【正文】 圖2 氧含量與疲勞壽命軸承鋼中的氧含量與疲勞壽命之間的關(guān)系，國內(nèi)外的試驗結(jié)果大體一致。通常，一個軸承件的破壞，往往是由許多夾雜物中的一個大型夾雜物引起。從這個意義上說，夾雜物的尺寸與分布對疲勞壽命影響最大。圖3表示各種不同煉鋼方法生產(chǎn)的軸承鋼彎曲疲勞極限與氧含量的關(guān)系，可以看出氧含量大約為2010－6的鋼材（LD＋RH）疲勞極限相當(dāng)好，而采用硅鈣處理的鋼材(EF＋RH)盡管氧含量很低，5~1010－6，由于其形成了危害嚴(yán)重的CaO類夾雜，疲勞極限并不高，冶鋼公司的試驗也證明了這一點(diǎn)，雖然電渣重熔鋼的氧含量(10－6)和夾雜物含量較高，但它的夾雜尺寸細(xì)小，分布均勻，它的疲勞壽命比低氧含量(10－6)爐外精煉鋼高。只有在同一冶煉方法和大量試驗條件下，才有可能確定氧含量和疲勞性能之間的關(guān)系。關(guān)于硫?qū)ζ趬勖挠绊懀壳斑€存在著意見分歧，歸納起來有以下三種觀點(diǎn)[16~20]：一種認(rèn)為適當(dāng)提高鋼中硫化物含量有利于壽命的提高；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為硫化物含量增加會降低壽命；還有一種觀點(diǎn)則認(rèn)為硫化物含量與疲勞壽命關(guān)系不大。這種理論認(rèn)為鋼液在凝固過程中，低熔點(diǎn)的硫化物粘附在氧化物表面上，形成硫化物包圍氧化物的共生夾雜，它能夠松弛拉應(yīng)力，并能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)變形，從而減少氧化物的有害作用，但是這種理論是建立在鋼中氧化物夾雜較多的前提下。Tricot認(rèn)為蝶形裂紋源總是以氧化物夾雜為核心，他報道過一個只有單翼的蝶形裂紋源，另一翼之所以沒有形成，是因為該處有硫化物包覆于氧化物上(見圖4)。他認(rèn)為：當(dāng)氧化物夾雜全部為硫化物包覆時，滾珠軸承的接觸疲勞壽命最長。當(dāng)時他們的產(chǎn)品主要是在酸性平爐中用硅還原法冶煉的。和堿性電弧爐鋼比較，其特點(diǎn)之一是90%的夾雜為硫化物和氧硫化物。但必須看到，這些觀點(diǎn)只在有限的條件下才值得重視。凝固速率也會影響硫化物在氧化物上析出的過程。由于硫化物和氧化物變形抗力的差異，熱加工時“膜”還可能被擠掉，這些因素對高硫軸承鋼壽命測定值分散度大看來是有影響的。即硫化物的危害性相對于氧化物的較小一些。隨著酸性平爐的逐漸淘汰及爐外精煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在滾珠軸承鋼的含氧量水平已可降到510－6，氧化物夾雜大大減少。Tardy等發(fā)現(xiàn)實際上有兩個影響因素：[%O]和[%O]/[%S]。 圖5 夾雜物類型對軸承鋼的有害程度 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。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?，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(~％)，同時要求其硫化物細(xì)小分散，級別要低。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。在球狀夾雜兩側(cè)經(jīng)?？梢钥吹健翱籽ā保颂庉^易造成應(yīng)力裂紋。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。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)狀夾雜的周長，um； R：點(diǎn)狀夾雜的半徑，um。對有些鋼種而言，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。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類球狀夾雜物，使其疲勞壽命大幅度降低。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，因為它引入TiN夾雜，其危害甚至比等粒度的剛玉更大(見圖5)。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)報道，有待今后研究。對于雜質(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)元素的相對量必須符合下述條件。磷會促進(jìn)加熱時晶粒的長大，使鋼脆性增加而強(qiáng)度降低，易于在淬火時開裂。銅會引起失效。在80年代末90年代初，德國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]≤%。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。