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微量元素对轴承钢质量的影响

发布时间：2012-10-31 浏览次数：1063

　　含1.0％C、1.5％Cr轴承钢是专用钢中质量要求Z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，而其疲劳寿命成倍提高。其主要原因就在于通过冶炼方法和制备工艺的不断改进使钢的洁净度和组织均匀性大幅度提高，轴承钢的洁净度及其对性能的影响主要涉及到微量元素问题。
　　1　氧
　　瑞典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。认为疲劳寿命与氧含量的关系为L10＝372T.O－1.6，即二次精炼钢（氧含量为10ppm）的疲劳寿命是大气下熔炼钢（氧含量为40ppm）的10倍。认为精炼钢氧含量降到5ppm，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。但是应当指出的是，氧含量与疲劳寿命的关系是辩证的关系，不是的，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大小，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、氧化物和氮化物。从这个意义上说，夹杂物的尺寸与分布对疲劳寿命影响Z大。
　　2　硫
　　当（0.21(O％)1/2－0.003）≤S％≤（0.21(O％)1/2＋0.007）时，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：一种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，从而减少氧化物的有害作用，但必须看到，这种观点只在有限的条件下才值得重视。一方面，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。
　　3　钛、氮
　　由于钢中的氧含量由过去的30～50ppm降到目前的5ppm左右，氧化物夹杂大大减少，在这种条件下TiN等夹杂的破坏作用自然也就会显现出来。氮化钛是一种硬而脆的夹杂物，它对钢的疲劳寿命特别有害，在相同的尺寸条件下，氮化钛比氧化物更有害。关于降低钢中氮化钛夹杂问题，目前存在着两种意见。大多数认为，由于现在普遍采用超高功率电弧炉生产轴承钢，其钢中的氮含量较高，一般在0.006～0.012％之间；与之相比钢中的钛含量要低得多，一般在0.001～0.005之间。特别是西方工业发达国家，因其废钢和铁合金质量较好，钢中的钛含量很低，因此，在目前的情况下，只有通过降低钛含量，才能达到减少氮化钛夹杂的目的。另一种观点则认为，要将钢中的钛含量降到较低的水平，付出的代价太大，因为在目前的操作情况下，只能选用含钛低的昂贵铬铁在精炼炉内加入才能达到目的（因为含铬轴承钢中钛的主要来源是铬铁合金），降低钢中氮含量可能比降低钛含量容易一些，经济一些。因此可以通过降低氮含量达到相同的目的。总之，为了提高轴承钢的质量，应尽量将钢中的钛含量和氮含量降低，减小其形成氮化钛夹杂物的可能性。
　　4　镁
　　从冶炼角度看，评价轴承钢质量好坏的指标有两个，一是夹杂物，二是碳化物。钢中的夹杂物破坏基体的连续性，恶化轴承的使用性能，应越低越好。碳化物是保证轴承基本性能，例如硬度、强度、耐磨性和疲劳寿命等必不可少的条件。微量的镁能改善Ni基和铁基高温合金中碳化物的形态，能显著改善其性能。含1.0％C、1.5Cr轴承钢中，碳化物很多，但它极易产生偏析，导致钢材内部组织不均匀性，对性能有不利影响。研究结果表明微量镁能改善轴承钢中碳化物的形态及分布。
　　5　其它残余元素
　　关于滚珠轴承钢中的有害元素，除了氧、硫、钛与氮之外，还有一些元素也备受关注。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道很少。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。
　　由于残余元素的有害作用，为了提高轴承钢质量，国外在标准中对残余元素有明确的规定，如SKF D33“SKF3热轧球化退火钢棒”标准中规定Ti≤0.002％；As≤0.04％；Sn≤0.04％；Sb≤0.03％；Pb≤0.002％；T.O≤0.0015％。在80年代末90年代初，德国FAG轴承公司、日本NTN和NSK等公司的轴承钢交货标准规定Ti≤0.003％、T.O≤0.0015％、S≤0.008％。