【正文】 大型夾雜物引起。上杉年一認(rèn)為：精煉鋼氧含量降到510－6，其疲勞壽命是非精煉鋼的30倍，與真空自耗和電渣重熔鋼相當(dāng)?；谝陨蠈?duì)軸承的工作條件和破損的分析，對(duì)軸承鋼的性能應(yīng)有如下要求：(1)高的純凈度和高均勻性；(2)足夠的抗壓強(qiáng)度和抗永久變形能力；(3)優(yōu)良的接觸疲勞性能；(4)高的耐磨性；(5)良好的尺寸穩(wěn)定性；(6)良好的工藝性能。理論上講對(duì)于滾珠，作用在一點(diǎn)上；而對(duì)于滾柱則作用在一條線上，并且滾動(dòng)體與套圈間接觸面積也很?。ǔ庶c(diǎn)/線接觸），因此軸承零件在工作時(shí)，其滾動(dòng)體和套圈表面的單位面積上要承受很大的壓力，一般高達(dá)1500－5000N/mm2；軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，還要承受離心力的作用，作用力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大；滾動(dòng)體和套圈間不僅存在滾動(dòng)，而且還有滑動(dòng)，所以在滾動(dòng)體與套圈之間還存在著摩擦。2 軸承的工作環(huán)境及對(duì)軸承鋼的性能要求 軸承是由內(nèi)、外套圈、滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針）和保持器四部分組成，除保持器外，其余都是由軸承鋼組成。%C、%Cr的GCr15滾珠軸承鋼是專用鋼中質(zhì)量要求最為苛刻的鋼種，該鋼種是19世紀(jì)末發(fā)明的，100年來(lái)，成分基本沒(méi)變化，而質(zhì)量提高了很多，它是發(fā)達(dá)國(guó)家中在生產(chǎn)、科研方面投入人力、物力最多的鋼種，一向被認(rèn)為是高質(zhì)量鋼的代表。軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展首鋼技術(shù)研究院1 前言 滾動(dòng)軸承是重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，在宇航、軍工、機(jī)械制造、鐵路運(yùn)輸以及汽車制造等行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。其冶煉方法，從30~40年代傳統(tǒng)的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐單煉，60年代的鋼包滴流脫氣法和真空循環(huán)脫氣法(RH)精煉，發(fā)展到今天的綜合爐外精煉工藝(LF+RH、LF+VD等)，使鋼中氧含量及其它有害元素的含量大幅度降低，疲勞壽命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公認(rèn)的軸承及軸承鋼生產(chǎn)“王國(guó)”，質(zhì)量居全球之冠，它們80年代創(chuàng)建的SKFMR法(MR是熔煉加精煉的意思)，使軸承鋼的氧含量達(dá)到1010－6以下，日本山陽(yáng)特殊鋼公司從60年代起經(jīng)過(guò)整整30~40年的努力，到80年代末，最終形成了90tEAFLFRHCC工藝生產(chǎn)軸承鋼，10－6左右。當(dāng)軸承工作時(shí)，軸承內(nèi)、外套圈，軸承滾動(dòng)體間承受高頻、變應(yīng)力的作用。在以上幾種力的綜合作用下，在套圈或滾動(dòng)體的表面上抗疲勞強(qiáng)度低的部位首先產(chǎn)生疲勞裂紋，最后形成疲勞剝落，使軸承破損失效。對(duì)于在特殊條件下工作的軸承，還有特殊要求，如耐高溫性能、耐低溫性能、防腐蝕性能和抗磁性能等等。大冶特殊鋼股份有限公司近年來(lái)對(duì)此也做過(guò)一系列試驗(yàn)[15]，結(jié)果表明，當(dāng)精煉鋼中氧含量降到2010－6時(shí)，疲勞壽命是電弧爐大氣下熔煉鋼（氧含量為3010－6），1510－，810－，接近電渣重熔鋼的水平（見(jiàn)圖2）。這些夾雜物有硫化物（A類）、氧化物（B、C、D類）和氮化物。據(jù)此，只能將氧含量看作是特定工藝范圍內(nèi)疲勞極限的一個(gè)相關(guān)參數(shù)。認(rèn)為硫化物有益的觀點(diǎn)，常用“共生理論”來(lái)解釋之。Eneke也持相似的觀點(diǎn)。其氧含量約為25~5010－6，%以上。一方面，是因?yàn)榱蚧锇惭趸锊⒎莾H靠控制氧硫比就一定能實(shí)現(xiàn)。另一方面，所謂用硫化物包覆氧化物可提高滾珠軸承的壽命只是相對(duì)的。Cogne等指出[18]：在這種條件下硫化物的破壞作用自然也就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)(見(jiàn)圖5)。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^(guò)程中，夾雜物存在著聚集、長(zhǎng)大的條件。