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1、轴承钢的生产现状与发展1 前言滚动轴承是重要的机械基础件，在宇航、军工、机械制造、铁路运输以及汽车制造等行 业中应用十分广泛。它在很大程度上决定了装备的精度、性能、寿命与可靠性。轴承钢是重 要的特钢品种，其纯净度和组织均匀性是影响轴承寿命的重要因素。含1.0%C、1.5%Cr的 GCr15 滚珠轴承钢是专用钢中质量要求最为苛刻的钢种，该钢种是 19 世纪末发明的， 100 年来，成分基本没变化，而质量提高了很多，它是发达国家中在生产、科研方面投入人力、 物力最多的钢种，一向被认为是高质量钢的代表。其冶炼方法，从3040年代传统的酸性平 炉、碱性平炉、碱性电弧炉单炼，60年代的钢包滴流脱气法和真
2、空循环脱气法（RH）精炼， 发展到今天的综合炉外精炼工艺（LF+RH、LF+VD等），使钢中氧含量及其它有害元素的含 量大幅度降低，疲劳寿命猛增，例如瑞典SKF公司是世界公认的轴承及轴承钢生产“王国” 质量居全球之冠，它们80年代创建的SKF-MR法（MR是熔炼加精炼的意思），使轴承钢的 氧含量达到10X10-6以下，日本山阳特殊钢公司从60年代起经过整整3040年的努力，到 80年代末，最终形成了 90tEAF-LF-RH-CC工艺生产轴承钢，氧含量达到5.0X10-6左右。经过几十年的发展，中国目前不仅已经成为轴承钢生产大国，形成了几条轴承钢生产工 艺路线，即EF+LF+VD、EF+VAD
3、、EF+吹氩或喂丝工艺路线等，年产轴承钢80万吨左 右（日本 60 万吨、瑞典 70 万吨），基本能满足国内市场的需求，并有少量出口；而且其内 部质量也接近或达到国际水平，如氧含量降到了 10X 10-6左右。但是国产轴承钢与瑞典SKF、 日本山阳等先进厂家相比还存在一定差距，主要表现在以下三个方面：一是钢中微量杂质元 素含量偏高；二是表面质量差（包括尺寸精度、表面裂纹和脱碳等）；三是内部质量不稳定， 波动范围大。2 轴承的工作环境及对轴承钢的性能要求2.1 工作环境轴承是由内、外套圈、滚动体（滚珠、滚柱或滚针）和保持器四部分组成，除保持器外， 其余都是由轴承钢组成。当轴承工作时，轴承内、外套
4、圈，轴承滚动体间承受高频、变应力 的作用。轴承的工作条件十分复杂。载荷集中作用在滚动体的很小面积上。理论上讲对于滚 珠，作用在一点上；而对于滚柱则作用在一条线上，并且滚动体与套圈间接触面积也很小（呈 点/线接触），因此轴承零件在工作时，其滚动体和套圈表面的单位面积上要承受很大的压力， 一般高达15005000N/mm2 ；轴承旋转时，还要承受离心力的作用，作用力随转速的增加 而增大；滚动体和套圈间不仅存在滚动，而且还有滑动，所以在滚动体与套圈之间还存在着 摩擦。在以上几种力的综合作用下，在套圈或滚动体的表面上抗疲劳强度低的部位首先产生 疲劳裂纹，最后形成疲劳剥落，使轴承破损失效。轴承正常的破损
5、形式是接触疲劳损坏，常 见的还有塑性变形、压痕、磨损、裂纹等。2.2 性能要求 轴承的寿命和可靠性虽然与轴承的设计、加工制造、润滑条件、安装、维护保养等因 素有关，但轴承材料的高质量和可靠性是关键。基于以上对轴承的工作条件和破损的分析， 对轴承钢的性能应有如下要求：(1) 高的纯净度和高均匀性；(2) 足够的抗压强度和抗永久变形能力；(3) 优良的接触疲劳性能；(4) 高的耐磨性；(5) 良好的尺寸稳定性；(6) 良好的工艺性能。对于在特殊条件下工作的轴承，还有特殊要求，如耐高温性能、耐低温性能、 防腐蚀性能和抗磁性能等等。3 微量元素对轴承钢质量的影响3.1氧图 1 氧含量与寿命的关系瑞典
