(wěn)定；具有較高的接觸疲勞強度和良好的耐磨性；經適當?shù)臒崽幚砜色@得很好的尺寸穩(wěn)定性；并且具有一定的抗腐蝕性能；材料價格比較便宜。到目前為止，高碳鉻合金鋼仍是世界各國普遍用于制造滾動軸承零件的理想材料，其中GCr15和GCr15SiMn兩個鋼號使用最廣泛，在我國這兩個鋼號的用量約占軸承鋼總用量的80%以上。
歷經半個多世紀，到目前為止尚無其他更好的材料取代高碳鉻合金鋼廣泛地應用在滾動軸承制造業(yè)中。對高碳鉻軸承鋼的化學成分組成的認識，世界各國已趨于一致，幾乎無大的變動。但人類仍在不斷地探索提高滾動軸承使用壽命的途徑，研究軸承材料的抗疲勞機理，并已充分地認識到鋼材中的非金屬夾雜物是影響滾動軸承使用壽命的重要因素。近年來，如何改進軸承鋼的冶煉方法、技術和工藝，嚴格控制（檢驗標準、檢測方法）軸承鋼材中的非金屬夾雜物的含量、尺寸大小、形狀、分布和集聚，已成為冶金和機械行業(yè)共同關注和努力的目標。
3 滾動機理與滾動表面材料疲勞剝落
眾所周知，金屬材料在循環(huán)應力的作用下產生不可逆的結構變化，其特征是在這個區(qū)域內材料晶格滑移，進而萌生疲勞裂縫，而且試驗也已證明：滾動軸承的滾動表層材料的晶格的滑移和疲勞剝落與滾動軸承的漢斯考特滑動、雷諾滑動有關[1]。漢斯考特滑動和雷諾滑動在滾動軸承運行中是不可避免的，漢斯考特滑動導致材料表層晶格滑移，實驗證明在深溝球軸承的內套圈的滾動工作表面，在漢斯考特滑動區(qū)域內的強迫滑動運動產生了附加應力，從而導致這個區(qū)域內的材料表層的晶格滑移加重。在雷諾滑動區(qū)域內，表層金屬材料中的非金屬夾雜物的周圍會收到拉伸和壓縮的交變應力，這種交變應力使非金屬夾雜物區(qū)域（也可稱為一個空穴）的彈性能轉變?yōu)樽冃阅芏a生裂縫，裂縫的兩側面反復受到擠壓，裂縫沿主應力方向發(fā)展，最終導致材料的剝落。
4 滾動軸承材料疲勞剝落形式及與材料非金屬夾雜物的關系
4.1 滾動軸承材料疲勞剝落的類型
滾動軸承材料疲勞剝落可分為材料的表面疲勞和表層疲勞兩種。
(1) 材料的表面疲勞
材料表面疲勞的微裂縫起源于材料表面，隨后由表向里，朝材料的表層延伸，最后裂縫又向材料表面擴展，形成材料的剝離。材料的表面疲勞不但與表面的形態(tài)、粗糙度有關，而且與潤滑劑、潤滑條件，特別是與外界異物的入侵及潤滑劑清潔度等直接有關。
(2) 材料的表層疲勞
材料表層疲勞的微裂縫起源于材料表層，隨后由里向外，朝材料的表面延伸和擴展，最后形成材料的剝離。材料的表層疲勞主要與材料表層的形態(tài)結構有關，特別與材料表層的非金屬夾雜物的類型、尺寸大小、形狀、分布和集聚狀態(tài)有關。
4.2 滾動表層下材料的疲勞剝落與材料中非金屬夾雜物的關系
滾動表層下材料的疲勞剝落可分為兩個階段：
(1) 表層下材料晶格的滑移
材料在循環(huán)交變的應力作用下，表層材料會發(fā)生不可逆的結構變化?晶格滑移，經不同的腐蝕方法后晶格滑移會呈現(xiàn)黑色區(qū)域（DEA）或呈現(xiàn)淺白色區(qū)域，即所謂的“白帶”?！鞍讕А迸c材料表面大約呈45°，并相互交錯擴展?！鞍讕А眳^(qū)域內材料局部強度和硬度下降，馬氏體組織發(fā)生塑性變形，明顯衰變。馬氏體周圍出現(xiàn)類似碳化物的區(qū)域，區(qū)域內顏色變化越明顯說明馬氏體晶格滑移越嚴重，晶格滑移的程度與滾動表面的載荷（應力）大小及載荷變換次數(shù)有關，晶格滑移是滾動表層下材料的疲勞剝落的第一階段。
滾動軸承工作表層下材料的疲勞剝落的第一階段占材料疲勞的極大部分的時間，所以控制滾動軸承的載荷、采用合理的潤滑是延長軸承疲勞壽命的有效措施。
(2) 表層下非金屬夾雜物處疲勞裂縫生成和發(fā)展
隨著表層材料晶格滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)和加劇，在表層材料下最大應力區(qū)域中的最薄弱處?一般是材料中非金屬夾雜物處，會出現(xiàn)所謂的“蝶形”（見圖1），碟身呈現(xiàn)黑色（非金屬夾雜物的本體），而裂紋的二側面因相互擠壓而擴展（飛翼的形成），繼而發(fā)生冷作硬化和塑性變形，并進行了新的淬火，所以飛翼呈白色，“蝶形”是沿最大剪切應力方向而產生的。顯微金相分析又證實：微裂紋在“蝶形”的飛翼頂端萌生（見圖2），在外界交變應力的繼續(xù)作用下，微裂紋進一步擴展，最后導致材料剝落，這是滾動表層下材料疲勞剝落的第二階段。
圖1 表層材料下的“蝶形”
微裂紋（1400X）.png)
圖2 “蝶形”的飛翼頂端出現(xiàn)微裂紋（1400X）
5 軸承鋼中非金屬夾雜物的檢測和標準
鋼中的非金屬夾雜物如氧化物（Al2O3），硅酸鹽（鋁酸鈣）等都具有脆性，其對交變應力非常敏感，塑性變形很小或根本不變形，容易在鋼的基體組織之間產生間隔，破壞鋼材的連續(xù)性。并在交變接觸應力的作用下，在間隔處產生應力集中，形成疲勞源，直接破壞了鋼材的連續(xù)性，是部分材料與基體材料分開或脫離。軸承鋼中非金屬夾雜物的存在形態(tài)多種多樣，一般夾雜物含量越多，單顆粒越大，夾雜物離材料表面越近，其對材料疲勞壽命的影響也越大。因此非金屬夾雜物對軸承鋼的疲勞壽命是非常有害的。ISO已將軸承材料的純度以A2系數(shù)列入滾動軸承的使用壽命計算公式之中。
2001年6月1日國家標準《高碳鉻軸承鋼》GB/T18254-2000正式開始實施，這是我國第一個有關真空脫氣精煉軸承鋼的正式國家標準，這不但標志著我國在軸承鋼的冶煉技術和質量控制水平達到或接近國外的先進水平，而且對進一步提高我國軸承鋼材料和軸承產品的質量有很大的促進作用。
6 國內外軸承鋼的生產現(xiàn)狀和產品質量
6.1 國外軸承鋼的生產現(xiàn)狀
20世紀80年代以來，世界上軸承鋼的冶煉技術和生產設備有了很大的改進，軸承鋼產量、質量也有較大幅度的提高。目前為止，無論從軸承鋼的產量、質量，還是技術水平和鋼材在世界市場的占有量，日本都在瑞典、德國、美國及前蘇聯(lián)的前面，處于領先的地位。
6.1.1 普通軸承鑄鋼
(1) 超高功率電弧爐（UHP）的推廣使用
超高功率電弧爐具有改善熱效率、降低電耗和提高生產率的優(yōu)點，特別是爐外精煉技術的應用，電爐只要承擔熔化、脫碳和脫磷的任務，這樣超高功率電弧爐的高產、優(yōu)質、低耗及高效率的優(yōu)越性更加體現(xiàn)出來。目前電弧爐的容量已達150 t（Super – UHP）。
(2) 爐外精煉、真空脫氣技術的不斷提高
近年來真空脫氣技術主要是循環(huán)脫氣（RH）法，即將鋼水在133.332 Pa（1 mm汞柱）的真空條件下脫去鋼中的氫、氧、降低非金屬夾雜物的含量。循環(huán)脫氣（RH）法可有效地防止爐渣的卷入，鋼中的含氧量可降低到8.2 × 10-4% ～ 15 × 10-4%。
爐外精煉（LF）是在鋼包上加油加熱、攪拌和脫氣裝置，在鋼包內完成還原期，形成還原性爐渣，并進行脫氧、脫氫及脫硫等工序。如超高功率電弧爐（UHP）設備應用RH及LF技術，軸承鋼中的含氧量可降低到3 × 10-4% ～ 10 × 10-4%。
(3) 電弧爐的偏心爐底出鋼工藝（有傾爐裝置）和鋼坯的大型化
電弧爐的偏心爐底出鋼工藝（有傾爐裝置）的優(yōu)點是：出鋼時可留渣、鋼流粗、出鋼時間短，可增加鋼流的緊密度，減少鋼液二次氧化的機會，使鋼材中的含氧量進一步下降（平均下降0.4 × 10-4%），可以改善鋼中的非金屬夾雜物的形態(tài)，使B類（氧化物）的細系列和D類（點狀不變形夾雜物）粗系列的夾雜物得到明顯的改善。
6.1.2 連鑄技術的應用（IC）為：鋼水（底鑄法）?鑄坯?鋼材。
連鑄軸承鋼的工藝可以有效地減少鋼材的再加熱過程及熱態(tài)時與空氣接觸的時間，避免了二次氧化，澆注溫度低，如再進一步控制耐材的質量，軸承鋼材的含氧量可以得到更號的控制。
分析表明：連鑄軸承鋼的含氧量在3 × 10-4% ～ 8 × 10-4%的范圍內比普通軸承鋼（IC鋼）低2 × 10-4% ～ 3 × 10-4%，含氧量級別幾乎達到真空電渣重熔鋼的標準，但其成本卻低于真空電渣重熔鋼的成本。
試驗表明：平均含氧量為5.7 × 10-4%的CC鋼軸承的額定中值壽命為12 × 106 ～ 80 × 106轉，而平均含氧量為8.3 × 10-4%的IC鋼軸承的額定中值壽命為7 × 106 ～ 35 × 106轉，CC鋼軸承的額定中值壽命大約是IC鋼軸承的額定中值壽命的兩倍，這是因為CC鋼含氧量降低的同時也有效的降低了對軸承壽命有較大影響的B類氧化物和D類點狀不變形夾雜物的含量。
連鑄軸承鋼不足之處是：在壓縮比較小和無電磁攪拌工藝時，鋼材中會存在碳化物的偏析和芯部帶狀碳化物存在。
鋼包、連鑄坯、鋼錠的大型化及大型加熱設備的使用，保證了軸承鋼材中碳化物的不均勻性，可以很好地控制鋼材表面的脫碳層。
綜上所述，目前國際上最先進的軸承鋼冶煉生產工藝流程是：150 t Super – UHP電弧爐冶煉?偏心爐底出鋼（EBT）?真空脫氣精煉（LF + RH）?大斷面連鑄鋼坯（或巨型鑄錠）。
由于軸承鋼冶煉設備、技術和工藝的發(fā)展，軸承鋼中的含氧量及非金屬夾雜物得到有效的控制，軸承鋼質量有了很大改善，從而使軸承的使用壽命明顯提高。
6.2 國內外軸承鋼的質量差距
6.2.1 軸承鋼的產品實物質量差距
目前我國年差近百萬噸軸承鋼中約50%～60%為真空脫氣鋼，RH及LF法的技術應用也比較熟練，其中上鋼五廠、大冶鋼廠生產的真空脫氣軸承鋼的含氧量絕大部分都在13 × 10-4%一下，其非金屬夾雜物的含量也與國外先進水平相當。上鋼五廠生產的軸承鋼已被一些國外著名的軸承制造廠認可，并已在這些軸承廠在中國開辦的獨資或合資的軸承廠中應用。但總體而言，我國冶煉設備普遍較落后，工藝不穩(wěn)定，產品質量波動較大，導致我國軸承產品使用壽命的離散性較大，與國外先進國家存在的差距主要體現(xiàn)在：連鑄軸承鋼材品種單一、規(guī)格偏小，僅為90mm以下的GCr15軸承鋼，一些重要的軸承產品還要從國外進口，國內能制造的一些重要軸承還需從國外進口軸承鋼材。
我國在1998年連鑄軸承鋼材制品批量投入市場，目前我國連鑄軸承鋼的年產量大約為15萬t左右（以興澄特種鋼鐵有限公司為主），連鑄比達30%。
6.2.2 軸承鋼的化學成分和非金屬夾雜物的檢驗標準上的差距
