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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)的軸承，這不但反映了我國軸承和軸承鋼的生產(chǎn)能力與先進工業(yè)國有差距，而且在軸承和軸承鋼的產(chǎn)品質(zhì)量上也同樣存在一定的差距。就軸承產(chǎn)品質(zhì)量而言，我國軸承鋼的產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)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(zhuǎn)動、擺動和直線運動）。在軸承內(nèi)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(nèi)（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(nèi)（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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)均質(zhì)性及質(zhì)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)生不可逆的結(jié)構變化，其特征是在這個區(qū)域內(nèi)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(nèi)套圈的滾動工作表面，在漢斯考特滑動區(qū)域內(nèi)的強迫滑動運動產(chǎn)生了附加應力，從而導致這個區(qū)域內(nèi)的材料表層的晶格滑移加重。在雷諾滑動區(qū)域內(nèi)，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(zhuǎn)變?yōu)樽冃阅芏a(chǎn)生裂縫，裂縫的兩側(cè)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(jié)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(jié)構變化?晶格滑移，經(jīng)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(nèi)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(nèi)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(cè)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(chǎn)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。

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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)品的質(zhì)量有很大的促進作用。

6 國內(nèi)外軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀和產(chǎn)品質(zhì)量

6.1 國外軸承鋼的生產(chǎn)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(chǎn)設備有了很大的改進，軸承鋼產(chǎn)量、質(zhì)量也有較大幅度的提高。目前為止，無論從軸承鋼的產(chǎn)量、質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、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(nèi)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(zhì)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(nèi)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)，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(chǎn)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(zhì)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(nèi)外軸承鋼的質(zhì)量差距

6.2.1 軸承鋼的產(chǎn)品實物質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量波動較大，導致我國軸承產(chǎn)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(chǎn)品還要從國外進口，國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)形式和實物質(zhì)量水平為基礎，不能全面反映連鑄軸承鋼的質(zhì)量水平，而連鑄軸承鋼的生產(chǎn)成本低、純凈度高，是我國軸承鋼生產(chǎn)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(chǎn)能力最大和質(zhì)量最好的國家，其對軸承鋼的品質(zhì)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(jīng)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(chǎn)品質(zhì)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(nèi)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(jīng)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(chǎn)品質(zhì)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(jīng)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(jié)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(chǎn)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?？茖W技術文獻出版社，1996:8.

編輯：任燕

（改稿日期：2003-05-16）