6、SKF 公司和日本山阳特殊钢公司对轴承钢氧含量与疲劳寿命的关系，做过大量的 试验研究工作，得出了明确的结论，见图12。Lund.T等认为疲劳寿命与氧含量的关系为 L10(相对寿命)=3720-m，即二次精炼钢(氧含量为10X10-6)的疲劳寿命是大气下熔 炼钢(氧含量为40X10-6)的10倍。上杉年一认为：精炼钢氧含量降到5X10-6，其疲劳 寿命是非精炼钢的 30 倍，与真空自耗和电渣重熔钢相当。大冶特殊钢股份有限公司近年来 对此也做过一系列试验，结果表明，当精炼钢中氧含量降到20X10-6时，疲劳寿命是电 弧炉大气下熔炼钢(氧含量为30X10-6)的1.5倍，15X10-6是2.0倍，8
7、X10-6是3.0 倍, 接近电渣重熔钢的水平(见图 2)。轴承钢中的氧含量与疲劳寿命之间的关系，国内外的试验结果大体一致。但是应当指图 2 氧含量与疲劳寿命出的是，氧含量与疲劳寿命的关系是辩证的关系，不是绝对的，因为钢中氧含量的高低，实 际上只能代表钢中氧化物夹杂数量的多少，它不能代表硫化物和氮化物量的高低，更不用说 夹杂物的尺寸及分布了。通常，一个轴承件的破坏，往往是由许多夹杂物中的一个大型夹杂 物引起。这些夹杂物有硫化物(A类)、氧化物(B、C、D类)和氮化物。从这个意义上说, 夹杂物的尺寸与分布对疲劳寿命影响最大。因此，不同的冶炼方法，氧含量即使相同，其疲 劳寿命也完全不一样。图3表示
8、各种不同炼钢方法生产的轴承钢弯曲疲劳极限与氧含量的关 系，可以看出氧含量大约为20X10-6的钢材(LD+RH)疲劳极限相当好，而采用硅钙处理 的钢材(EF+RH)尽管氧含量很低，510X10-6，由于其形成了危害严重的CaO类夹杂，疲 劳极限并不高，冶钢公司的试验也证明了这一点，虽然电渣重熔钢的氧含量(18.6X10-6 )和夹杂物含量较高，但它的夹杂尺寸细小，分布均匀，它的疲劳寿命比低氧含量（8.2X10-6） 炉外精炼钢高。据此，只能将氧含量看作是特定工艺范围内疲劳极限的一个相关参数。只有在同一冶 炼方法和大量试验条件下，才有可能确定氧含量和疲劳性能之间的关系。3.2 硫峰公雄认为：（0
9、21 ,0% 0003） S% （021 0% + 0007），硫对性能没有影响。关于硫对疲劳寿命的影响，目前还存在着意见分歧，归纳起来有以下三种观点1620：一种图 3 不同炼钢工艺的 GCr15 钢中总氧含量与弯曲疲劳极限的关系前提下。从本世纪 70 年代初期以认为适当提高钢中硫化物含量有利于寿命的提高；另一种观点认为硫化物含量增加会降低寿 命；还有一种观点则认为硫化物含 量与疲劳寿命关系不大。认为硫化 物有益的观点，常用“共生理论” 来解释之。这种理论认为钢液在凝 固过程中，低熔点的硫化物粘附在 氧化物表面上，形成硫化物包围氧 化物的共生夹杂，它能够松弛拉应 力，并能够进行协调变形，从而
10、减 少氧化物的有害作用，但是这种理 论是建立在钢中氧化物夹杂较多的来，许多研究结果都指出适当提高图 4 硫化物阻止蝶形开裂萌发一例（只有 单翼的蝶裂）钢中MnS类硫化物的含量对滚珠轴 承的接触疲劳寿命至少是无害的， 甚至是有益的。Tricot认为蝶形裂纹 源总是以氧化物夹杂为核心，他报 道过一个只有单翼的蝶形裂纹源， 另一翼之所以没有形成，是因为该 处有硫化物包覆于氧化物上（见图 4）。Eneke也持相似的观点。他认为: 当氧化物夹杂全部为硫化物包覆 时，滚珠轴承的接触疲劳寿命最长。 瑞典SKF公司曾经是世界上最高质 量滚珠轴承钢的生产者。当时他们的产品主要是在酸性平炉中用硅还原法冶炼的。其氧
11、含量约为 2550X 10 - 6,硫含量在0.018%以上。和碱性电弧炉钢比较，其特点之一是 90%的夹杂为硫化物和氧硫化物。按上述研究，这被认为就是其寿命高的原因。但必须看到，这些观点只在有限的条件下才值得重 视。一方面，是因为硫化物包覆氧化物并非仅靠控制氧硫比就一定能实现。凝固速率也会影 响硫化物在氧化物上析出的过程。在热加工和热处理温度下，已形成的硫化物“膜”有可能 部分再次溶于钢的基体。由于硫化物和氧化物变形抗力的差异，热加工时“膜”还可能被挤克隶输尺寸 pm图5夹杂物类型对轴承钢的有害程度掉，这些因素对高硫轴承钢寿命测定值分 散度大看来是有影响的。另一方面，所谓 用硫化物包覆氧化物