新國家標準《高碳鉻軸承鋼》GB/T18254-2000是我國第一個有限真空脫氣精煉軸承鋼的正式國家標準。標準根據(jù)我國軸承鋼的實際產品質量水平，并跟蹤國際先進水平，對常用軸承鋼的化學成分和非金屬夾雜物的檢驗作了較嚴密和具體的規(guī)定。標準講究實用性和先進性。但標準中軸承鋼的化學成分和非金屬夾雜物的檢驗標準與國外先進國家還有一定的差距。
(1) 標準是以軸承鋼模鑄的生產形式和實物質量水平為基礎，不能全面反映連鑄軸承鋼的質量水平，而連鑄軸承鋼的生產成本低、純凈度高，是我國軸承鋼生產發(fā)展的方向，因此標準應修正和補充。
(2) 軸承鋼的發(fā)紋的檢驗
日本是軸承鋼生產能力最大和質量最好的國家，其對軸承鋼的品質檢驗有嚴格的要求，除對鋼材的非金屬夾雜物的含量控制外，還要對鋼材進行由外到里的階梯式的發(fā)紋檢查（見表1）。發(fā)紋是一種存在于軸承鋼材的表面或表層下細小裂紋狀的缺陷，其形成的原因是鋼錠表層中的皮下氣泡或非金屬夾雜物，經軋制變形后沿軋制方向呈單一或斷續(xù)分布的細條狀的缺陷。事實證明：軸承鋼材中的發(fā)紋對軸承的產品質量（疲勞壽命）有一定的影響，發(fā)紋的檢查和控制是對鋼材中非金屬夾雜物的另一種有效的檢驗方法。
表1 發(fā)紋數(shù)（JIG 4805 – 1990）
| 發(fā)紋長度，mm | 發(fā)紋數(shù)平均值（每一階梯） |
| ＞0.5 ～ 1.0 | ≤5.0 |
| ＞1.0 ～ 2.0 | ≤1.0 |
| ＞2.0 ～ 4.0 | ≤0.5 |
(3) 非金屬夾雜物含量級別判定標準
我國目前對軸承鋼的非金屬夾雜物的含量的控制標準已達到國際的一般水平，但與一些先進國家相比還有一定的差距（見表2）。
表2 非金屬夾雜物合格級別（不大于）
| 非金屬夾雜物類型 | 細系 | 粗系 | ||
| GB/T18254 | SKF(D33 B10001) | GB/T18254 | SKF (D33 B10001) | |
| 硫化物 | 2.5 | 2.0 | 1.5 | 1.5 |
| 氧化鋁 | 2.0 | 1.5 | 1.0 | 0.5 |
| 硅酸鹽 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
| 點狀不變形夾雜物類 | 1.0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 |
(4) 非金屬夾雜物的檢測方法
我國目前的檢測方法主要是對10 mm × 20 mm的試樣放大100倍，在視野內分別控制細系和粗系的單一類型的非金屬夾雜物的累計總長度。事實上非金屬夾雜物對鋼材的疲勞壽命的影響不但取決于非金屬夾雜物的種類的含量，而且與非金屬夾雜物的尺寸、形狀、集聚及分布有關，因此一些陷阱國家對非金屬夾雜物的檢測標準和方法也有所不同。
由于鋼材中非金屬夾雜物的分布和集聚是復雜的，沒有任何評級圖及標準能夠代表所有不同種類和形狀的夾雜物及其組合形式，目前我國已有了軸承鋼材的非金屬夾雜物的檢驗標準，但還應再吸取國外的先進經驗，擬訂檢驗細則（定義、判斷和說明等），提高標準的可操作性，使標準更加實用，更有利軸承鋼材和軸承產品質量的提高。
(5) 鋼材化學成分的控制
我國GB/T18254-2000對軸承鋼材中的金屬Ti沒有限制，而國外相關標準已對軸承鋼的Ti含量有限制，如：NF A35 – 565 – 1994標準，SKF D33 B10001標準控制全淬硬軸承鋼的Ti含量不大于30 × 10-4%。經對日本NSK和SKF的軸承進行測定，其Ti含量分別在10%和15%左右。軸承鋼中的金屬Ti以氮化鈦形式存在，氮化鈦比一般的氧化物更易偏析，在熱加工時會發(fā)生破碎和彌散，當含Ti量高時鋼材在加工過程中易出現(xiàn)疲勞、裂縫易擴散。
7 結語
滾動軸承在交變應力的條件下運行，不可避免地會因材料的疲勞而失效，而鋼材中的非金屬夾雜物是導致材料表層下疲勞剝落的直接因素，也是影響滾動軸承使用壽命的主要原因。提高軸承鋼的純凈度，采用先進的冶煉設備和技術，穩(wěn)定工藝，嚴格執(zhí)行現(xiàn)行的有關標準，擴大真空脫氣精煉軸承鋼的生產能力，提高軸承鋼的連鑄比，降低鋼材中的非金屬夾雜物是延長滾動軸承使用壽命的一個重要措施。
參考文獻
1 王振華. 實用軸承手冊. 上海：上海科學技術文獻出版社，1996:8.
編輯：任燕
（改稿日期：2003-05-16）
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中國鋼球行業(yè)的前景
4 中國鋼球行業(yè)的前景
高精度軸承鋼球
中國鋼球行業(yè)，通過五十多年的發(fā)展，在全球引起了注目，中國鋼球不僅能為軸承、汽車、家電、機械等配套，而且已作為單獨產品大量出口，據(jù)統(tǒng)計資料反映，2003年我國軸承滾動體（主要是鋼球）出口數(shù)量為27148.7噸，約1600個20英尺的集裝箱，創(chuàng)匯5322.5萬美圓，出口和內銷之和從總量來說，是其他國家可望不可及的，但是又要看到，我國鋼球在出口的同時，又大量從國外進口，據(jù)統(tǒng)計2003年進口量為2630噸，用匯2828.5萬美圓，進口量雖然只是出口量的9.68%，但每噸價值卻是出口的5.49倍，這從另一側面也反應質量要求高的鋼球仍在進口。從中國鋼球行業(yè)的現(xiàn)狀和問題分析，目前，中國可稱鋼球生大國，但不是強國，要成為鋼球強國還有大量工作要做：
⑴全面提高鋼球用料的質量，杜絕劣質或不合格鋼材充入市場。⑵組建若干個具有品牌效應的集團性企業(yè)，有系統(tǒng)管理，有質量水平，有經濟效益，有產品分工?？朔?、散、差的現(xiàn)象，克服惡性、無序的低價競爭。⑶吸取國外成熟經驗，加強行業(yè)管理，使鋼球行業(yè)規(guī)范、公平、公正、健康地發(fā)展。⑷利用鋼球專委會這個行業(yè)組織，進一步組織提高相關配套行業(yè)的產品質量和質量穩(wěn)定性。⑸加強鋼球企業(yè)與軸承企業(yè)的合作，共同研究鋼球對軸承的適用性。⑹技術上要從引進、模仿到創(chuàng)新，把國外的先進技術與中國國情結合起來，走出一條中國式的道路。
相信通過行業(yè)全體同仁的不懈努力，一步一個腳印，隨時找出差距，隨時撥正方向，盡心盡力，全面落實行業(yè)的“十五”規(guī)劃，使中國鋼球制造水平更上一個臺階。
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中國鋼球工業(yè)的現(xiàn)狀和問題
3 中國鋼球工業(yè)的現(xiàn)狀和問題
高精度軸承鋼球
中國鋼球工業(yè)自1948年生產出第一批產品已有56年的歷史，從技術進步和行業(yè)發(fā)展看，改革開放后的發(fā)展是最快的階段，目前我國鋼球行業(yè)已經能生產0.5~200多mm的鋼球，材料以GCr15為主，還大量生產低碳、防磁、防腐蝕、耐高溫、有色金屬、各種陶瓷和非金屬材料球，精度已經能批量生產G1000～G5，產品廣泛用于軸承、工程機械、家用電器、汽車、農業(yè)機械、機床、摩托車、冶金、化工、儀器儀表……，全國鋼球生產點不少于幾百個，其中有上千人的大企業(yè)，也有幾個人的小工廠，有從毛坯到成品獨立加工的，也有只加工某一工序的，形成了一個大企業(yè)周圍分布無數(shù)個小企業(yè)和生產點的大局面，這種局面加快了鋼球行業(yè)的發(fā)展，但也出現(xiàn)了無序的競爭，這種競爭不僅在國內，而且超越了國界，中國已經成為世界上鋼球企業(yè)最多的國家，也是產量最大的國家，但要成為鋼球生產強國還有很多問題需要解決。下面就中國鋼球行業(yè)的現(xiàn)狀和問題作一分析。
3.1原材料方面
制作鋼球的鋼材有很多品種，但實際能供應的品種甚少，有些雖能生產，但量少的無法提供。碳鋼球用的是建筑用材，沒有理想的低碳鋼球用材。軸承鋼的標準從兩部協(xié)議已發(fā)展到GB/T18254-2000，GB/T18254-2001標準，中國終于有了軸承鋼國家標準，通過引進、改進、更新設備，產品質量有了很大的提高，國際上的跨國軸承公司、汽車配件公司已經可以采用或正在對國內鋼材進行認可，上鋼五廠是他們的首選目標，經過加價優(yōu)選的材料無論是氧含量、鈦含量、夾雜物上都有提高，為優(yōu)質鋼球的生產創(chuàng)造了條件，但價格要高于一般產品。從總體上說，我國軸承質量穩(wěn)定性較差，波動大，當市場供大于求時，質量往往會好于供不應求時期。一些信譽度差的鋼廠以次充好，為提高成材率，減少頭部切除長度，或者將被切除部分不該用于鋼球的，因管理不善，混入了鋼球用材，造成鋼球質量后患無窮。鋼材的裂紋仍是鋼球行業(yè)頭痛的事，加工前局部裂紋很難發(fā)現(xiàn)，成球后鋼廠不認帳，這樣增加了鋼球行業(yè)的質量風險和成本。另外，因軸承出現(xiàn)無序競爭，相互壓價，低價競爭，帶來了鋼球的無序競爭，低價競爭，而鋼球又是形狀簡單大批量生產的機械零件，材料在產品成本上占最大的一塊，鋼材的價格和質量對鋼球影響很大，鋼球用材，由于它是全工作面產品，比軸承要求更高，按傳統(tǒng)的要求，用于鋼球的鋼材只能用模鑄工藝生產的，鋼錠的頭部不能用于鋼球。由于受價格因素的驅動，市場上各種劣質鋼材時有出現(xiàn)，個別企業(yè)用國產連鑄鋼材和低價劣質鋼材大膽地用于鋼球，這樣造成了市場的混亂，質量的混亂，這必須引起有關方面重視，使中國鋼球行業(yè)沿著公開、公正、誠信、有序競爭和健康的方向發(fā)展。
3.2 工藝方面
由于改革開放加強了國內企業(yè)與國外企業(yè)的交往，滾動體專委會經常組織有關企業(yè)研討、交流、攻關、考察，使國內鋼球企業(yè)較多地了解到國外情況，促使國內鋼球工藝逐步優(yōu)化，從總體工藝流程來看與國外大同小異。總加工留量上，由于受機床、材料、模具的限制要普遍大于國外。在工藝的實施細節(jié)上，或稱專用技術上各家企業(yè)百花齊放，總體上還有不小差距，規(guī)范性太差，研究深度還不夠。
3.3 輔助材料方面
改革開放以來是鋼球行業(yè)發(fā)展最興旺的時期，也帶動了相關企業(yè)的蓬勃發(fā)展。
砂輪是磨削鋼球的重要工具，原來僅依靠一砂、二砂，質量問題長期得不到解決，無論是耐用度、外觀和外形尺寸幾十年一貫制，引入了競爭機制，幾十年得不到解決的問題，基本得到解決。80年代初引入我國的2000#樹脂砂輪現(xiàn)已實現(xiàn)國產化，但在使用效果上與進口尚有一定差距，4000#樹脂砂輪的攻關工作還在進行中，目前4000#以上的樹脂砂輪尚需進口。
