【正文】 的有害程度 但值得注意：硫與氧相似，它也只能代表鋼中硫化物夾雜的數(shù)量，不能代表其尺寸和分布。這是由于鋼中硫化物含量較低，絕不意味著大顆粒夾雜物完全消失，因?yàn)殇撛谀踢^程中，夾雜物存在著聚集、長(zhǎng)大的條件。特別是硫化物夾雜，由于它容易產(chǎn)生偏析，其尺寸的大小與鋼錠的重量、鋼液的澆鑄溫度更為密切。例如日本山陽(yáng)特殊鋼公司已將鋼中的硫含量降到了很低的程度(％)，但它的硫化物級(jí)別并不很低?，F(xiàn)在有些特殊用鋼，為了有利于切削加工，要求鋼中含有一定數(shù)量的硫(~％)，同時(shí)要求其硫化物細(xì)小分散，級(jí)別要低。因?yàn)橐纳其撝辛蚧锏某叽绾头植?，使其變得?xì)小分散，必須注意凝固條件，應(yīng)盡量將澆鑄溫度降低，以減少硫化物偏析。鈣在軸承鋼中主要是以鋁酸鈣、硅鋁酸鈣、硫化鈣等形式存在。這種夾雜物與其它夾雜物不同，熱加工時(shí)既不變形，也不會(huì)破碎。在球狀?yuàn)A雜兩側(cè)經(jīng)?？梢钥吹健翱籽ā?，此處較易造成應(yīng)力裂紋。在氧含量很低的軸承鋼中，鈣可部分替代硫化錳中的錳。富鈣硫化物的韌性很差，同氧化物相似，起產(chǎn)生裂紋的作用。含CaO的點(diǎn)狀?yuàn)A雜物經(jīng)常是軸承鋼產(chǎn)生裂紋的源泉，佩特爾森(Peterson)根椐點(diǎn)狀?yuàn)A雜就是裂紋的假設(shè)。提出了下列疲勞極限與夾雜尺寸的關(guān)系式： (1)式中：SN：疲勞極限，MN/m2； Rm：材料的抗拉強(qiáng)度，MN/m2； a： 點(diǎn)狀?yuàn)A雜的周長(zhǎng)，um； R：點(diǎn)狀?yuàn)A雜的半徑，um。利用上式所作的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，由此證明點(diǎn)狀?yuàn)A雜的確是軸承疲勞壽命降低的直接原因，夾雜尺寸愈大，疲勞壽命愈短。對(duì)有些鋼種而言，為了提高鋼材的機(jī)械加工性能，并改善非金屬夾雜物的形態(tài)與分布，在冶煉過程中有意向鋼中加鈣。但對(duì)軸承鋼而言，殘留鈣不是有意添加的，而是來源于與鋼水接觸的熔渣和爐襯。軸承鋼如果采用Ca或Ca－Si脫氧，鋼中必將產(chǎn)生危害性極大的D類球狀?yuàn)A雜物，使其疲勞壽命大幅度降低。因此，在很多國(guó)家的軸承鋼標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定(如瑞典SKF、美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)等)，不能用Ca或Ca－Si脫氧。關(guān)于滾珠軸承鋼中的有害元素，除了氧、硫、鈣之外，近來鈦與氮也備受關(guān)注，因?yàn)樗隩iN夾雜，其危害甚至比等粒度的剛玉更大(見圖5)。Cogne等和坪田等認(rèn)為Ti含量超過30~5010－6時(shí)疲勞壽命開始下降。關(guān)于軸承鋼中氮和鈦形成氮化鈦夾雜的條件以及如何控制氮化鈦的尺寸和分布還沒有文獻(xiàn)報(bào)道，有待今后研究。由于沒有可靠的檢測(cè)方法，對(duì)于殘余元素如砷、鉍、鉛、銻和錫等對(duì)軸承鋼壽命的影響報(bào)導(dǎo)很少。對(duì)于雜質(zhì)元素鋁、銅、鉬、鎳、釩與軸承疲勞壽命間的關(guān)系研究表明[14]：為了獲得高疲勞壽命的軸承鋼，其雜質(zhì)元素的相對(duì)量必須符合下述條件。 (2)滾珠軸承鋼有白點(diǎn)敏感性，鋼中氫增加會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命下降。