蔣沂萍
（山東大學(xué)，山東 濟(jì)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(duì)鋼的各種性能的影響，進(jìn)而影響到用GCr15鋼制造的軸承鋼球質(zhì)量，從而加速軸承鋼球的破壞，縮短軸承鋼球壽命。
關(guān)鍵詞：軸承鋼，軸承鋼球，鋼球，缺陷，分析
中圖分類號(hào)：TH117.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1000-3762(2002)08-0036-04

軸承鋼球是球軸承中承載載荷的滾動(dòng)體，是球軸承中最關(guān)鍵的零件之一。根據(jù)軸承類型和用途，制造滾動(dòng)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(dòng)軸承生產(chǎn)中用量最大和歷史悠久的鋼種。由于原材料質(zhì)量對(duì)軸承使用壽命和性能有重大影響，軸承鋼球的質(zhì)量在很大程度上取決于鋼材的質(zhì)量，所以生產(chǎn)投料前必須對(duì)每批鋼材按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行驗(yàn)收，分析原材料的化學(xué)成份和金相組織，檢查原材料的硬度和表面質(zhì)量，了解原材料缺陷特征、形成原因及其對(duì)性能的影響。就目前情況看，軸承鋼球失效除運(yùn)轉(zhuǎn)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(duì)生產(chǎn)最常用的GCr15鋼的常見(jiàn)原材料缺陷及對(duì)鋼球質(zhì)量的影響作簡(jiǎn)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(huì)使得軸承鋼球出現(xiàn)裂紋、口子、大眼、小眼及群點(diǎn)等缺陷，如圖2、圖3。

在裂紋處制成橫向金相試樣，則可見(jiàn)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(cè)有明顯的脫碳現(xiàn)象，見(jiàn)圖4。如果裂紋較淺，在加工過(guò)程中其裂紋連同脫貧碳層全部被磨去，則對(duì)軸承鋼球的質(zhì)量沒(méi)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(lái)，淬火串光后，可看到表面有一條與材料裂紋相對(duì)應(yīng)的所謂貧碳線，該處硬度比正常值低，嚴(yán)重時(shí)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(shí)，鋼球表層就等于裂紋，淬火時(shí)就容易開(kāi)裂，如圖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(diǎn)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(huì)使鋼材在冷熱塑性變形時(shí)以熱處理過(guò)程產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致鋼球使用中早期失效。

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼材必須無(wú)縮孔、皮下氣泡、白點(diǎn)和顯微孔等。中心疏松不得超過(guò)1.5級(jí)，一般疏松根據(jù)鋼材直徑不得超過(guò)1 ~ 2級(jí)，偏析不得超過(guò)2級(jí)等。

2.1 偏析

偏析系鋼中化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的總稱，存偏析的鋼球，經(jīng)酸浸后其橫截面上明顯可看到兩個(gè)色澤不同的區(qū)域。偏析會(huì)使鋼球塑性、韌性下降，力學(xué)性能變壞，易產(chǎn)生應(yīng)力集中、疲勞破壞，影響軸承鋼球使用壽命。

2.2 縮孔殘余

由于鋼錠在開(kāi)坯時(shí)，縮孔未切盡，致使軋制時(shí)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(jiàn)，往往出現(xiàn)在鋼球兩極上，如果將鋼球壓開(kāi)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(xué)性能顯著下降，淬火時(shí)易產(chǎn)生裂紋。疏松經(jīng)熱酸蝕呈現(xiàn)暗黑色小點(diǎn)和孔隙，冷墩鋼球時(shí)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(yán)重，則兩極區(qū)產(chǎn)生早期疲勞剝落的概率就會(huì)急劇增加。

2.4 氣泡

氣泡是鋼液中含有過(guò)量的氣體，凝固時(shí)未能逸出，在鋼內(nèi)形成的空隙。氣泡的存在減少了鋼材的有效截面，并易產(chǎn)生應(yīng)力集中，大大降低了鋼材強(qiáng)度。

2.5 白點(diǎn)