磨板的質量直接影響鋼球的表面質量，經過多次攻關取得一定成效，但由于鑄造行業(yè)變化較大，人員變更也大，技術力量分散，質量穩(wěn)定性仍較差，與國外還是有不小的差距，尤其是精磨板的質量不穩(wěn)定直接會導致鋼球表面質量的不穩(wěn)定。
水溶性、油溶性磨削液是精研和精磨鋼球的重要原料，它們是多種化工原料調和而成，由于我國化工原料品種少、質量波動大，導致磨削效果差異大，最終影響鋼球表面質量的穩(wěn)定性。目前部分企業(yè)還是依靠進口原料，這樣成本也會相對提高不少。
光磨板是銼削球坯用的合金鑄鐵板，自70年代開發(fā)成功至今，生產廠一換再換，專業(yè)人員缺乏，產品能用，但缺少進一步改進提高的能力，與國外相比有不小的差距，具體表現(xiàn)在磨削效率、耐用度、砂眼等問題，它直接影響鋼球的質量和經濟效益。
各種磨料是鋼球生產所必須的輔料，傳統(tǒng)的精研鋼球用的磨料是三氧化二鉻，它在我國是一種化學試劑或工業(yè)純，它的技術指標是化學成分純度的百分比，作為磨料需要的是硬度、粒度、顆粒均勻性、雜質含量和拋光性能等指標，因此使用與生產出現(xiàn)明顯脫節(jié)。在國外，同樣是三氧化二鉻，不同的用途有不同的技術指標，這樣適應性就強。
從以上的砂輪、磨板、磨削液、磨料現(xiàn)狀分析，總體上有很大進步，為我國鋼球技術的發(fā)展作出了貢獻，但離國際先進水平及用戶要求還有很大差距，愿他們繼續(xù)為中國鋼球趕上國際先進水平作出努力。
3.4 企業(yè)管理方面
任何一個企業(yè)真正要上水平，一定要具備兩方面條件：一方面要有嚴格規(guī)范的管理，另一方面要有先進的技術，二者缺一不可。對鋼球生產來說更是如此，鋼球看是簡單，真正做好真不容易！有好的技術能生產出一批或幾批好球，要有穩(wěn)定的質量，沒有有效的管理，穩(wěn)定便成為空話。
改革開放后不但引進了不少鋼球設備、測試儀器，也引進了一些先進理念，甚至一些好的管理方法，好的理念逐步被我們所接受。隨著質量管理體系的廣泛推行，和日常暴露出的一些問題，管理的重要性越來越明顯。我國主要的鋼球企業(yè)，最早的五大廠全是國有企業(yè)，后來發(fā)展到十大廠甚至更多，基本也主要是國有企業(yè)和少量集體企業(yè)，因此這些企業(yè)在書面管理上做得比較到位，實際操作上尚有不足。特別是一些先進的、全新的管理方法推行難度較大。隨著經濟改革的深入，國有企業(yè)和集體企業(yè)正逐步向股份制方向轉換，管理也正逐步去滿足這種轉換。90年代產生的鋼球企業(yè)主要是民營企業(yè)，從企業(yè)數(shù)量上遠遠超過前40年，但總體生產能力仍是前40年的企業(yè)占主導地位，這些民營企業(yè)起步時往往是家屬式的，企業(yè)發(fā)展了，家屬管理模式適應不了生產的需要，原有的管理模式向高一級形式變化。因此這一類企業(yè)的管理只是初級階段的管理?？傊瑖鴥蠕撉蚱髽I(yè)的管理與國外先進企業(yè)相比差距更大，這一方面是因為我們的企業(yè)進入市場經濟時間不長，企業(yè)如何適應市場經濟，摸索適應我國國情的有效管理需要時間，國外一些好的經驗應該借鑒，但也不能全搬，因為無論是人員素質、企業(yè)規(guī)模、產品結構、硬件條件、設備狀況、生產組織形式均不相同，要把國外的經驗與國內實際情況結合起來，才是最有效的。另一方面，鋼球的低價競爭客觀上也影響到企業(yè)在管理上的投入。
3.5 技術標準問題
鋼球的國家標準第一次制定并推行是在1964年，第二次修訂的版本是1977年，第三次修訂是1984年，這三個版本都是原則上部分采用ISO標準，由于當時的工藝水平低，常規(guī)生產無法達到國際標準，按當時的國情，某些項目在ISO標準基礎上作一調整，制定了自己的標準。隨著鋼球技術的發(fā)展和工藝水平的提高，原來執(zhí)行的國標已落后于實際水平，由此制定了新的國家標準，即GB308-89標準，為向國際水平靠攏，新的標準等同采用ISO3290-1975，除了沒有采用英制規(guī)格外，其他已與國際接軌，ISO標準的采用，與國際交往有了共同語言。1998年，國際標準化組織又頒發(fā)了新的鋼球標準，為趕上先進水平，我國等同采用了此標準，頒布了GB308-2002標準，新標準引入了表面不平度和形狀參數(shù)的概念，給出了波紋度的定義，對表面粗糙度定義作一修正，優(yōu)化了球的尺寸，增加了G24、G60，Ra的數(shù)值有所壓縮，這樣真正與國際標準同步了，更有利于中國鋼球發(fā)展，并與世界融為一體。
3.6質量現(xiàn)狀
中國鋼球從材料上分，主要有三大類：一類是低碳鋼，這類材料的產品檔次較低，由于價格原因，原來向日本、臺灣等地采購的都轉入中國大陸，也有一些境外企業(yè)轉移至大陸生產。由于這類產品使用要求低，雖有質量標準，而價格標準更為突出，材料問題、熱處理滲碳問題、壓碎值問題，混球和缺陷球比例過高也許被稱為垃圾球的主要原因。第二類是不銹鋼球，其中有馬氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼球要求要高于奧氏體不銹鋼球，但總體要求會低于軸承鋼，因此質量矛盾也不突出。第三類是軸承鋼鋼球，這類材料在鋼球中占主導地位，在這類鋼球中10mm以下的數(shù)量最多，因此，中國鋼球的技術進步、引進技術的消化、工藝改進、先進技術的采用推廣、總的物力財力的投入在這方面也是最大的。在原機械部組織下，通過“七五”科技攻關和大循環(huán)水劑精研技術的推廣，使中國鋼球進了很大一步，目前國內廣泛采用的就是此成果的基本內容，只要按一定的規(guī)范進行操作，此工藝獲得的鋼球球形誤差、球直徑變動量、表面粗糙度Ra都能得到滿意的效果，基本能達到國外同等水平，甚至更好，但Ry的數(shù)值往往不太理想。在批直徑變動量上，工藝技術上不存在問題，要達到標準也無大礙，但操作和調整不當，個別數(shù)值會偏大，與國外實物質量比會出現(xiàn)一些小問題。尺寸定值上，國內問題較大，同樣的鋼球各家測值結論不一，這與測量方法、儀器、環(huán)境、人的因素都有關。鋼球的壓碎值一般都能達到標準（JB/T1225-2001），但與日本相比均會偏小。鋼球的動態(tài)性能，是低噪音軸承對鋼球的重點要求，“七五”攻關的最終目的就是要鋼球滿足電機軸承配套的需要，從80年代的“七五”攻關至今，鋼球的振動值水平又有新的提高，就振動值數(shù)值來說，已達到相當?shù)乃?，但不足的是?shù)值的離散性一般都要在3dB以上，國外好的水平一般是2dB。隨著無異音軸承的問世，對鋼球的表面提出了更高的要求，不僅要解決缺陷球的漏網(wǎng)，更要解決鋼球表面的各種傷痕，對全工作面的鋼球來說，確實是項艱難的工作，日本采用光電外觀的辦法，但也不能徹底解決此問題，因為儀器檢查有較好的穩(wěn)定性，但靈敏度還是有限的。國內為解決此問題工藝上采用了各種辦法，盡量防止和減少缺陷的漏檢和傷痕的產生，當然光電外觀檢查也是一種不錯的補救措施，目前國內也正在開展這方面的研究，期待早日可以用于生產?？傊瑖鴥蠕撉蛉毕莺捅砻?zhèn)鄣穆z比過去有很大提高，但還滿足不了用戶的要求。
鋼球質量要趕上當代先進的實物質量水平，除了精度、粗糙度、表面質量、動態(tài)性能以外，可靠性和壽命是兩項重要指標，國內鋼球行業(yè)早在九十年代就開始做這方面的工作，當時為了軍用、航空產品的可靠性，把渦流探傷技術成功地用于鋼球制造，接著又把此技術擴展到汽車用鋼球的制造，這一技術的成功，對鋼球的可靠性起著至關重要的作用。由于我國深溝球軸承的大力發(fā)展，某種程度上，對噪音、異音比對可靠性壽命更注重，這是市場的導向，也許是價格的原因，在這種情況下，我國鋼球在選材上和某些工藝環(huán)節(jié)上的差異，導致壽命（噪音壽命、疲勞壽命）差異較大，據(jù)統(tǒng)計，在70年代，國內軸承的損壞有70%是由鋼球所致，近來有所下降，但鋼球仍是軸承中最容易損壞的部分。隨著我國汽車工業(yè)的大發(fā)展，汽車軸承的可靠性直接影響汽車的可靠性，因此軸承的可靠性和壽命必將放在重要地位，我們必須面對這一事實，去認真對待。鋼球的噪音壽命不但需要鋼球行業(yè)去研究，也需要軸承行業(yè)去研究，確切地說是需要雙方共同研究，目標是降低軸承的噪音，提高軸承的壽命乃至疲勞壽命。從軸承鋼鋼球的質量現(xiàn)狀看，進步不小，但發(fā)展仍不平衡，鋼材優(yōu)劣差異大，部分鋼球質量已接近和達到國際先進水平，總體仍有差距，尚需我們繼續(xù)努力。
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中國鋼球制造技術的發(fā)展
2 中國鋼球制造技術的發(fā)展
中國鋼球制造技術的發(fā)展可分為四個階段。
高精度軸承鋼球
第一階段為80年代以前，自50年代哈、瓦、洛全面引入蘇聯(lián)的鋼球制造技術，開創(chuàng)了中國大規(guī)模生產軸承鋼球的歷史，為中國今后鋼球技術的發(fā)展奠定了基礎，直至80年代，在這20多年左右的時期，中國鋼球制造工藝基本是蘇聯(lián)的模式，設備主要以蘇聯(lián)和仿制蘇聯(lián)的為主，也有德國的和仿制德國的，進入60年代上海機床廠開始與上海鋼球廠共同開發(fā)了第一批全國產化的3M4630磨球機，上海第三機床廠大批仿制了西德SMS公司的SMS72鋼球研磨機。在70年代最大的技術改進是試驗、研究光磨工藝，當時四川金堂軸承廠引進了羅馬尼亞鋼球磨加工設備，引起了瓦房店、上海有關同行的重視，在軸承局領導的關心支持下，開展了對二塊合金鑄板鐵加工鋼球的研究，兩地鋼球廠利用各自的優(yōu)勢與鑄造方面的合作、試驗成功了用于鋼球銼削加工的光磨板，在老設備改進試驗成功后，設計制造了光磨機，這一工藝的突破大大降低了鋼球毛坯加工的成本，提高了銼削加工的表面質量和精度。這一突破更重要的是給人們一個啟示：技術是需要不斷發(fā)展的，有發(fā)展才有質量和效益。
