冶炼方法对GCr15钢质量及接触疲劳寿命的影响

发布时间：2013-07-16 浏览次数：912

　　摘　要：分析3种不同冶炼方法的GCr15钢的冶金质量、组织与硬度、碳化物颗粒大小及分布状态，接触疲劳寿命试验表明：电渣重熔钢的接触疲劳寿命Z长，优质真空脱气钢次之，而一般真空脱气钢Z短。
　　关键词：滚动轴承；GCr15钢；冶炼方法；接触疲劳；寿命
　　提高轴承的使用寿命，材料冶金质量的优劣至关重要。近几年来，我国一般真空脱气轴承钢的冶金质量有了较大的提高，但钢中非金属夹杂物和碳化物的分布有待进一步改善。通过对电渣重熔轴承钢、优质真空脱气轴承钢（［O］≤6×10 ^-6；Ti≤30×10^-6） 和一般真空脱气轴承钢的冶金质量和接触疲劳寿命进行试验研究，找出彼此之间的差距，为今后不同用途的轴承选材提供理论依据。
　　1　化学成分
　　对不同冶炼方法的3种GCr15钢进行化学成分分析，由分析结果（表1）可知，3种钢材的化学成分均符合GB/T 18254标准的要求。

　　2　冶金质量
　　按GB/T 18254标准，对非金属夹杂物及碳化物带状、液析进行检验，结果见表2。由表2知，3种钢的非金属夹杂物均较细小，其中电渣重熔钢非金属夹杂物Z小，碳化物分布均匀性Z好；真空脱气钢带状碳化物接近3级，碳化物分布均匀性较差。

　　3　组织与硬度
　　3种GCr15轴承钢经相同工艺热处理后，其淬回火组织均为3级，硬度值均在62-63HRC之间，均符合JB/T 1255标准规定。
　　4　碳化物颗粒大小及分布状态
　　在透射电镜下放大5000倍，测得的不同冶炼方法的GCr15轴承钢碳化物颗粒数量和尺寸见表3-5。电渣重熔钢碳化物颗粒尺寸小于1.086μm的占碳化物颗粒总数的87%，碳化物分布较均匀，碳化物平均尺寸是3种钢中Z小的；一般真空脱气钢碳化物尺寸大于1μm以上的占总颗粒数的42%，且碳化物分布有聚集现象，碳化物平均尺寸是3种钢中Z大的。

　　5　接触疲劳寿命试验
　　3种钢的推力片试验是在TLP接触疲劳试验机上进行的，试验的Z大接触应力为4508MPa，主轴转速为2040r/min，其接触疲劳寿命结果见表6。

　　由表6可知，电渣重熔钢的额定寿命L10及中值寿命L50分别是真空脱气钢的1.70和1.68倍，优质真空脱气钢的额定寿命L10及中值寿命L50分别是一般真空脱气钢的1.33和1.22倍，即电渣重熔钢的接触疲劳寿命Z高，优质真空脱气钢次之，而一般真空脱气钢接触疲劳寿命Z低。
　　6　分析
　　钢材的接触疲劳寿命与钢中非金属夹杂物和碳化物颗粒尺寸及分布状态有密切关系，大多数接触疲劳裂纹都是在材料的缺陷处由于应力集中而产生，例如在次表面处的非金属夹杂物，尤其是脆性氧化物（Al₂O₃、SiO₂、CaO等）和TiN。由于这些非金属夹杂物的存在破坏了轴承钢基体材料的连续性，且本身脆而形状无规则，在轴承零件的次表层的Z大剪切应力区域内极易在这些非金属夹杂物处产生很大的应力集中而导致裂纹萌生、扩展及剥落，降低轴承的使用寿命。由此可见，为了提高轴承的使用寿命，减少钢中的非金属夹杂物数量和改善其分布状态是十分必要和有效的。另外，轴承钢中碳化物的颗粒越细小，分布越均匀、弥散，可以提高轴承的接触疲劳寿命。粗大碳化物影响轴承使用寿命的主要原因是粗大碳化物的存在造成在其附近和远处的碳浓度出现很大的差异，导致轴承零件热处理淬回火后的组织和显微硬度也存在较大的不同，碳浓度过高或过低的区域寿命下降。如果碳化物颗粒过于粗大，形状不规则，其作用类似脆性的非金属夹杂物，对轴承的接触疲劳寿命起着严重的破坏影响。
　　7　结论
　　（1）电渣重熔钢非金属夹杂物少且呈细小弥散分布，碳化物颗粒平均尺寸Z小且比其他两种钢分布均匀。真空脱气钢碳化物颗粒平均尺寸Z大且碳化物带状严重，已接近JB1255标准的上限，其冶金质量相对较差。
　　（2）与一般真空脱气钢额定寿命L10及中值寿命L50相比，电渣重熔钢分别提高70%和68%，优质真空脱气钢分别提高33%和22%。
　　（3）不同冶炼方法的GCr15轴承钢在冶金质量和接触疲劳寿命方面以电渣重熔钢为Z佳。