高碳軸承鋼的純凈度控制及疲勞性能評價研究

華劉開　尹青　楊延輝　李鋒　許曉紅)

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

【摘　要】軸承鋼純凈度控制主要是控制鋼液中的夾雜物，本文研究了爐渣組成微調(diào)對于LF終點鋼液中夾雜物的影響，確保了軸承鋼的純凈和穩(wěn)定。但目前普遍用來評價軸承鋼純凈度和均質(zhì)化程度的方法難以滿足對超長疲勞壽命軸承鋼的質(zhì)量評估，本文提出了一種更科學直觀地評判軸承鋼的質(zhì)量水平的方法。本文采用旋轉彎曲疲勞、SEM+EDS、面掃等方法，研究了試驗用100Cr6軸承鋼的高周及超高周疲勞性能，以及傳統(tǒng)疲勞極限附近的失效概率分布，并統(tǒng)計了夾雜物的成分、尺寸等信息。

【關鍵詞】軸承鋼；掃描電子顯微鏡；旋轉彎曲疲勞；疲勞壽命

軸承鋼是鋼鐵材料中的高技術產(chǎn)品，具有較高的疲勞強度和抗壓強度，純凈并且均勻的組織使得其擁有高而均勻的硬度，是重大裝備制造和國家重點工程建設所需要的關鍵材料。雖然軸承鋼技術已經(jīng)取得了較大的進步，冶金設備、工藝和生產(chǎn)流程與國外先進的軸承鋼廠也基本一致，但由于各個鋼廠在冶煉工藝、軋制控制工藝、自動化能力及操作水平等方面存在較大差距，導致在純凈度控制（氧含量、鈦含量、有害元素含量及夾雜物尺寸與分布）、碳化物控制（網(wǎng)狀碳化物、帶狀組織、碳化物尺寸及其分布）及低倍組織（中心疏松縮孔和成分偏析）等方面相差較大，而且目前常規(guī)的軸承鋼質(zhì)量的評估方法，很難滿足對超高疲勞壽命軸承鋼的質(zhì)量評價。近年來的研究表明，鋼鐵材料，尤其是高強鋼在傳統(tǒng)疲勞極限之下，通過千萬（107）循環(huán)周次后，仍會發(fā)生斷裂失效。隨著科技進步，如飛機、高鐵、汽車等現(xiàn)代工業(yè)裝備在服役期內(nèi)的疲勞循環(huán)周次達到億（108）次，甚至更高。而當前大部分零部件的疲勞設計是在千萬（107）循環(huán)周次的基礎上建立的，這會對裝備的服役安全性產(chǎn)生很大的隱患。因此，今后很有必要開展零部件用高強鋼在億（108）循環(huán)次及以上條件下的疲勞性能研究工作，為未來更嚴格的疲勞設計提供試驗數(shù)據(jù)。

1　軸承鋼純凈度控制

對于需要長時間使用、單次核心零件更換間隔時間長，容易發(fā)生失效風險的往往是需要承受周期性重型載荷、長期旋轉工作的零部件，如軸承、齒軸件等，而材料中的夾雜物是引起零件疲勞的重要原因之一。因此，必須在坯料生產(chǎn)階段就要采取有效措施降低鋼中夾雜物的含量。為了有效的檢測并反饋產(chǎn)品的純凈度情況，并杜絕不滿足要求的產(chǎn)品交付，興澄特鋼采用了金相顯微鏡夾雜物評級、掃描電鏡-能譜(SEM-EDS)、面分布掃描電鏡、超聲波探傷、夾雜物萃取、全氧分析等檢測手段，定性-定量分析夾雜物的尺寸、數(shù)量、成分種類，進而結合冶煉工藝特點，追蹤其來源，制定相應的改善措施。

圖1所示為高碳軸承用鋼GCr15試樣經(jīng)過一定壓縮比熱鍛造后，材料試樣電解得到的單個顆粒夾雜物，其主要組成為CaS，伴隨少量其它Mg-Si質(zhì)氧化物，結合其三維形貌特點和冶煉過程追溯，推斷其形成機理和原因：