第二階段為1981～1985年，即“六五”計劃期間，由于中國軸承的質量特別是噪聲，明顯落后于國外，軸承無法出口，電機要更換國外軸承才能出口，有關考察團出國考察，一個結論性的意見是：電機軸承必須進行合套振動試驗，鋼球必須采用G10，用精研技術替代拋光工藝。為此軸承局組織了全國有關鋼球廠工程技術人員，論證制訂了G10鋼球攻關課題，該項目由上海鋼球廠和湖北鋼球廠共同承擔，用大循環(huán)超精研工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拋光工藝，提高鋼球的表面質量和球形精度，淘汰了拋光工藝，使鋼球質量上了一個新的水平，用合套方法達到了當時軸承低噪音的配套要求，并受到部的嘉獎。此成果在行業(yè)中得到廣泛推廣，在此同時，為加快軸承和鋼球技術的發(fā)展，盡快跟上國際水平，上海軸承公司加緊與國外軸承公司的聯(lián)系、互訪、洽談，并于1985年1月派出了第一批考察人員赴日本NTN研修鋼球制造技術，為全面掌握國際上先進的生產技術和管理經驗，早日趕上國際水平創(chuàng)造了條件。
第三階段為1986～1990年，即“七五”期間，這個階段國內多家鋼球廠先后從西德、日本引進了設備，有引進德國JUS公司整條鋼球生產線，日本NTN整條鋼球生產線，德國SMS整條生產線，也有選擇性引進設備和儀器，這些設備和儀器包括高速鋼球冷鐓機、熱處理生產線、磨球機、研球機、各種清洗機、涂油包裝機、鋼球振動儀、AVIKO鋼球檢查儀、輪廓儀、鋼球強化機等，并先后向國外派出了考察和研修人員。為盡快把中國鋼球搞上去，滿足軸承對鋼球的要求，機械工業(yè)部組織了全國有關鋼球廠的工程技術人員研究引進技術，并結合本國國情制定了G5鋼球攻關課題，它包括引進設備消化，工藝技術提高，產品質量提高到整個鋼球制造技術水平的提高，攻關課題由上海鋼球廠和青島鋼球廠承擔，經過G5鋼球課題攻關后，從而得到以下結論：
⑴高速冷鐓機實現(xiàn)國產化，提高生產效率，提高毛坯精度。⑵根據(jù)國情，改造滾動式加熱爐，推行氣氛保護加熱，解決鋼球表面氧化脫碳，提高了熱處理質量，為壓縮鋼球留量創(chuàng)造條件。⑶開發(fā)鋼球強化機，對鋼球進行強化處理，并引進強化工藝研究，以有效提高鋼球疲勞壽命。⑷磨球機大砂輪自動修整技術的研究和應用，改善了勞動環(huán)境，確保了機床精度，提高了鋼球質量。⑸引入2000#樹脂砂輪，成功地應用于初磨工序，大大改善了環(huán)境，提高了產品質量。⑹水溶性精研液在鋼球超精加工上的應用，進一步提高了鋼球的表面質量。⑺單粒鋼球測振儀的國產化，對全面控制鋼球成品的動態(tài)性能起著重要作用。所以通過G5鋼球攻關，使我國鋼球制造裝備、工藝技術上了一個臺階，鋼球的加工留量減少，生產效率的提高，鋼球的表面質量有了進一步改善，對軸承噪音的影響進一步降低。機械部對G5鋼球攻關驗收后，召開了兩次G5鋼球攻關經驗交流會，把此成果向全行業(yè)推廣，此成果獲得了機械部科技進步二等獎。除此之外，鋼球渦流檢測技術也獲成功，并在行業(yè)中推廣，此項目國家科技進步三等獎。面對大批老設備，如何與先進的技術結合，進行設備改造，在這一時期的一些老企業(yè)中，均獲得較理想的效果，既解決了一時的投資困難，又較快獲得實用效果。因此，這個階段可以說是有史以來鋼球技術進步最快的時期，與國際先進水平的距離明顯地拉近了。
第四階段為1991年以后，在G5攻關、大批引進技術、設備、儀器的基礎上，中國鋼球的制造技術得到了明顯提高，鋼球生產量也得到明顯的擴大，中國軸承的大發(fā)展，帶動了鋼球的大發(fā)展，鋼球的大發(fā)展帶動了相關行業(yè)的大發(fā)展，專業(yè)化程度越來越強，門類越來越細，搞設備的、砂輪的、磨板的、磨料的、磨削液的、修整器的、搞油劑的、搞球坯的……，他們已各自自成體系，形成了轟轟烈烈的局面，這對促進鋼球水平的提高極有好處。通過“八五”、“九五”的努力，在相關技術的國產化上做了大量工作，一些依賴進口的，已逐步實現(xiàn)了國產化，鋼球制造工藝又有新的發(fā)展，特別是日本于90年代初獲得成功，用于批量生產的超細樹脂砂輪鋼球精磨技術，上海自97年初開始組織工藝攻關，化了三年時間獲得成功，為中國鋼球制造工藝增添了光輝的一頁。鋼球技術的進步是有目共睹的，目前的生產量為世界第一，但總體質量水平與國際先進水平相比仍有不少差距，1997年機械部在青島組織了《全國鋼球質量上臺階攻關會》，有關領導根據(jù)行業(yè)的現(xiàn)狀指出，中國鋼球的問題不是數(shù)量，提高質量是振興中國民族工業(yè)的重點，目標要瞄準當今國際最先進水平。從此，吹響了中國鋼球向國際最先進水平奮進的號角。我們應該有充分的信心和決心，通過持續(xù)努力，中國的鋼球質量水平一定可以在國際舞臺上立于不敗之地。
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]]>我國鋼球制造技術現(xiàn)狀與展望（一）
歷史的回顧
中國軸承工業(yè)協(xié)會技術委員會二次委員全體會議暨技術工作會議 , 2004
1 歷史的回顧
高精度軸承鋼球
1883年，德國FAG制造出世界上第一臺磨球機，它的外型盡管是那么的原始，結構盡管是那么的簡單，大小盡管是那么的不起眼，但它的誕生開創(chuàng)了人類鋼球制造的先河，至今已有121年的歷史。
在當時半封建半殖民地的中國，沒有自己的軸承工業(yè)，抗日戰(zhàn)爭期間，NTN為適應軍械的維修，在東北鐵路沿線——瓦房店建立了一家軸承工廠（瓦軸前身），為控制當時中國的軸承生產技術，所用的鋼球由日本生產，運來中國進行裝配。1948年，當時的瓦房店已經解放，瓦房店軸承廠的金德元、宋世發(fā)等人決心改變中國不能生產鋼球的落后局面，在無技術，無圖紙的情況下，自己動手制造土設備，用鐵棒磨成針的精神，把圓柱體磨成了球體，造出了中國第一粒鋼球，開創(chuàng)了中國鋼球生產的歷史。
解放后在中央政府盡快恢復國民經濟的思想指導下，國家為建立新中國的工業(yè)體系，建立了一批大型骨干企業(yè)，作為冶金、農機、化工、汽車、拖拉機、機床、軍工行業(yè)不可缺少的重要配件——軸承，無可非議地被列入該行列，瓦軸首先被列入重點發(fā)展企業(yè)。后來因為抗美援朝的需要，建立了哈軸總廠，瓦軸和哈軸先后從蘇聯(lián)引進了鋼球制造設備，派出了龔兆良、李世亮等人赴蘇學習，同時引進了蘇聯(lián)的鋼球制造技術和管理方式。50年代籌建洛陽軸承廠（包括鋼球車間）被列為蘇聯(lián)對華援建的156個重點項目之一，整個工廠全部由蘇聯(lián)援建。哈、瓦、洛的建成標志著中國鋼球制造步入了系統(tǒng)化、規(guī)?；⒐I(yè)化生產，由于受條件限制和蘇聯(lián)生產模式移植的影響，當初軸承企業(yè)從套圈、滾動體、保持架直到裝配所有工序全部由一家企業(yè)完成，鋼球是軸承的重要配件，為滿足企業(yè)的配套需要，哈、瓦、洛軸承廠在蘇聯(lián)專家的幫助下先后建立了自己的鋼球分廠或鋼球車間，開始大批量生產鋼球，并培養(yǎng)了一批鋼球制造的骨干力量，可以說哈、瓦、洛就是中國鋼球的發(fā)源地。三個工廠所采用的工藝和加工設備基本一致，其工藝和設備為：
冷鐓（A-148、др-5、A-142、A-141）→；銼球（Mщ-32）→軟磨（Mщ-33）→熱處理（Б-30，Б-70自制空氣回火爐）→硬磨（Mщ-33）→研磨（Mщ-33，Bщ-22）→拋光（傾斜式串桶）→分選（Aщ類分選機）→人工外觀→涂油包裝。
微小型鋼球工藝流程：
成型→銼削→軟串（臥式串桶）→軟研→熱處理→硬研→拋光→人工外觀→分選→涂油包裝
當時鋼球生產無國家標準，采用的是蘇聯(lián)ГOCT3722標準，精度級別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（相當于現(xiàn)在的G10，G20，G40），實際生產水平是95%以上為Ⅲ級，只有極少量產品為Ⅱ級，用上述工藝無法生產Ⅰ級。對一些軍工產品有特別要求，只能在最終增加一道單溝精研的方法，來滿足精度要求，但這種方法工藝過程繁瑣，生產效率低，各溝槽的尺寸差異大，生產成本高。
1957年上海為發(fā)展軸承工業(yè)，籌建了上海鋼珠廠（64年改為上海鋼球廠）得到哈軸、瓦軸的無私幫助，哈軸提供了全部鋼球工藝資料和設備圖紙，在上海市機械局組織下，上海機床廠、上海第三機床廠、上海電爐廠、上海群英機械廠等給予大力支持，在最短的時間內完成了各種鋼球設備的制造任務，確保了1958年上海鋼珠廠的正式投產，由此誕生了中國第一家鋼球制造的專業(yè)廠家，從此邁出了鋼球設備國產化的第一步。同年，相繼誕生了青島鋼球廠、沈陽鋼球廠，60年代又出現(xiàn)了湖北鋼球廠、重慶鋼球廠，當時被稱為中國五大鋼球廠。70年代開辦了岳陽鋼球廠（湖南鋼球廠），80～90年代成立了河南鋼球廠、如皋鋼球廠、東阿鋼球廠、三峽鋼球廠，到了90年代初已發(fā)展到中國鋼球十大專業(yè)廠家。除此之外，徐州迴轉支承廠、中山軸承廠都新建鋼球分廠。這支隊伍的迅速壯大使中國鋼球制造業(yè)越來越引起世界的關注。
隨著改革開放，中國的軸承工業(yè)得到飛速的發(fā)展，特別是外資的引進和私有資本的加入，加速了中國軸承工業(yè)的發(fā)展，作為軸承的重要配件——鋼球，也和軸承一起跨入了生產大國的行列。
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]]>鋼球的幾何精度及表面質量對軸承振動值的影響分析
機械工程師 2002.5
姜海彬 哈爾濱軸承集團公司，黑龍江 哈爾濱 150036
摘要：分別就軸承鋼球的精度缺陷和表面質量缺陷對軸承振動值的影響進行了分析，為進一步解決軸承振動噪聲問題奠定了基礎。
關鍵詞：波紋度；不圓度；表面完整性；振動值
中圖分類號：TH133.33??? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1002-2333（2002）05-0045-01
1 前言
在組成軸承的三大部件當中，套圈滾道和滾動體的幾何精度、表面質量對降低軸承的振動噪聲起著決定性的作用。在低噪音軸承中，對軸承鋼球的幾何精度和表面質量的要求比對套圈滾道的要求要高出一級。因此，提高軸承鋼球的幾何精度和表面質量是降低軸承振動噪聲的主要途徑。本文僅就鋼球的質量對軸承的振動噪聲的影響進行分析探討。
2 鋼球的幾何精度對鋼球單體振動值的影響
鋼球的幾何精度也叫球形精度，具體包括鋼球表面波紋度、棱圓度和批直徑變動量。
（1）鋼球表面波紋度反映了球表面在微觀上波峰波谷起伏不定的程度，起伏太大，將使鋼球的球形精度變差，在宏觀上的直接反映便是鋼球的單體振動值增大，而鋼球單體振動值的上升將直接造成合套后軸承整體振動噪聲的提高。試驗表明：隨著規(guī)格的不同，裝套軸承的單體振動值上升1 dB, 合套后軸承的振動噪聲要相應上升1~5 dB.
