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高碳軸承鋼的純凈度控制及疲勞性能評(píng)價(jià)研究
發(fā)布時(shí)間：2022-05-27
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(duì)于LF終點(diǎn)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(píng)價(jià)軸承鋼純凈度和均質(zhì)化程度的方法難以滿足對(duì)超長(zhǎng)疲勞壽命軸承鋼的質(zhì)量評(píng)估，本文提出了一種更科學(xué)直觀地評(píng)判軸承鋼的質(zhì)量水平的方法。本文采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞、SEM+EDS、面掃等方法，研究了試驗(yàn)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(jì)了夾雜物的成分、尺寸等信息。
【關(guān)鍵詞】軸承鋼；掃描電子顯微鏡；旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞；疲勞壽命
軸承鋼是鋼鐵材料中的高技術(shù)產(chǎn)品，具有較高的疲勞強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(guó)家重點(diǎn)工程建設(shè)所需要的關(guān)鍵材料。雖然軸承鋼技術(shù)已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，冶金設(shè)備、工藝和生產(chǎn)流程與國(guó)外先進(jìn)的軸承鋼廠也基本一致，但由于各個(gè)鋼廠在冶煉工藝、軋制控制工藝、自動(dòng)化能力及操作水平等方面存在較大差距，導(dǎo)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(píng)估方法，很難滿足對(duì)超高疲勞壽命軸承鋼的質(zhì)量評(píng)價(jià)。近年來的研究表明，鋼鐵材料，尤其是高強(qiáng)鋼在傳統(tǒng)疲勞極限之下，通過千萬（107）循環(huán)周次后，仍會(huì)發(fā)生斷裂失效。隨著科技進(jìn)步，如飛機(jī)、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(dá)到億（108）次，甚至更高。而當(dāng)前大部分零部件的疲勞設(shè)計(jì)是在千萬（107）循環(huán)周次的基礎(chǔ)上建立的，這會(huì)對(duì)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(qiáng)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(yán)格的疲勞設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1 軸承鋼純凈度控制
對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間使用、單次核心零件更換間隔時(shí)間長(zhǎng)，容易發(fā)生失效風(fēng)險(xiǎn)的往往是需要承受周期性重型載荷、長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)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(cè)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(píng)級(jí)、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(cè)手段，定性-定量分析夾雜物的尺寸、數(shù)量、成分種類，進(jìn)而結(jié)合冶煉工藝特點(diǎn)，追蹤其來源，制定相應(yīng)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(gè)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(jié)合其三維形貌特點(diǎn)和冶煉過程追溯，推斷其形成機(jī)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?dāng)嚢璨怀浞�，脫硫�?dòng)力學(xué)條件不良；
3）LF 中后期脫硫產(chǎn)物CaS雖然尺寸達(dá)到30μm以上，但鋼液流動(dòng)條件不良，在鋼包-中間包-結(jié)晶器內(nèi)此夾雜物顆粒未完全上浮去除；
4）LF頂渣對(duì)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(jìn)行了兩組因素試驗(yàn)，考察爐渣組成微調(diào)對(duì)于LF終點(diǎn)鋼液中夾雜物的影響。其中方案2為當(dāng)時(shí)正常使用的爐渣組成，用作試驗(yàn)比較，方案1、3為調(diào)整后的兩組爐渣組成，在LF冶煉終點(diǎn)應(yīng)用取樣器在鋼水中取餅狀試樣，分別編號(hào)1-4、2-4和3-4（4代表LF冶煉終點(diǎn)時(shí)刻）。試樣經(jīng)過自動(dòng)制樣、電鏡面掃（50mm²）統(tǒng)計(jì)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(yàn)反復(fù)驗(yàn)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(duì)鋼包吹氬所涉及的全過程進(jìn)行系統(tǒng)梳理，穩(wěn)定鋼水在鋼包內(nèi)的流動(dòng)、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(zhǎng)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(huì)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(guó)內(nèi)鋼廠對(duì)軸承等關(guān)鍵零部件用鋼的超高周疲勞性能研究的公開報(bào)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(zhuǎn)彎曲疲勞性能
2.1.1 試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)用100Cr6軸承鋼為BOF+LF+RH冶煉，200×200mm2連鑄機(jī)成型，軋制成φ35mm的圓棒。成品化學(xué)成分如表1所示。
試驗(yàn)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(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)按照GB/T4337-2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用島津H7型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，四點(diǎn)加力式，轉(zhuǎn)速為3000r/min，應(yīng)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(jì)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(dòng)夾雜物分析儀，檢測(cè)橫截面中夾雜物信息。