磷會(huì)促進(jìn)加熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大，使鋼脆性增加而強(qiáng)度降低，易于在淬火時(shí)開裂。鎳會(huì)降低滾珠軸承淬火層的硬度。銅會(huì)引起失效。由于殘余元素的有害作用，為了提高軸承鋼質(zhì)量，國(guó)外在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)殘余元素有明確的規(guī)定，如SKF D33“SKF3熱軋球化退火鋼棒”標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定Ti≤30ppm；As≤%；Sn≤%；Sb≤%；Pb≤%；≤%。在80年代末90年代初，德國(guó)FAG軸承公司、日本NTN和NSK等公司的軸承鋼交貨標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ti≤30ppm、≤15ppm、[S]≤%。4 夾雜物對(duì)軸承鋼質(zhì)量的影響 D型和B型夾雜的彎曲疲勞 強(qiáng)度的失效分布鋼中的非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續(xù)性和均勻性。在交變應(yīng)力的作用下，易于引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，降低鋼的疲勞壽命。但是不同的夾雜物類型、形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布，對(duì)鋼的疲勞壽命影響是不相同的。不同類型的夾雜物在軋制時(shí)表現(xiàn)為不同的形狀。脆性?shī)A雜物(如Al2O3夾雜)一般沿軋制方向排列成串狀或點(diǎn)鏈狀；塑性?shī)A雜物(如硫化物)呈連續(xù)性分布；點(diǎn)狀(或球狀)夾雜物在熱加工時(shí)不變形；即不同類型的夾雜物，具有不同的熱應(yīng)力變形能力。硬脆夾雜物不具有塑性，在加工和使用過程中難以變形，構(gòu)成應(yīng)力集中，使疲勞裂紋萌生期縮短，影響了疲勞性能的提高。有時(shí)在變形時(shí)，這些夾雜物還能將鋼的基體劃傷。顯微觀察表明，在點(diǎn)狀不變形夾雜物的周圍，常常發(fā)現(xiàn)有喇叭形的空洞和裂紋。這種空洞引起“劃傷”往往就是疲勞破壞的“胚芽”，因此點(diǎn)狀?yuàn)A雜物危害極大。大量的試驗(yàn)工作證實(shí)了脆硬夾雜物的危害性。圖6是含D類(點(diǎn)狀)和B類(Al2O3)夾雜物鋼的彎曲旋轉(zhuǎn)疲勞性能與失效率的關(guān)系。從圖中可以看出，D類夾雜物比B類夾雜物的危害大得多。氮化鈦夾雜物也是一種具有規(guī)則外形的硬而脆的夾雜物，氮化鈦夾雜甚至比氧化物更為有害。與脆硬性?shī)A雜物相比，塑性?shī)A雜在熱變形時(shí)，能夠與基體協(xié)調(diào)一致的變形，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中，使疲勞裂紋萌生期延長(zhǎng)，因而塑性?shī)A雜物對(duì)疲勞壽命的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脆硬性?shī)A雜物。 以上說明，非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼性能的有害影響因素，歸納起來，可以分為兩個(gè)方面。首先是夾雜物的種類和數(shù)量，其次是它們的幾何性因子(粒度、形狀、分布等)。 關(guān)于夾雜物的幾何性因子對(duì)滾珠軸承接觸疲勞壽命的影響，歷來試驗(yàn)結(jié)果和理論分析是一致的。