（2）鋼球的棱圓度又叫不圓度，書面叫法為球形誤差。不圓度大的鋼球，其單體振動值就高，最終合套后軸承的振動噪聲也高。
（3）鋼球的批直徑變動量是指同一批加工的鋼球當中，球與球之間由于參與研磨循環(huán)的次數(shù)不同而產生的直徑上的微小差異。在軸承滾道中均勻分布的各粒鋼球，隨著內套的高速轉動而承受著周期性的負荷，如果這時滾道中的各粒鋼球之間直徑上存在著哪怕是微小的差異，都會在軸承的內外套之間產生明顯的振動，這一點，在平時手感檢測軸承的振動時便會感受的到。
3 鋼球的表面完整性對鋼球單體振動值的影響
鋼球的表面完整性，亦即通常所說的鋼球的表面缺陷程度、表面粗糙度及其分布均勻程度和表面硬度均勻程度等三方面狀況的重要技術指標是影響鋼球動態(tài)性能的主要因素之一。
鋼球的表面質量缺陷是指在鋼球的加工過程中，由于設備精度、原材料質量、工裝調整等方面原因產生的表面上局部的極細微的材料缺損。按其形態(tài)的不同，可分為點子、群點、劃條和擦傷等四類。點子即鋼球表面上的點狀缺損；群點指鋼球表面上某處緊密聚集在一起的若干點狀缺損；劃條是指鋼球表面上隨機分布的長短不一的細直線狀缺損；擦傷則是指鋼球表面上一組排列方向一致的短細直線狀缺損。研究表明：在目前的加工條件下，鋼球表面質量缺陷是不可避免的，只是輕重程度不同而已。比如，表面上點子缺陷程度嚴重的鋼球，其單體振動值比沒有點子缺陷的鋼球要高出3 dB；表面上劃條較重的鋼球，其單體振動值要比表面基本無劃條的鋼球高出2 dB左右；而表面擦傷較重的鋼球，其單體振動值要比無擦傷的鋼球高出4 dB左右。而具有這三種較重表面缺陷的鋼球分別裝套后的軸承，他們的振動噪聲則比對照組的軸承（用基本沒有這三種表面缺陷的鋼球裝配的軸承）高出很多；有點子缺陷的，高出3.9 dB；有擦傷缺陷的，高出4.7 dB；有劃條缺陷的，高出2.5 dB。
通過上述分析，我們從原理上基本弄清了該如何從工藝上改進鋼球的動態(tài)性能以最終解決合套后軸承的振動噪聲問題。
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]]>鋼球影響軸承振動噪聲探討
《中國新技術新產品》2012期 No. 13
白廣春
（哈爾濱軸承配件公司，黑龍江 哈爾濱 150000）
摘要：隨著我國軸承行業(yè)制造技術的不斷進步，生產低噪音無異音軸承已成為各專業(yè)軸承廠家不斷努力攻關、追求的目標。本文對鋼球影響軸承噪聲的主要因素進行了分析，并從鋼球加工機床、加工工藝、磨料磨盤、清洗防護等方面提出了降低鋼球振動與噪聲的對策。
關鍵詞：鋼球；振動；軸承
中圖分類號：TK730.3+22
大型高精度軸承鋼球
隨著我國軸承行業(yè)制造技術的不斷進步，生產低噪音無異音軸承已成為各專業(yè)軸承廠家不斷努力攻關、追求的目標。影響軸承的因素是多方面的。鋼球對軸承的振動噪聲等性能的影響更是舉足輕重?，F(xiàn)對鋼球影響軸承振動、噪聲的主要因素分析如下：
1 鋼球影響軸承振動噪聲的主要因素
1.1 鋼球表面質量
鋼球的表面質量是軸承振動、噪聲、異音產生的根本原因。大量試驗研究表明：外圈滾道表面、內溝滾道表面、鋼球表面對軸承振動、噪聲、異音產生的影響比率為1:3:10，鋼球的表面缺陷如劃傷、群點、凹坑、單點、擦傷、小平頂?shù)热毕?，缺陷較大較深時則引起軸承合套振動值高并產生噪聲；當缺陷較小較淺時，軸承合套振動值低，有時產生軸承異音。鋼球表面質量較大較深的缺陷形式為深擦傷、粗大劃條、粗大麥穗粒、群點、凹坑、小平頂?shù)?。鋼球表面質量引起軸承產生的噪聲及異音無周期性。此時產生的聲音為刺耳的間歇和連續(xù)的低頻聲。
1.2 鋼球的球形誤差
鋼球的球形誤差主要影響軸承的低頻振動和噪聲。根據(jù)鋼球的成圓運動的規(guī)律和磨料、磨盤參與切削的隨機性，鋼球由一次一次的有效切削重迭而逐步接近理想球體，而鋼球球形誤差受鋼球來料的原始精度、機床主軸精度與振動、磨盤溝R弧與鋼球的吻合度，磨盤溝R弧深度的不一致、磨料的不均勻性、不穩(wěn)定性及人員操作的不穩(wěn)定性等影響，鋼球的球形誤差存在較大差異。鋼球的超精研加工工工藝留量過大或鋼球來料原始精度較差時，鋼球與磨盤溝R弧的不吻合度和磨削量越大，鋼球與盤溝R弧的變形量越大，鋼球的球形誤差就越大，鋼球的球形誤差越大，則軸承產生的低頻振動和噪聲越大。
1.3 鋼球的表面粗糙度、波紋度
鋼球表面的粗糙度使軸承產生符合頻率異音，表面波紋度則影響軸承產生高頻的振動和噪聲。鋼球的表面粗糙度、波紋度與鋼球加工的工藝及加工條件直接相關。當鋼球的表面粗糙度較小時，其對軸承的振動、噪聲的影響不明顯。當鋼球的表面粗糙度Ra≤0.01 μm，Ry≤0.1 μm以內時，軸承合套基本無異音，效果較好。鋼球表面波紋度的密集程度基本均勻一致時，則鋼球合套振動噪聲平穩(wěn)，基本無異音。鋼球波紋度的密區(qū)比疏區(qū)更易引起軸承產生異音。
1.4 鋼球表面的清潔度
鋼球表面不潔凈或粘有較小的異物時易導致軸承合套產生噪音和異音。鋼球表面不潔凈或粘有較小雜質將使軸承合套后，如同鋼球表面存在較大的表面缺陷一樣，導致軸承產生無周期性的噪聲和異音。
2 減少鋼球影響軸承的噪聲異音的對策
2.1 提高鋼球加工機床的剛性與精度
鋼球加工機床的剛性與精度對鋼球的球形誤差、表面粗糙度、波紋度等質量指標有直接的影響，要科學地提高機床的剛性，采取積極隔振、吸振措施，吸收機床大部分振動能量。同時提高機床主軸傳動齒輪、軸承及裝配的精度等級，保證機床的加工精度，為鋼球合套后減振降噪提供基礎保證。機床裝盤后磨盤的徑向跳動控制在0.02 mm以內，軸向跳動控制在0.03 mm以內為佳。
2.2 科學制定鋼球加工工藝
科學合理的加工工藝參數(shù)和流程是鋼球合套后減振降噪的重要保證。鋼球加工生產中積極采用行業(yè)新工藝、新技術對鋼球合套后減振降噪有明顯的作用，如采用鋼球表面強化處理工藝、熱處理自動線加工、樹脂砂輪磨研工藝等。特別是采用鋼球表面強化處理工藝對鋼球減振降噪有明顯改善。鋼球經表面強化處理后，鋼球表面產生一層硬的變質層，其表面硬度比基體金屬硬度提高2 – 3 HRC，明顯增強鋼球表面抗碰撞和康摩擦能力，有利于提高鋼球表面質量，鋼球耐磨性可提高1.5 – 2倍，鋼球合套后振動值可降低4-6 Db 同時因鋼球抗碰撞和抗摩擦能力提高，鋼球合套后噪聲也明顯好轉。另一方面，鋼球超精前的來料質量要從嚴控制，其質量精度要達到或接近國際G16級等級標準。超精加工量要小，一般控制在1-2 μm以內，保證鋼球獲得較理想的球形誤差、表面粗糙度、波紋度等。
2.3 從嚴控制磨料、磨盤等加工條件
磨料是鋼球研磨加工的主要介質，鋼球在磨料的作用下進行微量切削，最終達到理想的加工精度。磨料一般要經過竄制、沉淀后選取潔凈、均勻的磨料，保證了大部分磨料顆粒在0.5 μm以下，超精研加工時，使鋼球獲得較好的表面質量、表面粗糙度、波紋度等，對鋼球合套后減振降噪可達到較理想的效果。
磨盤在超精過程中承擔著鑲嵌磨料的研磨載體作用。選用組織細密均勻，硬度適合，無砂眼、氣孔、硬質點，同時有良好鑲嵌性能的磨盤，是盤溝R弧與鋼球成型加工中，保證每粒鋼球的每個面均勻切削的前提。磨盤硬度一般控制在HB170-210范圍，鋼球規(guī)格小時選擇硬度相對較硬的磨盤為佳，鋼球規(guī)格較大時選擇硬度相對較軟的磨盤。
2.4 合理調整出球量，保證盤溝R弧深度一致
合理調整機床進出球量，保盤溝R弧深度一致，是鋼球獲得較理想的球形誤差及表面質量的關鍵。立式機床在進出球方面，通過調整進出球球口，可基本保證單位時間內進入溝道接受磨削的鋼球數(shù)與溝道中心徑長成正比，即盤溝R弧的深度可基本保持一致。同時立式機床根據(jù)機床特性，出球時完全靠后面的鋼球擠碰而進入料盤，不可避免的出現(xiàn)鋼球在出球口停留的時間及鋼球交換有明顯差異，使鋼球的質量精度一致性有較大差異，因此立式機床加工鋼球要減振降噪，保證盤溝R弧深度一致的重點是，保證鋼球在出球口處的順利及充分交換。
臥式機床在進出球方面，單位時間內進入每條溝道中接受磨削的鋼球數(shù)基本相等，即單位時間內每溝磨削掉的鋼球屑重量基本相等，而內溝比外溝溝徑短，因此內溝易比外溝磨的深。最內溝與最外溝溝深差異最大。而在出球口方面，被加工的鋼球在收球刀板的引導下順利流入料盤。同時料盤每轉一圈，料盤內外鋼球交換一次。因此臥式機床加工鋼球要減振降噪，保證盤溝R弧深度一致的重點是，保證鋼球在進球口處根據(jù)盤溝的長短調整鋼球量與之成正比，同時可適當減少盤溝數(shù)，以減少最內溝與最外溝之間的長度差。
根據(jù)立式機床與臥式機床的特點，在合理調整鋼球進出球量，保證盤溝R弧深度一致外，在加工鋼球規(guī)格上，立式機床比較適合加工較小規(guī)格鋼球，臥式機床比較適合加工較大規(guī)格鋼球。
2.5 鋼球下球后的清洗及防護
鋼球經加工檢驗合格后，在清洗及防護方面是較易忽視的問題。鋼球加工完畢后其表面質量及幾何精度較高，極易在外力及雜質的破壞下造成精度下降。因此，在鋼球清洗過程中要保證環(huán)境清潔、少灰塵。在與鋼球接觸處采用軟質材料隔離，并清洗干凈。在搬運及運輸過程中輕拿輕放，防止碰撞及擠壓，可有效保持鋼球精度質量，減少鋼球合套后對軸承的振動噪聲影響。
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]]>熱處理和殘余應力對鋼球滾動疲勞壽命的影響
《熱處理》2016年第31卷 第3期
阿野亮介1，藤井正浩2，大崎浩志1
(1．(株)天遷鋼球製作所技術開發(fā)部，日本；2．岡山大學大學院自然科學研究科，日本)
摘要：滾動軸承是一種重要的機械零件，是工業(yè)和人們日常生活的基礎。要求軸承圈和滾動元件的接觸面具有很高的承受周期性載荷的穩(wěn)定性。對于深溝滾珠軸承這樣的滾動軸承，其滾珠廣泛采用高碳鉻軸承鋼(JIS SUJ2)制作。筆者研發(fā)了可靠性較高的鋼球材料，弄清了與滾動疲勞有關的特性的影響。本文采用熱處理工藝(淬火和回火)、噴丸及制造工藝不同的各種鋼球，研究了熱處理和噴丸處理產生的殘余應力對滾動疲勞壽命的影響，從而弄清了硬度和組織對鋼球滾動疲勞壽命的影響，獲得了最合適的熱處理工藝。此外還弄清了噴丸產生的殘余應力會縮短鋼球的疲勞壽命，提出了最佳的殘余應力分布。