12、可提高滚珠轴承的 寿命只是相对的。即硫化物的危害性相对 于氧化物的较小一些。然而不可否认它也 是杂质，同样也会破坏钢基体组织的连续 性与均匀性。随着酸性平炉的逐渐淘汰及 炉外精炼技术的广泛应用，现在滚珠轴承 钢的含氧量水平已可降到5X10-6，氧化 物夹杂大大减少。Cogne等指出：在这 种条件下硫化物的破坏作用自然也就会显现出来(见图5)。Tardy等发现实际上有两个影响因素：%O和%0/%5。%O/%S恒 定，%O低者其接触疲劳寿命高。但值得注意：硫与氧相似，它也只能代表钢中硫化物夹杂的数量，不能代表其尺寸和分 布。这是由于钢中硫化物含量较低，绝不意味着大颗粒夹杂物完全消失，因为钢在凝固过
13、程 中，夹杂物存在着聚集、长大的条件。特别是硫化物夹杂，由于它容易产生偏析，其尺寸的 大小与钢锭的重量、钢液的浇铸温度更为密切。例如日本山阳特殊钢公司已将钢中的硫含量 降到了很低的程度(0.002)，但它的硫化物级别并不很低，平均为1.34 级。现在有些特殊 用钢，为了有利于切削加工，要求钢中含有一定数量的硫(0.020.06)，同时要求其硫化物 细小分散，级别要低。因为要改善钢中硫化物的尺寸和分布，使其变得细小分散，必须注意 凝固条件，应尽量将浇铸温度降低，以减少硫化物偏析。3.3钙钙在轴承钢中主要是以铝酸钙、硅铝酸钙、硫化钙等形式存在。这种夹杂物与其它夹 杂物不同，热加工时既不变形，也不会
14、破碎。在球状夹杂两侧经常可以看到“孔穴”，此处 较易造成应力裂纹。在氧含量很低的轴承钢中，钙可部分替代硫化锰中的锰。富钙硫化物的 韧性很差，同氧化物相似，起产生裂纹的作用。含CaO的点状夹杂物经常是轴承钢产生裂纹的源泉，佩特尔森(Peterson)根椐点状夹杂 就是裂纹的假设。提出了下列疲劳极限与夹杂尺寸的关系式：(1)0.5Rmm1+叫式中：SN:疲劳极限，MN/m2；R :材料的抗拉强度，MN/m2； ma： 点状夹杂的周长， um；R：点状夹杂的半径，um。利用上式所作的预测值和实测结果基本吻合，由此证明点状夹杂的确是轴承疲劳寿命 降低的直接原因，夹杂尺寸愈大，疲劳寿命愈短。对有些钢种而
15、言，为了提高钢材的机械加工性能，并改善非金属夹杂物的形态与分布， 在冶炼过程中有意向钢中加钙。但对轴承钢而言，残留钙不是有意添加的，而是来源于与钢 水接触的熔渣和炉衬。轴承钢如果采用Ca或Ca-Si脱氧，钢中必将产生危害性极大的D 类球状夹杂物，使其疲劳寿命大幅度降低。因此，在很多国家的轴承钢标准中都规定（如瑞 典SKF、美国ASTM标准等），不能用Ca或Ca-Si脱氧。3.4 其它残余元素关于滚珠轴承钢中的有害元素，除了氧、硫、钙之外，近来钛与氮也备受关 注，因为它引入TiN夹杂，其危害甚至比等粒度的刚玉更大（见图5）。Cogne等 和坪田等认为Ti含量超过3050X 10-时疲劳寿命开始下
16、降。关于轴承钢中氮 和钛形成氮化钛夹杂的条件以及如何控制氮化钛的尺寸和分布还没有文献报道， 有待今后研究。由于没有可靠的检测方法，对于残余元素如砷、铋、铅、锑和锡等对轴承钢 寿命的影响报导很少。对于杂质元素铝、铜、钼、镍、钒与轴承疲劳寿命间的关 系研究表明14：为了获得高疲劳寿命的轴承钢，其杂质元素的相对量必须符合 下述条件。%Al %Cu %Mo %Ni %V + 3.5（2）0.0150.0600.0200.0800.0031 丿滚珠轴承钢有白点敏感性，钢中氢增加会导致疲劳寿命下降。磷会促进加热 时晶粒的长大，使钢脆性增加而强度降低，易于在淬火时开裂。镍会降低滚珠轴 承淬火层的硬度。铜会引起失效。由于残余元素