分布越均勻越好。因?yàn)槊總€(gè)夾雜物周圍都有應(yīng)力場(chǎng)，兩夾雜物過于靠近則兩應(yīng)力場(chǎng)就會(huì)疊加起來。形狀越尖銳或粒度越大越不利，因?yàn)閼?yīng)力集中系數(shù)較大。這種觀點(diǎn)不錯(cuò)，但再深入一步，還要看到夾雜的幾何性因子在某種程度上是由夾雜類型決定的，例如剛玉常呈點(diǎn)鏈狀分布或簇狀分布的碎屑。 綜上所述，夾雜物對(duì)疲勞壽命的影響是一個(gè)復(fù)雜的課題，它包括夾雜物的數(shù)量、成份、形貌、尺寸和分布等的影響。有時(shí)甚至后者影響更大，因?yàn)橥ǔＲ粋€(gè)軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個(gè)大型夾雜物所引起的；夾雜物的形狀多種多樣，有圓形和方形，有條狀、角狀和鏈狀等不規(guī)則形狀。一般認(rèn)為細(xì)條狀塑性?shī)A雜物的危害小，尖棱狀硬脆性?shī)A雜危害最大，因?yàn)樗菀讋潅饘倩w和引起應(yīng)力集中。同一個(gè)夾雜物，由于離開表面的距離不同，其影響程度也不一樣。一般認(rèn)為，裂紋出現(xiàn)在切應(yīng)力最大處(~)。夾雜物離開這個(gè)位置越遠(yuǎn)，其危害就越小。夾雜物粒度對(duì)軸承壽命的影響，也會(huì)隨夾雜的位置不同而有所區(qū)別。因此為了改善軸承鋼的質(zhì)量，應(yīng)盡量將鋼的各類夾雜物(包括A、B、C、D類和氮化物)含量降低，尺寸變小，分布更均勻，最終達(dá)到提高軸承壽命的目的。5 碳化物對(duì)軸承鋼質(zhì)量的影響 碳化物對(duì)疲勞壽命的影響是十分明顯的。特別是隨著冶煉、澆鑄等技術(shù)的進(jìn)步，在鋼中氧含量及氧化物夾雜含量極低的情況下，碳化物的作用就顯得更為重要了。碳化物的顆粒大小、形狀、數(shù)量及分布狀況都影響疲勞壽命。軸承廠要求軸承鋼材中碳化物顆粒細(xì)小，形狀規(guī)則，而且分布均勻。當(dāng)存在粗顆粒碳化物時(shí)，鋼的淬硬值、壓壞值、轉(zhuǎn)動(dòng)疲勞壽命都要惡化。，碳化物細(xì)小，分布均勻，疲勞壽命較好(見圖7)。對(duì)于碳化物的不均勻性常用碳化物顆粒平均間距(MSP)來衡量，日本不二越鋼廠在研究軸承鋼的碳化物時(shí)，測(cè)定了MSP與疲勞壽命的關(guān)系，并建立起碳化物顆粒平均距離(MSP)與疲勞壽命的回歸方程： Y=106－106 χ (8) 式中：Y：疲勞壽命； χ：碳化物顆粒平均距離，um。圖7 細(xì)小或粗大球化退火組織的疲勞結(jié)果 線A－細(xì)小球化組織的；線B－粗大球化組織的 文獻(xiàn)[40~42]報(bào)道用型號(hào)6305的滾動(dòng)軸承的內(nèi)外套圈作試樣[40]，在承受徑向交變負(fù)荷的壽命試樣機(jī)上做了試驗(yàn)。結(jié)果表明。~，結(jié)論是：碳化物顆粒間平均距離的對(duì)數(shù)的倒數(shù)和疲勞壽命呈直線關(guān)系，即碳化物顆粒越細(xì)小，壽命越高。大澤近藤也做了同樣的試驗(yàn)，得出結(jié)論：具有細(xì)球狀碳化物(~)材料壽命為粗顆粒碳化物(~)。，%，做推力片壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)顆粒材料比粗顆粒材料顯著要好，平均壽命(L50)∶1，之所以粗顆粒碳化物比細(xì)顆粒碳化物壽命差，他們認(rèn)為：軸承鋼在淬火溫度下，奧氏體的含碳量不是充分均勻的。在碳化物附近的奧氏體和遠(yuǎn)離碳化物的奧氏體之間存在著碳的濃度差。碳化物顆粒越大，這種濃度差也越大。而濃度高和濃度低的地方壽命都不好，這樣平均壽命自然也低。 帶狀碳化物