關鍵詞：滾動軸承；鋼球；疲勞壽命；熱處理；殘余應力；噴丸
中圖分類號：TG162.7?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-1690(2016)03-0043-06
Influence of Heat Treatment and Residual Stress on Rolling Fatigue of Steel Ball
Ryousuke AN01, Masahiro FUJII2, Hiroshi OHSAKI1
(1. Technology Development Department，Amatsuji Steel Ball Mfg. Co., Ltd., Japan; 2. The Graduate School Science and Technology, Japan)
Abstract: Rolling bearing is an important machine element on which industry and people’s daily life are based. The contact surface of beating rings and rolling elements are expected to have high reliability against repeated load. As the material for steel balls used for rolling bearing such as a deep groove ball beating, high carbon—chromium steel for bearing(JIS suJ2)is widely used. The authors have developed materials used for bearing ball to gain higher reliability, and have clarified the effect of characteristics associated with the rolling fatigue. In this paper the influence of heat treatment and residual stress formed by peening process on rolling fatigue life is investigated with various steel balls prepared by various heat treatment (hardening and tempering), peening and manufacturing processes. Consequently, the effect of hardness and microstructure on the rolling fatigue life of the steel ball was clarified, and the most appropriate heat treatment practice was derived. Also, it was clarified that the residual stress developed during peening will shorten the fatigue life of steel ball，an optimum residual stress distribution being proposed.
Key words: rolling bearing; steel ball; fatigue life; heat treatment; residual stress; peening
0 引言
滾動軸承是一種與工業(yè)生產和人們日常生活密切相關的重要機械零件，其結構元件(滾動體和軸承圈滾道)的接觸面承受周期性載荷，故要求具有很高的運行可靠性。對于深溝滾珠軸承這樣的滾動軸承，其滾珠(鋼球)廣泛采用高碳鉻軸承鋼SUJ2制作。
目前，為了提高軸承的可靠性，人們進行了有關新鋼球材料的研發(fā)。具體地說，就是在SUJ2鋼的基礎上添加Si和Mo，以提高回火抗力和馬氏體強度。關于這一點，有關文獻已經做過介紹。但是，這種鋼球用的材料價格昂貴，難以推廣應用。所以迄今鋼球行業(yè)仍廣泛采用SUJ2鋼。
本文研究了熱處理和噴丸處理產生的殘余應力對SUJ2鋼制鋼球可靠性以及滾動疲勞壽命的影響。盡管熱處理工藝的最佳化以及殘余應力對疲勞壽命的影響，業(yè)內已作了較多的研究，但關于殘留應力，不僅是其數(shù)值大小，同時也涉及噴丸處理前后磨削量的變化對應力分布的影響，這些都有詳細探究的必要。
本文采用動載荷壽命試驗機，評定了經不同工藝熱處理、噴丸強化以及噴丸處理前后磨削量不同的SUJ2鋼制鋼球的疲勞壽命。
1 材料和試驗方法
1.1 材料
圖1 試驗用鋼的純凈度
Fig.1 Cleanliness of test material
如上所述，試驗用鋼球材料為SUJ2鋼，其化學成分列于表1。眾所周知，滾動軸承的剝落主要發(fā)生在滾動體與滾道的接觸面，系以氧化物類的非金屬類夾雜物為起點。為此，長期以來，人們一直致力于降低鋼中氧含量的研究。本文選用的鋼球材料系含氧量為5 X 10-6的低氧鋼。圖1表示采用極值統(tǒng)計法獲得的試驗用鋼的純凈度評價結果。
表1 試驗用材料的化學成分(質量分數(shù), ％)
Table 1 Chemical compositions of test material(mass fraction, ％)
| 試驗用材 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | O | Ti |
| SUJ2鋼 | 1.00 | 0.22 | 0.31 | 0.017 | 0.006 | 0.06 | 1.42 | 0.02 | 0.09 | 0.0005 | 0.0017 |
為了研究熱處理工藝和殘余應力對鋼球滾動疲勞壽命的影響，盡可能排除純凈度的影響，采用高純凈度的材料極為重要。由圖1可以看出，本文研究用鋼的純凈度優(yōu)于鋼球常用材料(試樣A和B)，而且試驗用鋼球全部用同一冶煉爐號的線材制作。
1.2 試驗鋼球
圖2 噴丸機示意圖
Fig.2 Schematic diagram of peening machine
鋼球制造時通常先將購入的線材切割成一定長度的坯料，然后用半球形沖模冷沖成球形，這時在模具的間隙中將形成飛邊，隨后的工藝是去除飛邊，再進行熱處理(淬火和回火)，使鋼球具備適當?shù)膹姸?。接著進行磨削和超精加工，還須進行噴丸處理。
所謂噴丸處理，就是將鋼球裝入滾筒內，使鋼球因攪拌作用而相互撞擊，借此防止之后在搬運及裝配時表面產生劃痕。
圖2為試驗鋼球強化處理所用設備的簡圖。在向帶有葉輪的滾筒中裝入鋼球后，滾筒本身的回轉就能攪拌鋼球。同時，由于滾筒內設置了葉輪，它與滾筒逆向旋轉，可提高鋼球之間的沖擊速度。也就是說，變更滾筒和葉輪的旋轉速度以及處理時間，就可以使鋼球產生不同大小的殘余壓應力。
圖3 鋼球噴丸處理與壓痕深度之間的關系
Fig．3 Relationship between peening and depth of indentation
圖3表示經和未經噴丸處理的鋼球，在不同的外加接觸應力作用下，在接觸部位形成的壓痕深度。由圖3可知，經過噴丸處理的鋼球壓痕明顯變淺，可見噴丸處理是抑制壓痕深度的極為有效的措施。而且如圖3所示，噴丸處理的有效性表現(xiàn)在實際鋼球在裝配中極高的壓應力所造成的后果。日常生產中，雖然鋼球裝配中產生的壓痕非常淺，對滾動疲勞
壽命也無明顯影響，但其對滾動軸承的噪聲卻有極其嚴重的影響。
本文試驗用鋼球的熱處理及噴丸處理工藝參數(shù)列于表2。如表2所示，試樣(a～i)只進行不同工藝的熱處理，不進行噴丸處理
表2 鋼球試樣的熱處理和噴丸工藝參數(shù)
Table 2 Heat treatment and peening conditions of sample balls
| 試樣 | a | b | c | d | e | f | g | h | i | j | k | l | m | n | o |
| 淬火溫度/K | 1103 | 1133 | 1163 | 1133 | |||||||||||
| 回火溫度/K | 403 | 433 | 463 | 403 | 433 | 463 | 403 | 433 | 463 | 433 | |||||
| 滾筒轉速 /?(r/min) | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 60 | |||||
|
葉輪轉速 /?(r/min) |
– | – | – | – | – | – | – | – | – | 200 | 300 | 500 | 200 | 300 | 500 |
| 噴丸時間 / min | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 90 | 120 | 120 | 90 | 120 | 120 |
| 殘余應力位置 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 鋼球內部 | 鋼球表面 | ||||
試樣(a)～(c)、(d)～(f)、(g)～(i)的淬火溫度分別為1 103 K、1 133 K和1 163 K；回火溫度，試樣(a)、(d)、(g)為403 K，(b)、(e)、(h)為433 K，(c)、(f)、(i)為463 K。如此變更熱處理工藝參數(shù)，例如試樣(a)、(b)、(c)可以在相同淬火溫度(1 103 K)條件下試驗回火溫度(分別為403 K、433 K、463 K)對鋼球滾動疲勞壽命的影響。同理，試樣(a)、(d)、(g)則可以用來試驗在403 K回火條件下，不同淬火溫度(1 103 K、1 133 K、1 163 K)對鋼球滾動疲勞壽命的影響。
圖4 試樣(j)～(o)中的殘余應力分布曲線