不同類型的夾雜物在軋制時表現(xiàn)為不同的形狀。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。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。大量的試驗工作證實了脆硬夾雜物的危害性。從圖中可以看出，D類夾雜物比B類夾雜物的危害大得多。與脆硬性夾雜物相比，塑性夾雜在熱變形時，能夠與基體協(xié)調(diào)一致的變形，不會導(dǎo)致嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中，使疲勞裂紋萌生期延長，因而塑性夾雜物對疲勞壽命的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脆硬性夾雜物。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)。分布越均勻越好。形狀越尖銳或粒度越大越不利，因為應(yīng)力集中系數(shù)較大。 綜上所述，夾雜物對疲勞壽命的影響是一個復(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。一般認(rèn)為細(xì)條狀塑性夾雜物的危害小，尖棱狀硬脆性夾雜危害最大，因為它容易劃傷金屬基體和引起應(yīng)力集中。一般認(rèn)為，裂紋出現(xiàn)在切應(yīng)力最大處(~)。夾雜物粒度對軸承壽命的影響，也會隨夾雜的位置不同而有所區(qū)別。5 碳化物對軸承鋼質(zhì)量的影響 碳化物對疲勞壽命的影響是十分明顯的。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。當(dāng)存在粗顆粒碳化物時，鋼的淬硬值、壓壞值、轉(zhuǎn)動疲勞壽命都要惡化。對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，測定了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。結(jié)果表明。大澤近藤也做了同樣的試驗，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(~)。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。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。前蘇聯(lián)學(xué)者研究了帶狀碳化物對軸承鋼疲勞壽命的影響。結(jié)果表明：擴(kuò)散退火使縱向和橫向試樣的接觸疲勞強(qiáng)度大大提高。 網(wǎng)狀碳化物是在熱加工變形后的冷卻過程中形成的，如果在800～900℃之間冷卻速度太慢，則溶解在奧氏體中的碳有足夠動力和充分的時間擴(kuò)散到奧氏體晶粒的邊界上析出。關(guān)于網(wǎng)狀碳化物對性能的影響，研究的不多。冶鋼公司一組GCr15鋼氧含量為 14106，與SKF一組相同牌號鋼氧含量為8106。 液析碳化物與帶狀碳化物的起因相同，都起源于枝晶偏析。液析碳化物的影響與帶狀碳化物大體相當(dāng)。 用軸承鋼加工成軸承，必須在淬、回火狀態(tài)下使用，此時鋼具有混合組織，通常含有80%(體積比)的馬氏體，5~10%的殘余奧氏體和7%左右的未溶/碳化物—?dú)堄嗵蓟铩Ｓ械难芯拷Y(jié)果指出，殘余碳化物的含量為7~8%時，壽命最長。由于淬火加熱溫度不同，殘余碳化物數(shù)量固然有變化，但同時馬氏體的含碳量也在變化，而馬氏體含碳量對疲勞壽命有顯著影響。日本學(xué)者用其它成分和GCr15相同，~%之間變化的鋼，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使馬氏體中的含碳量保持一定，%，在這樣的條件下研究殘余碳化物含量對疲勞壽命的影響。研究造成疲勞剝落區(qū)附近的顯微組織時發(fā)現(xiàn)，疲勞裂縫都是在碳化物和馬氏體的界面上傳播的。殘余碳化物一旦增加，碳化物和馬氏體的界面增加，于是材料發(fā)生破裂的危險也增加。但完全不存在殘余碳化物也不行，從耐磨性角度考慮，為了防止晶粒粗大引起疲勞壽命降低，存在一定數(shù)量的殘余碳化物是必要的。它們的軸承鋼生產(chǎn)狀況體現(xiàn)了當(dāng)今世界軸承鋼生產(chǎn)質(zhì)量的水平和方向。瑞典是世界軸承鋼及軸承的生產(chǎn)“王國”，歷史悠久，產(chǎn)品質(zhì)量居世界之冠。通過近100年來的發(fā)展，軸承鋼的生產(chǎn)工藝經(jīng)過了幾次大的變化。一般生產(chǎn)普通用途軸承鋼采用電爐流程或轉(zhuǎn)爐流程；對特殊用途軸承鋼(如航空軸承等)，則采用特種冶金流程生產(chǎn)。下面以瑞典SKF公司、日本山陽特殊鋼公司和德國克虜伯鋼公司為例說明軸承鋼生產(chǎn)工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀。其中SKF軸承公司是