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。在氧含量很低的軸承鋼中，鈣可部分替代硫化錳中的錳。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。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。由于沒(méi)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。鎳會(huì)降低滾珠軸承淬火層的硬度。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。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。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。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。 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(lái)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析是一致的。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。同一個(gè)夾雜物，由于離開(kāi)表面的距離不同，其影響程度也不一樣。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。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。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)。%，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。 帶狀碳化物是由枝晶偏析引起的。~%，%，橫向?yàn)?88%。隨網(wǎng)狀級(jí)別的增加，接觸疲勞強(qiáng)度下降。當(dāng)偏析嚴(yán)重達(dá)到共晶成分時(shí)，形成共晶碳化物。殘余碳化物的含量同樣影響疲勞壽命。因此，殘余碳化物含量為7~8%時(shí)是否壽命最高，這一結(jié)論還是一個(gè)問(wèn)題。這是因?yàn)樘蓟锖婉R氏體交界處碳濃度高，易引起應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生裂紋。6 國(guó)外軸承鋼發(fā)展概況發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于軸承鋼的生產(chǎn)及其科研極為重視，其中以瑞典、日本、德國(guó)等國(guó)表現(xiàn)突出。日本則大有后來(lái)居上之勢(shì)，經(jīng)過(guò)30~40年的努力，加強(qiáng)科研，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)及裝備，優(yōu)化工藝，使軸承鋼的質(zhì)量躍居世界先進(jìn)行列。表1~2列出了世界典型軸承鋼生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工藝及質(zhì)量。60年代以前，軸承鋼采用酸性平爐生產(chǎn)，完全不存在點(diǎn)狀(D型)氧化物夾雜，有著極其一致的純凈度，因而具有良好的耐疲勞性能。SKF－MR法是SKF熔煉加精煉的意思，是一種兩步煉鋼法。在出鋼至ASEA－SKF鋼包之前，在雙殼爐體內(nèi)將磷的含量降至允許值以下。70年代中到80年代初，SKF公司對(duì)工藝再一次進(jìn)行改革。結(jié)果表明，在桶爐內(nèi)事先用鋁沉淀脫氧比真空碳脫氧獲得更一致的氧含量和夾雜物含量，因此，SKF公司自80年代以來(lái)，SKF3鋼一般情況都用非真空精煉，這是SKF工藝的一大顯著特點(diǎn)。到目前為止，SKF公司軸承鋼生產(chǎn)工藝采用以下模式：BEA(堿性電弧爐)－除渣－加Al脫氧－合金化－加熱－脫硫－真空或非真空下電磁攪拌＋吹氬攪拌－鋼錠模鑄()。從60年代以來(lái)，特別是近十幾年以來(lái)，日本各個(gè)軸承鋼生產(chǎn)廠家廣泛采用新工藝、新技術(shù)和新裝備，軸承鋼質(zhì)量已躋身于世界先進(jìn)水平。1939年日本政府指定山陽(yáng)為軸承鋼專業(yè)廠，1959年改稱為山陽(yáng)特殊鋼公司。 表3 SKF公司SKF3鋼的氧含量及夾雜物評(píng)級(jí)n氧含量106夾雜物分類 (ASTM E45D法)數(shù)據(jù)來(lái)源 ABCD 細(xì)粗細(xì)粗細(xì)粗細(xì)粗68～——0～0～00000000文獻(xiàn)[2,4]39～～～～000000000