Fig.4 Residual stress curves of sample(j)～(o)
此外，將試樣(j)～(o)設定淬火溫度為1 133 K，回火溫度統(tǒng)一為433 K，改變噴丸處理工藝，用來研究殘余應力的影響。試樣(j)～(o)的噴丸處理工藝為：滾筒轉速60 r/min，改變葉輪轉速和處理時間，使噴丸處理產生的殘余應力發(fā)生變化。殘余壓應力值的大小排序為：
試樣(j)、(m)<試樣(k)、(／1)<試樣(1)、(O)
試樣(j)、(in)，試樣(k)、(n)以及試樣(1)、(0)
則是噴丸工藝相同，改變噴丸處理前后的磨削量，目的是研究成品鋼球的應力分布狀態(tài)。在噴丸處理時，殘余應力不是在鋼球的表面而是在表面以下部位形成的，其峰值處于試樣(j)、(k)、(1)和(m)、(n)、(o)三者在試驗完成時最接近表面的部位。
圖4表示試樣(j)～(o)中的殘余應力分布，是在鋼球表面電解拋光之后用x射線衍射法測定的。試樣(j)～(o)是熱處理工藝相同時的殘余應力分布狀態(tài)。此外，圖4中還表示出了下文提到的試樣(j)的殘余應力影響區(qū)Sσ。
還須說明，試驗用鋼球的原材料線徑為6.5 mm，鋼球的成品尺寸為9.53 mm。
1.3 試驗方法
圖5 動載式軸承試驗裝置
Fig.5 Dynamic load type bearing test rig
圖6 動載曲線
Fig.6 Curve of dynamic load
采用如圖5所示的普田型交變載荷疲勞試驗機進行鋼球滾動疲勞壽命試驗，表3和圖6表示試驗條件以及交變載荷的波形。在深溝滾珠軸承運行中僅承受徑向載荷，軸承內也存在非負載區(qū)，此區(qū)域中鋼球自轉中心變化率極高，為此內外套和鋼球的循環(huán)應力作用會導致體積增加，鋼球的壽命將比套圈長。而在本文試驗條件下，鋼球先發(fā)生剝落，但其機制尚不明確。
表3 動載式滾動接觸疲勞試驗條件
Table 3 Conditions of dynamic load type rolling contact fatigue test
| 軸承試樣 | 6206 |
| 載荷 / kN | 11.8 ± 7.8 |
| 軸承轉速 / (r/min) | 2 000 |
| 潤滑劑 | 軸承潤滑油 (ISO-VG8) |
| 最大赫茲接觸應力 / GPa | 4.8 (在19.6 kN下) |
再者，如果在鋼球剝落前內外套已經剝落，則更換內外套繼續(xù)試驗，至1 000 h時中斷試驗。本文試驗是針對鋼球，下面的維泊爾(Weibull)分布圖可以用來分析鋼球的疲勞壽命。
圖7 典型的試樣剝落形貌
Fig.7 Representative morphology of the sample flaking
圖7為試驗中剝落鋼球的典型外觀形態(tài)。試驗中，潤滑幾乎是彈性流體動力潤滑(EHL)狀態(tài)。一旦鋼球內部發(fā)生開裂，在循環(huán)應力的作用下，裂紋會迅速擴展導致剝落，表現(xiàn)為典型的滾動疲勞損傷。試驗中，鋼球剝落的深度為0.5～1.0 mm，也有部分超過1.0 mm的深度剝落損傷。此外，疲勞壽命短的試樣(h)和(i)的剝落都非常淺，不到0.5 mm。
2 試驗結果
2.1 熱處理工藝對鋼球滾動疲勞壽命的影響
圖8 試樣(a)～(i)滾動疲勞壽命的維泊爾分布圖
Fig.8 Weibull plots of rolling fatigue lives of sample(a)～(i)
圖9 圖8的L10壽命
Fig.9 L10 lives of figure 8
為了研究熱處理工藝對鋼球滾動疲勞壽命的影響，采用經表2所列工藝熱處理的鋼球試樣(a)～(i)進行了滾動疲勞試驗，試驗結果(維泊爾分布圖)如圖8所示。圖8的L10壽命匯總于圖9。圖9表明，熱處理工藝對鋼球滾動疲勞壽命有很大的影響。不同溫度淬火，回火溫度低的鋼球的疲勞壽命均較高。此外，1 103 K淬火的鋼球和1 133 K淬火的鋼球相比，淬火溫度較高的鋼球疲勞壽命較高。1 163 K淬火的鋼球，即使回火溫度也高，但其滾動疲勞壽命仍最短，可見淬火溫度的選用極為關鍵。
下面根據(jù)經不同工藝熱處理后鋼球的疲勞壽命試驗結果，詳細論述組織和x射線衍射分析結果。
2.2 殘余應力對鋼球滾動疲勞壽命的影響
圖10 試樣(j)～(o)滾動疲勞壽命的維泊爾分布圖
Fig.10 Weibull plots of rolling fatigue lives of sample (j)～(o)
圖11 圖10的L10壽命
Fig.11 Ll0 lives of figure 10
為了研究殘余應力對鋼球滾動疲勞壽命的影響，采用經表2所列工藝熱處理的鋼球試樣(i)～(o)進行了滾動疲勞壽命試驗，結果(維泊爾分布圖)如圖10所示。將圖l0的L10壽命匯總于圖11，圖11的橫座標s 對應于圖4中試樣(j)的Sσ(j)是試驗鋼球的殘余應力分布(近似曲線)與殘余應力σ=0的鏈軸所圍繞的面積，表示承受殘余應力的區(qū)域，同時表示出了各試驗鋼球的Sσ與Sσ(j)的比值。
由圖11可見，殘余壓應力最大的部位如果從試樣(j)～(l)的內部擴展到試樣(m)～(o)的表面附近，即噴丸處理產生的殘余應力的施加區(qū)域Sσ越大，鋼球的滾動疲勞壽命就越短。此外，盡管熱處理工藝相同，如鋼球(1)呈現(xiàn)出最短疲勞壽命那樣，在試驗鋼球內部如存在殘余應力峰值，則其疲勞壽命會更低。
3 考察分析
3.1 熱處理工藝對鋼球疲勞壽命的影響
圖12 試樣(a)～(i)的硬度、FWHM和殘留奧氏體量
Fig.12 Hardness, FWHM and retained austenite of sample (a)～(i)
圖12表示試樣(a)～ (i)的硬度、用X射線衍射測定的半最大值全寬度(FWHM)及殘留奧氏體含量(以下簡稱殘奧量)，其中FWHM和殘奧量是在試驗鋼球距表面100 μm、200 μm和300 μm深度處測定結果的平均值。
此外，圖13為試樣(a)、(d)、(g)的殘留碳化物面積率及原奧氏體晶粒的平均尺寸。殘留碳化物的面積率、奧氏體晶粒的平均尺寸與淬火溫度有關，分別從1 103 K、1 133 K和1 163 K淬火的試樣(a)、(d)和(g)的研究結果證實了這一點。
由圖12可知，隨著回火溫度的升高，鋼球的硬度均下降。但是，從1 133 K淬火的試樣(d)、(e)和(f)的FWHM最大，這也與鋼球的高硬度相對應。另外，隨著淬火溫度的升高，作為軟組織的殘留奧氏體的數(shù)量也隨之增加，當其含量為10％～20％時對試驗鋼球的硬度值影響較小。再看圖13，淬火溫度升高，殘留碳化物的面積率減少，固溶效果增強，原奧氏體晶粒的平均粒徑則增大。
圖13 試樣(a)、(d)和(g)的碳化物面積和奧氏體晶粒尺寸
Fig.13 Area of carbide and austenite grain size of sample (a), (d), (g)
如上所述，在研究熱處理工藝對鋼球滾動疲勞壽命的影響方面，鋼球的硬度是很容易通過改變熱處理工藝(淬火溫度、回火溫度)來調整的。但鋼球的硬度不是影響其滾動疲勞壽命的唯一因素。圖12中，硬度同為64 HRC的試樣(b)、(e)和(h)，如圖9所示其L 。壽命卻相差100倍之多。這表明用硬度不能足以評價鋼球的疲勞壽命。
鋼球的滾動疲勞壽命還受到以殘留碳化物面積率為指標的馬氏體含碳量、原奧氏體晶粒的平均尺寸及FWHM等因素的影響。
考慮到以上因素，圖13中淬火溫度同為1 133 K的試樣(d)、(e)和(f)，其馬氏體中固溶的碳含量與原奧氏體晶粒的大小有最佳的平衡。結果就有了如圖l2所示的最高的硬度和最大的FWHM。因此，就獲得了如圖9所示鋼球的最佳滾動疲勞壽命。
另外，關于回火溫度的影響，對圖9中試樣(d)、(e)和(f)進行比較可知，回火溫度越低，鋼球的滾動疲勞壽命越長。但是回火溫度過低會導致鋼球磨削開裂，應避免回火溫度過低。試樣(J)～(O)的最佳熱處理工藝為：淬火溫度1 133 K，回火溫度433 K。
3.2 殘余壓應力對鋼球疲勞壽命的影響
如圖4所示，曾通過改變噴丸處理工藝及其處理前后的磨削量來得到殘余應力值及其分布狀態(tài)不同的鋼球。
圖14 試樣(j)～(o)的FWHM曲線
Fig.14 FWHM curves of sample (j)～(o)
圖14表示試樣(J)～(o)采用X射線衍射測定的FWHM分布。噴丸處理時由于鋼球之問的碰撞，鋼球內部形成殘余壓應力，致使其FWHM下降。
再者，關于S(FWHM)，如圖14中試樣(j)對應的SFWHM(j)，試驗鋼球的FWHM分布（近似曲線）與FWHM=700 degree的縱軸圍成的面積，為FWHM減少的區(qū)域。各試驗鋼球的SFWHM與SFWHM(j)類同。由于滾動疲勞致使FWHM下降，噴丸處理使鋼球內部形成殘余壓應力，同時使FWHM下降，結果是鋼球相當于承受滾動疲勞。
同時，將圖9中未進行噴丸處理的試樣(e)的L10壽命相對照，熱處理工藝相同的圖11的試樣(j)～(o)的L10壽命都非常短。主要原因是，噴丸處理產生的壓應力會縮短滾動疲勞壽命，并且殘余壓力的施力區(qū)Sσ與FWHM的減少區(qū)域SFWHM值也隨噴丸處理前后研磨量而變化，在1.2節(jié)中述及的以抑制壓痕產生為主要目的的噴丸強化，如果考察其對滾動疲勞壽命的影響，則應該具有試樣(m)～ (o)應力分布狀態(tài)。
本文著眼于研究容易檢測的鋼球表層的殘余壓應力(切線方向)，檢測結果中考慮了電解磨削引起殘余應力重新分布的影響。此外，尚未定量反映鋼球內部的殘余拉應力。但是，由于是與鋼球表層的殘余壓應力(切線方向)相平衡的，如鋼球內部(剝落深度附近)產生殘余拉應力(徑向)，鋼球表層切線方向的殘余壓應力越大，鋼球內部(徑向)的殘余拉應力也將越大。對于鋼球內部的剝落損傷而言，徑向的殘余拉應力是不能忽視的。本文僅討論了鋼球表面層殘余壓應力對滾動疲勞壽命的影響，也間接反映了鋼球內部殘余拉應力的影響。
4 結論
(1)熱處理工藝影響鋼球的滾動疲勞壽命。在硬度值相同的情況下，如果馬氏體中的含碳量和原奧氏體晶粒尺寸不同，其滾動疲勞壽命也大不相同。
(2)為使鋼球獲得良好的滾動疲勞壽命，熱處理時，必須保證鋼球在淬火溫度下，奧氏體晶粒既不粗化又能使鋼球淬火后馬氏體中有適度的含碳量。同時，回火溫度的設定應以半最大值全寬度(FWHM)不過分下降為宜。