1）LF 精煉初始鋼水S含量高于普通爐次；

2）LF 精煉前期鋼水攪拌不充分，脫硫動力學條件不良；

3）LF 中后期脫硫產(chǎn)物CaS雖然尺寸達到30μm以上，但鋼液流動條件不良，在鋼包-中間包-結晶器內(nèi)此夾雜物顆粒未完全上浮去除；

4）LF頂渣對于鋼中夾雜物的吸附能力不足，是可能的原因之一。

為了提高鋼的純凈度，減少上述類型夾雜物的出現(xiàn)，冶煉部門進行了兩組因素試驗，考察爐渣組成微調(diào)對于LF終點鋼液中夾雜物的影響。其中方案2為當時正常使用的爐渣組成，用作試驗比較，方案1、3為調(diào)整后的兩組爐渣組成，在LF冶煉終點應用取樣器在鋼水中取餅狀試樣，分別編號1-4、2-4和3-4（4代表LF冶煉終點時刻）。試樣經(jīng)過自動制樣、電鏡面掃（50mm²）統(tǒng)計夾雜物的成分分布（圖2-a示意圖）、數(shù)量、尺寸（圖2-b）和平均成分組成（圖2-c）。由圖2-c可知，LF爐渣調(diào)整后無論是方案1或方案3，夾雜物中S含量較方案2均有所下降，方案3中Ca含量較方案1高約12%；從夾雜物尺寸（圖2-b）分布來看，方案1夾雜物無論是尺寸還是數(shù)量，明顯優(yōu)于方案2，方案3夾雜物數(shù)量少于方案2，但試樣中檢出了較方案2試樣中更大的夾雜物（30～40μm）。綜合而言從鋼的純凈度控制方面方案1爐渣優(yōu)于方案3爐渣，較原用爐渣（方案3）效果更好，經(jīng)過多爐試驗反復驗證，Z終工藝調(diào)整爐渣微調(diào)至方案1組分，減少了圖1類似夾雜物的出現(xiàn)率。在LF爐渣成分微調(diào)之后，對鋼包吹氬所涉及的全過程進行系統(tǒng)梳理，穩(wěn)定鋼水在鋼包內(nèi)的流動、減少異常情況，確保了軸承鋼的純凈和穩(wěn)定（如圖3所示全氧含量）。

2　超長疲勞壽命軸承鋼質(zhì)量

前期的研究表明，在傳統(tǒng)疲勞極限下，試樣通過千萬循環(huán)周次后，仍會斷裂，且起裂源大多為內(nèi)部夾雜物，只有極少數(shù)試樣起裂源為表面劃痕引起的晶體滑移帶或表面夾雜物。所以鋼材的純凈度是影響其疲勞壽命的主要因素。不過，從目前來看，未看到國內(nèi)鋼廠對軸承等關鍵零部件用鋼的超高周疲勞性能研究的公開報道。本次研究了興澄鋼廠100Cr6軸承鋼批量材的超高周疲勞性能，及在傳統(tǒng)疲勞極限附近的失效概率分布情況。

2.1 旋轉彎曲疲勞性能

2.1.1 試驗材料與方法

試驗用100Cr6軸承鋼為BOF+LF+RH冶煉，200×200mm²連鑄機成型，軋制成φ35mm的圓棒。成品化學成分如表1所示。

試驗用圓棒經(jīng)球化退化后，掏取中心材加工成疲勞試樣毛坯，再經(jīng)淬回火后，精磨至Z終尺寸，表面粗糙度Ra優(yōu)于0.2μm。

旋轉彎曲試驗按照GB/T4337-2015標準進行，采用島津H7型旋轉彎曲疲勞試驗機，四點加力式，轉速為3000r/min，應力比R=-1。將失效試樣斷口密封保存，切割后放置在乙醇溶液中超聲波震蕩，沖洗雜質(zhì)，吹干后在IT300型掃描電鏡下觀察斷口形貌，統(tǒng)計裂紋源成分及尺寸。在疲勞試樣的夾持段切取φ15×10mm（高），經(jīng)鑲嵌、磨拋后作為面掃試樣，放入全自動夾雜物分析儀，檢測橫截面中夾雜物信息。

2.1.2   試驗結果

圖4為試驗鋼100Cr6經(jīng)熱處理后的微觀組織，由表及里，組織類似，可見針狀回火馬氏體和彌散分布的碳化物。表面洛氏硬度為62HRC。

圖5為試驗鋼100Cr6的非金屬夾雜物的評級圖，生產(chǎn)檢驗時6個試樣的各類夾雜物Z嚴重級別分別為A細：0.5；A粗：0.5；D細：0.5；D粗：0.5，其余都為0級。可見，通過金相檢驗法，判定試驗鋼的純凈度較高。

圖6為試驗在107條件下的升降圖，按照GB/T24176-2009計算傳統(tǒng)的疲勞極限，σ-1=967MPa。

圖7為試驗鋼100Cr6的旋轉彎曲疲勞試驗的S-N曲線。圖中所采用的因夾雜物起裂數(shù)據(jù)，已剔除在同一應力幅值級別下由格布拉斯準則法判定為異常數(shù)據(jù)?？梢姡趥鹘y(tǒng)疲勞極限上下的980MPa及960MPa應力幅值級別，有部分試樣通過107循環(huán)周次后仍發(fā)生疲勞斷裂。

2.1.3分析與討論

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，試樣大多從內(nèi)部夾雜物起裂，只有少量試樣在高應力幅值下起裂于表面，這與疲勞試樣高質(zhì)量的表面處理有關，其經(jīng)細砂輪磨削后，再經(jīng)2000目砂紙縱向打磨，及絨布旋轉拋光。另外，在傳統(tǒng)疲勞極限附近，全部試樣從內(nèi)部（含近表面）夾雜物處起裂。這可能是應力降至傳統(tǒng)疲勞極限附近時，試樣表面因滑移而造成的擠入擠出機制受到抑制。因而，由內(nèi)部夾雜物引起的應力集中成為裂紋起源的主要原因。