2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果
圖4為試驗(yàn)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(yàn)鋼100Cr6的非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)圖，生產(chǎn)檢驗(yàn)時(shí)6個(gè)試樣的各類夾雜物Z嚴(yán)重級(jí)別分別為A細(xì)：0.5；A粗：0.5；D細(xì)：0.5；D粗：0.5，其余都為0級(jí)�？梢�，通過金相檢驗(yàn)法，判定試驗(yàn)鋼的純凈度較高。
圖6為試驗(yàn)在107條件下的升降圖，按照GB/T24176-2009計(jì)算傳統(tǒng)的疲勞極限，σ-1=967MPa。
圖7為試驗(yàn)鋼100Cr6的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)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(yīng)力幅值級(jí)別下由格布拉斯準(zhǔn)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(yīng)力幅值級(jí)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(yīng)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(guān)，其經(jīng)細(xì)砂輪磨削后，再經(jīng)2000目砂紙縱向打磨，及絨布旋轉(zhuǎn)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(yīng)力降至傳統(tǒng)疲勞極限附近時(shí)，試樣表面因滑移而造成的擠入擠出機(jī)制受到抑制。因而，由內(nèi)部夾雜物引起的應(yīng)力集中成為裂紋起源的主要原因。
當(dāng)前共識(shí)，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(zhǎng)，疲勞性能越好。通過統(tǒng)計(jì)失效斷口中的起裂源夾雜物的尺寸信息，也驗(yàn)證了這點(diǎn)，如圖8所示。試驗(yàn)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(shì)。
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(píng)級(jí)屬于1～2級(jí)，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(fù)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(jié)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(fù)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(yàn)和SEM面掃分析顯示試驗(yàn)鋼100Cr6純凈度較高，但是通過旋轉(zhuǎn)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(duì)疲勞強(qiáng)度有較大的降低作用。
在研究疲勞壽命的隨機(jī)分布規(guī)律時(shí)，過去常采用對(duì)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(huì)是不對(duì)稱的，這時(shí)對(duì)數(shù)正態(tài)分布已不適合。標(biāo)準(zhǔn)GB/T24176-2009指出：對(duì)于具有長(zhǎng)壽命特征的樣本，有時(shí)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(yàn)鋼100Cr6的傳統(tǒng)中值疲勞極限為967MPa，其在960MPa和980MPa應(yīng)力幅值級(jí)別下的失效概率分布如圖11所示�？梢姡谕粦�(yīng)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(yīng)力幅值，960MPa應(yīng)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(jié)果的可靠性，選取的應(yīng)力幅值越小，選用的試驗(yàn)樣本數(shù)就該越大。
2.2 滾動(dòng)接觸疲勞性能
興澄公司滾動(dòng)接觸疲勞采用推力接觸條件，按照J(rèn)B/T 10510《滾動(dòng)軸承零件接觸疲勞試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷選用4.5 GPa，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速≥2000 r min-1，潤(rùn)滑介質(zhì)為N32機(jī)油。圖12為不同時(shí)期興澄公司生產(chǎn)軸承鋼接觸疲勞壽命的對(duì)比試驗(yàn)，不僅反映了項(xiàng)目進(jìn)展過程中軸承鋼滾動(dòng)接觸疲勞性能的逐步提升(滾動(dòng)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(jié)論
1)對(duì)LF爐渣成分進(jìn)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(yàn)鋼100Cr6在傳統(tǒng)疲勞極限下，通過107循環(huán)周次后，仍會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂失效，而非無限壽命；
3)在整個(gè)應(yīng)力幅值范圍，試驗(yàn)鋼100Cr6只在中高應(yīng)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(yàn)鋼100Cr6經(jīng)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)斷裂后，經(jīng)SEM+EDS檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，起裂源夾雜物主要為Al-Ca-Mg復(fù)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(yīng)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(yīng)力幅值條件下，在960MPa應(yīng)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(huì)論文集）
（中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)）
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