白點(diǎn)一般認(rèn)為是在冶煉時(shí)鋼中存有一定量的氫氣，在鍛軋時(shí)冷卻較快，來(lái)不及擴(kuò)散，逸出而聚集鋼中，造成很大內(nèi)應(yīng)力，形成了許多細(xì)微裂紋，破壞了鋼的連續(xù)性，有白點(diǎn)的材料絕對(duì)不能使用。因?yàn)榘c(diǎn)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(diǎn)的軸承鋼球容易在淬火時(shí)開(kāi)裂。

2.6 粗大夾雜物

粗大夾雜物，澆注時(shí)被凝固在鋼錠內(nèi)的熔渣剝落到鋼液中，以及澆注系統(tǒng)內(nèi)壁的耐火材料未能浮出而造成的。這種缺陷易造成應(yīng)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(xì)小裂紋狀缺陷，如果鋼球上有嚴(yán)重的發(fā)紋缺陷，使用過(guò)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

軸承鋼中非金屬夾雜物的類型有脆性?shī)A雜物（指氧化物如FeO、Al₂O₃、MNO、SiO₂等）、塑性?shī)A雜物（指鋼中硫化物FeS、MnS等）及點(diǎn)狀不變形夾雜物（指硅酸鹽，如酸亞鐵、硅酸亞錳等），合格級(jí)別見(jiàn)表1。軸承鋼中的非金屬夾雜物不僅對(duì)加工表面的粗糙度產(chǎn)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(yīng)力的作用下形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋的發(fā)生并加速裂紋的擴(kuò)展，見(jiàn)圖9（硅酸鹽夾雜物）。

表1 ?軸承鋼中非金屬夾雜物合格級(jí)別

規(guī)格及狀態(tài)	脆性?shī)A雜物	塑性?shī)A雜物	點(diǎn)狀不變形夾雜物
	級(jí)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(duì)加工性能產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)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(lái)體現(xiàn)。

碳化物的不均勻分布，將會(huì)導(dǎo)致淬火組織的不均勻，從而引起較大的殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加，容易在低強(qiáng)度的區(qū)域內(nèi)形成疲勞源，并沿碳化物與馬氏體的界面產(chǎn)生剝落。而且不規(guī)則的顆粒較大的碳化物還會(huì)使材料的沖擊值顯著下降。作為富鉻區(qū)在長(zhǎng)期的交變應(yīng)力作用下，將會(huì)沿晶界析出新的碳化物而引起晶界脆化，同樣會(huì)降低材料強(qiáng)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(jí)，碳化物帶狀不得大于2級(jí)，碳化物網(wǎng)狀不得大于2.5級(jí)，碳化物帶狀對(duì)鋼球制造工藝和壽命影響較大。

3.3 脫貧碳

脫貧碳是指鋼材表面含碳量低于標(biāo)準(zhǔn)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(jí)”與“赤道”之間“環(huán)帶”區(qū)域內(nèi)。因鋼球“兩級(jí)”是原材料的橫向切斷面，“赤道”是鋼球冷沖時(shí)上下模擠壓出來(lái)的凸邊余料，光球時(shí)被去掉，所以“兩極”與“赤道”不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)的脫碳層，見(jiàn)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(méi)有或很少剩余碳化物顆粒，使硬度降低，嚴(yán)重時(shí)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(dá)不到技術(shù)要求外，由于軸承鋼球本身硬度均勻，加工過(guò)程磨損程度不同，使成品鋼球的圓度尺寸、粗糙度等技術(shù)指標(biāo)，達(dá)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(nèi)部極微小的缺陷金屬?不連續(xù)性、組織不均勻性、化學(xué)成分不均勻性等都會(huì)加速鋼球的破壞，縮短鋼球壽命。因此，在鋼球生產(chǎn)中，為了保證鋼球質(zhì)量又能合理利用鋼材，必須對(duì)原材料可能出現(xiàn)的各種缺陷進(jìn)行研究，制定對(duì)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(dá)到相應(yīng)的技術(shù)要求和使用壽命。