當前共識，夾雜物的控制水平直接影響特種鋼材的使用壽命和疲勞性能。即夾雜物尺寸越小，試樣使用壽命越長，疲勞性能越好。通過統(tǒng)計失效斷口中的起裂源夾雜物的尺寸信息，也驗證了這點，如圖8所示。試驗鋼100Cr6呈現(xiàn)疲勞壽命隨著夾雜物尺寸增大而降低的大致趨勢。

起裂源夾雜物的尺寸分布如圖9所示，顯示尺寸大小主要分布在20～35μm區(qū)間，按Ds類夾雜物評級屬于1～2級，其代表了在試樣平行段內(nèi)較大夾雜物的尺寸大小。通過掃描電鏡所配能譜儀EDS分析起裂源夾雜物成分，主要為Al-Ca-Mg復合氧化物，及少量的Mg-Al夾雜物、Al-Ca鋁酸鈣、含Ti析出物。其屬于D和Ds類夾雜物，質(zhì)地較硬，其典型形貌如圖10所示。

疲勞試樣夾持段橫截面的面掃結果顯示：MnS, CaS, 硅酸鹽等壓縮比較大的夾雜物占比80.5%，其余為Al-Ca-Mg復合氧化物等剛性夾雜物，如表2所示。橫向視角下，尺寸≤10μm的夾雜物占比99.1%。可以發(fā)現(xiàn)，即使金相檢驗和SEM面掃分析顯示試驗鋼100Cr6純凈度較高，但是通過旋轉彎曲疲勞方法仍能發(fā)現(xiàn)尺寸較大且不易變形的剛性夾雜物，其對疲勞強度有較大的降低作用。

在研究疲勞壽命的隨機分布規(guī)律時，過去常采用對數(shù)正態(tài)分布模型。但在傳統(tǒng)疲勞極限附近，一些試樣可能失效，而另一些試樣不失效，分布的形狀常會是不對稱的，這時對數(shù)正態(tài)分布已不適合。標準GB/T24176-2009指出：對于具有長壽命特征的樣本，有時可采用威布爾分布。只有確定了樣本疲勞壽命符合何種分布，才能較準確地預測在給定失效概率P下的疲勞壽命，工件才能更安全地服役。

試驗鋼100Cr6的傳統(tǒng)中值疲勞極限為967MPa，其在960MPa和980MPa應力幅值級別下的失效概率分布如圖11所示?？梢?，在同一應力幅值下，疲勞壽命更符合二參數(shù)威布爾分布。相比于980MPa應力幅值，960MPa應力幅值下的擬合曲線斜率較小，代表數(shù)據(jù)較分散。因此，要保證結果的可靠性，選取的應力幅值越小，選用的試驗樣本數(shù)就該越大。

2.2 滾動接觸疲勞性能

興澄公司滾動接觸疲勞采用推力接觸條件，按照JB/T 10510《滾動軸承零件接觸疲勞試驗方法》規(guī)定進行試驗，試驗載荷選用4.5 GPa，試驗機轉速≥2000 r min^-1，潤滑介質(zhì)為N32機油。圖12為不同時期興澄公司生產(chǎn)軸承鋼接觸疲勞壽命的對比試驗，不僅反映了項目進展過程中軸承鋼滾動接觸疲勞性能的逐步提升(滾動接觸疲勞性能L10從2009年約0.5x10⁷次提高到了2019年的全面大于2×10⁷次)，也證明了材料純凈度和均質(zhì)化程度的提升能夠較大地提升軸承鋼疲勞性能。

3　結論

1)對LF爐渣成分進行合理的微調(diào)，可以有效的提高軸承鋼的純凈度和穩(wěn)定性；

2)試驗鋼100Cr6在傳統(tǒng)疲勞極限下，通過107循環(huán)周次后，仍會出現(xiàn)疲勞斷裂失效，而非無限壽命；

3)在整個應力幅值范圍，試驗鋼100Cr6只在中高應力幅值下，出現(xiàn)部分試樣因表面晶體滑移而起裂的情況；在傳統(tǒng)疲勞極限附近，全部為內(nèi)部夾雜物起裂；

4)試驗鋼100Cr6經(jīng)旋轉彎曲疲勞試驗斷裂后，經(jīng)SEM+EDS檢測分析發(fā)現(xiàn)，起裂源夾雜物主要為Al-Ca-Mg復合氧化物，及少量的Mg-Al夾雜物、Al-Ca鋁酸鈣、含Ti析出物，屬于D和Ds類夾雜物，都為剛性夾雜物；

5)傳統(tǒng)疲勞極限σ-1=967MPa，在其上下的應力幅值980MPa和960MPa的條件下，相比于正態(tài)分布，疲勞壽命更符合二參數(shù)威布爾分布。而且，相比于980MPa應力幅值條件下，在960MPa應力幅值下的擬合曲線斜率較小，即疲勞壽命數(shù)據(jù)較分散。為了獲得更高的可靠度，需要更多的試樣樣本。

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司 華劉開,尹青,楊延輝,李鋒,許曉紅)

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（文章來源：2020峰會論文集）

（中國軸承工業(yè)協(xié)會）

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