(3)鋼球的滾動疲勞壽命受殘余應力施力區(qū)大小的影響。該區(qū)域越大，F(xiàn)WHM越低，滾動疲勞壽命越短
(本文由江蘇LCD軸承研究所股份有限公司黃培高級工程師根據(jù)日文資料編譯)
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]]>原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響
蔣沂萍
（山東大學，山東 濟南 250061）
《軸承》2002年第8期
摘要：敘述GCr15軸承鋼中表面缺陷，低倍組織缺陷及顯微組織缺陷對鋼的各種性能的影響，進而影響到用GCr15鋼制造的軸承鋼球質量，從而加速軸承鋼球的破壞，縮短軸承鋼球壽命。
關鍵詞：軸承鋼，軸承鋼球，鋼球，缺陷，分析
中圖分類號：TH117.2? 文獻標識碼：B? 文章編號：1000-3762(2002)08-0036-04
軸承鋼球是球軸承中承載載荷的滾動體，是球軸承中最關鍵的零件之一。根據(jù)軸承類型和用途，制造滾動軸承零配件的材料，一般有高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、耐高溫軸承鋼和中碳耐沖擊軸承鋼等幾大類，其中高碳鉻軸承鋼中的GCr15鋼用量最大，也是世界滾動軸承生產中用量最大和歷史悠久的鋼種。由于原材料質量對軸承使用壽命和性能有重大影響，軸承鋼球的質量在很大程度上取決于鋼材的質量，所以生產投料前必須對每批鋼材按照技術標準要求進行驗收，分析原材料的化學成份和金相組織，檢查原材料的硬度和表面質量，了解原材料缺陷特征、形成原因及其對性能的影響。就目前情況看，軸承鋼球失效除運轉條件之外，主要受原材料表面缺陷、低倍組織缺陷和顯微組織缺陷的影響，本文擬對生產最常用的GCr15鋼的常見原材料缺陷及對鋼球質量的影響作簡要分析。
1 原材料表面缺陷
高碳鉻軸承鋼材料的表面缺陷主要有裂紋、拆疊、劃傷、夾雜、氧化皮和銹蝕，如圖1。如果原材料存在上述其中任何一種現(xiàn)象就會使得軸承鋼球出現(xiàn)裂紋、口子、大眼、小眼及群點等缺陷，如圖2、圖3。
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖1
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖2
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖3
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖4
在裂紋處制成橫向金相試樣，則可見到裂紋呈拆迭狀，中間有灰黑色的氧化皮，周圍白色為純鐵體脫碳層及貧碳組織，裂紋兩側有明顯的脫碳現(xiàn)象，見圖4。如果裂紋較淺，在加工過程中其裂紋連同脫貧碳層全部被磨去，則對軸承鋼球的質量沒有影響，如果僅將裂紋磨去，而裂紋底部的脫貧碳組織未被全部清除而保留下來，淬火串光后，可看到表面有一條與材料裂紋相對應的所謂貧碳線，該處硬度比正常值低，嚴重時為不合格品。
由于原材料表面折疊（圖5）和氧化皮（圖6）的出現(xiàn)，破壞了鋼基體的連續(xù)性，鋼球成形前去不掉時，鋼球表層就等于裂紋，淬火時就容易開裂，如圖7。
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖5
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖6
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖7
2 低倍組織缺陷
借助肉眼和30倍以下的放大鏡觀察到的缺陷稱低倍組織缺陷，低倍組織缺陷有偏析、縮孔殘余、疏松、氣泡、白點粗大、非金屬夾雜物、發(fā)紋和顯微空隙等。這些缺陷的存在將會使鋼材在冷熱塑性變形時以熱處理過程產生裂紋，導致鋼球使用中早期失效。
我國標準規(guī)定鋼材必須無縮孔、皮下氣泡、白點和顯微孔等。中心疏松不得超過1.5級，一般疏松根據(jù)鋼材直徑不得超過1 ~ 2級，偏析不得超過2級等。
2.1 偏析
偏析系鋼中化學成分不均勻現(xiàn)象的總稱，存偏析的鋼球，經酸浸后其橫截面上明顯可看到兩個色澤不同的區(qū)域。偏析會使鋼球塑性、韌性下降，力學性能變壞，易產生應力集中、疲勞破壞，影響軸承鋼球使用壽命。
2.2 縮孔殘余
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖8
由于鋼錠在開坯時，縮孔未切盡，致使軋制時沿軋制方向延伸而形成縮孔殘余，縮孔殘余缺陷鋼球中極為常見，往往出現(xiàn)在鋼球兩極上，如果將鋼球壓開斷口，即可看到斷口上由于鋼球沖壓變形造成的彎曲狀黑色條紋，此種缺陷即為材料縮孔殘余缺陷，有該缺陷的鋼球淬火后出現(xiàn)淬火裂紋，如圖8。
2.3 疏松
疏松反映了鋼材組織的不致密性，使力學性能顯著下降，淬火時易產生裂紋。疏松經熱酸蝕呈現(xiàn)暗黑色小點和孔隙，冷墩鋼球時條鋼的中心部被擠壓到鋼球表面上形成徑向分布的兩極區(qū)。若兩極區(qū)的面積較大，且疏松較嚴重，則兩極區(qū)產生早期疲勞剝落的概率就會急劇增加。
2.4 氣泡
氣泡是鋼液中含有過量的氣體，凝固時未能逸出，在鋼內形成的空隙。氣泡的存在減少了鋼材的有效截面，并易產生應力集中，大大降低了鋼材強度。
2.5 白點
白點一般認為是在冶煉時鋼中存有一定量的氫氣，在鍛軋時冷卻較快，來不及擴散，逸出而聚集鋼中，造成很大內應力，形成了許多細微裂紋，破壞了鋼的連續(xù)性，有白點的材料絕對不能使用。因為白點缺陷可使縱向延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性急劇下降，有白點的軸承鋼球容易在淬火時開裂。
2.6 粗大夾雜物
粗大夾雜物，澆注時被凝固在鋼錠內的熔渣剝落到鋼液中，以及澆注系統(tǒng)內壁的耐火材料未能浮出而造成的。這種缺陷易造成應力集中，加速疲勞剝落，使鋼球提前損壞。
2.7 發(fā)紋
發(fā)紋是由鋼中的非金屬夾雜物和氣體形成的，是一種在材料表面或表皮下層貌似毛發(fā)的細小裂紋狀缺陷，如果鋼球上有嚴重的發(fā)紋缺陷，使用過程中容易在缺陷處疲勞剝落，影響使用壽命。
3 顯微組織缺陷
借助放大100倍以上的顯微鏡觀察到的組織缺陷稱顯微組織缺陷。鉻軸承鋼的顯微缺陷包括非金屬夾雜物、碳化物不均勻性和退火組織脫貧碳等。
3.1 非金屬夾雜物
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖9
軸承鋼中非金屬夾雜物的類型有脆性夾雜物（指氧化物如FeO、Al2O3、MNO、SiO2等）、塑性夾雜物（指鋼中硫化物FeS、MnS等）及點狀不變形夾雜物（指硅酸鹽，如酸亞鐵、硅酸亞錳等），合格級別見表1。軸承鋼中的非金屬夾雜物不僅對加工表面的粗糙度產生不利影響，而且由于它破壞了鋼的連續(xù)性和降低了鋼的致密度，在應力的作用下形成應力集中，導致裂紋的發(fā)生并加速裂紋的擴展，見圖9（硅酸鹽夾雜物）。
表1 ?軸承鋼中非金屬夾雜物合格級別
| 規(guī)格及狀態(tài) | 脆性夾雜物 | 塑性夾雜物 | 點狀不變形夾雜物 |
| 級別不下于 | |||
| ≤30 mm的冷拉及退火材料 | 2 | 2.5 | 2.5 |
| 30 ~ 60 mm的退貨材料及≤60 mm不退貨材料 | 3 | 3 | 3 |
| ＞60 mm | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
3.2 碳化物不均勻性
碳化物顆粒的大小、形狀和分布，僅對加工性能產生影響，同時對軸承壽命也有著重要影響，軸承鋼中碳化物的不均勻是以碳化物液析、帶狀、網(wǎng)狀以及粒狀碳化物中大塊碳化物增多和彌散程度改變等形式來體現(xiàn)。
碳化物的不均勻分布，將會導致淬火組織的不均勻，從而引起較大的殘余應力。這種殘余應力和工作應力疊加，容易在低強度的區(qū)域內形成疲勞源，并沿碳化物與馬氏體的界面產生剝落。而且不規(guī)則的顆粒較大的碳化物還會使材料的沖擊值顯著下降。作為富鉻區(qū)在長期的交變應力作用下，將會沿晶界析出新的碳化物而引起晶界脆化，同樣會降低材料強度。
碳化物不均勻性在軸承鋼中是受限制的允許存在。一般鋼球用材要求：碳化物液析不得大于1 級，碳化物帶狀不得大于2級，碳化物網(wǎng)狀不得大于2.5級，碳化物帶狀對鋼球制造工藝和壽命影響較大。
3.3 脫貧碳
原材料缺陷對軸承鋼球質量的影響 – 圖10
脫貧碳是指鋼材表面含碳量低于標準規(guī)定的含量，用這種材料冷沖鋼球后，脫貧碳層遺留在鋼球“兩級”與“赤道”之間“環(huán)帶”區(qū)域內。因鋼球“兩級”是原材料的橫向切斷面，“赤道”是鋼球冷沖時上下模擠壓出來的凸邊余料，光球時被去掉，所以“兩極”與“赤道”不會留有原材料脫貧碳層，只有“環(huán)帶”區(qū)域才保留有原材料超出標準的脫碳層，見圖10，這種鋼球淬火后的“環(huán)帶”區(qū)域的低碳（或貧碳）馬氏體組織，沒有或很少剩余碳化物顆粒，使硬度降低，嚴重時不合格，而“兩極”與“赤道”處的組織與硬度正常。由于同一鋼球不同區(qū)域存在著顯微組織與性能差異，除硬度達不到技術要求外，由于軸承鋼球本身硬度均勻，加工過程磨損程度不同，使成品鋼球的圓度尺寸、粗糙度等技術指標，達不到工藝要求，用這種鋼球裝配的軸承，容易在“環(huán)帶”區(qū)域磨損與脫皮，影響軸承使用壽命。
總之，軸承鋼材內部極微小的缺陷金屬?不連續(xù)性、組織不均勻性、化學成分不均勻性等都會加速鋼球的破壞，縮短鋼球壽命。因此，在鋼球生產中，為了保證鋼球質量又能合理利用鋼材，必須對原材料可能出現(xiàn)的各種缺陷進行研究，制定對策，以使影響軸承壽命的鋼球處于最佳狀態(tài)，確保軸承鋼球達到相應的技術要求和使用壽命。
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