轴承钢发展研究报告文档格式.docx
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（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1～2。
Lund.T.等认为疲劳寿命与氧含量的关系为L10（相对寿命）=372〔O〕－1.6，即二次精炼钢（氧含量为10×
10－6）的疲劳寿命是大气下熔炼钢（氧含量为40×
10－6）的10倍。
上杉年一认为：
精炼钢氧含量降到5×
10－6，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[15]，结果表明，当精炼钢中氧含量降到20×
10－6时，疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢（氧含量为30×
10－6）的1.5倍，15×
10－6是2.0倍，8×
10－6是3.0倍，接近电渣重熔钢的水平（见图2）。
图2氧含量与疲劳寿命
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20×
10－6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，5~10×
10－6，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（18.6×
10－6）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（8.2×
10－6）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
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
图4硫化物阻止蝶形开裂萌发一例（只有
单翼的蝶裂）
峰公雄认为：
，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[16~20]：
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，但是这种理论是建立在钢中氧化物夹杂较多的前提下。
从本世纪70年代初期以来，许多研究结果都指出适当提高钢中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。
其氧含量约为25~50×
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。
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5×
10－6，氧化物夹杂大大减少。
Cogne等指出[18]：
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[%O]/[%S]。
[%O]/[%S]恒定，[%O]低者其接触疲劳寿命高。
图5夹杂物类型对轴承钢的有害程度
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（0.02~0.06％），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）
式中：
SN：
疲劳极限，MN/m2；
Rm：
材料的抗拉强度，MN/m2；
a：
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30~50×
10－6时疲劳寿命开始下降。
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。
（2）
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SKFD33“SKF3热轧球化退火钢棒”标准中规定Ti≤30ppm；
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≤30ppm、T.O≤15ppm、[S]≤0.008%。
4夹杂物对轴承钢质量的影响
4.1夹杂物类型和数量对疲劳寿命的影响
图1.6D型和B型夹杂的弯曲疲劳
强度的失效分布
钢中的非金属夹杂物，破坏了金属的连续性和均匀性。
在交变应力的作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低钢的疲劳寿命。
但是不同的夹杂物类型、形态、数量、尺寸和分布，对钢的疲劳寿命影响是不相同的。
不同类型的夹杂物在轧制时表现为不同的形状。
脆性夹杂物（如Al2O3夹杂）一般沿轧制方向排列成串状或点链状；
塑性夹杂物（如硫化物）呈连续性分布；
点状（或球状）夹杂物在热加工时不变形；
即不同类型的夹杂物，具有不同的热应力变形能力。
硬脆夹杂物不具有塑性，在加工和使用过程中难以变形，构成应力集中，使疲劳裂纹萌生期缩短，影响了疲劳性能的提高。
有时在变形时，这些夹杂物还能将钢的基体划伤。
显微观察表明，在点状不变形夹杂物的周围，常常发现有喇叭形的空洞和裂纹。
这种空洞引起“划伤”往往就是疲劳破坏的“胚芽”，因此点状夹杂物危害极大。
大量的试验工作证实了脆硬夹杂物的危害性。
图6是含D类（点状）和B类（Al2O3）夹杂物钢的弯曲旋转疲劳性能与失效率的关系。
从图中可以看出，D类夹杂物比B类夹杂物的危害大得多。
氮化钛夹杂物也是一种具有规则外形的硬而脆的夹杂物，氮化钛夹杂甚至比氧化物更为有害。
与脆硬性夹杂物相比，塑性夹杂在热变形时，能够与基体协调一致的变形，不会导致严重的局部应力集中，使疲劳裂纹萌生期延长，因而塑性夹杂物对疲劳寿命的影响远远小于脆硬性夹杂物。
以上说明，非金属夹杂物对轴承钢性能的有害影响因素，归纳起来，可以分为两个方面。
首先是夹杂物的种类和数量，其次是它们的几何性因子（粒度、形状、分布等）。
4.2夹杂物尺寸和分布对疲劳寿命的影响
关于夹杂物的几何性因子对滚珠轴承接触疲劳寿命的影响，历来试验结果和理论分析是一致的。
分布越均匀越好。
因为每个夹杂物周围都有应力场，两夹杂物过于靠近则两应力场就会叠加起来。
形状越尖锐或粒度越大越不利，因为应力集中系数较大。
这种观点不错，但再深入一步，还要看到夹杂的几何性因子在某种程度上是由夹杂类型决定的，例如刚玉常呈点链状分布或簇状分布的碎屑。
综上所述，夹杂物对疲劳寿命的影响是一个复杂的课题，它包括夹杂物的数量、成份、形貌、尺寸和分布等的影响。
有时甚至后者影响更大，因为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所引起的；
夹杂物的形状多种多样，有圆形和方形，有条状、角状和链状等不规则形状。
一般认为细条状塑性夹杂物的危害小，尖棱状硬脆性夹杂危害最大，因为它容易划伤金属基体和引起应力集中。
同一个夹杂物，由于离开表面的距离不同，其影响程度也不一样。
一般认为，裂纹出现在切应力最大处（离表面约0.35~0.55mm）。
夹杂物离开这个位置越远，其危害就越小。
夹杂物粒度对轴承寿命的影响，也会随夹杂的位置不同而有所区别。
因此为了改善轴承钢的质量，应尽量将钢的各类夹杂物（包括A、B、C、D类和氮化物）含量降低，尺寸变小，分布更均匀，最终达到提高轴承寿命的目的。
5碳化物对轴承钢质量的影响
碳化物对疲劳寿命的影响是十分明显的。
特别是随着冶炼、浇铸等技术的进步，在钢中氧含量及氧化物夹杂含量极低的情况下，碳化物的作用就显得更为重要了。
5.1碳化物颗粒大小及分布的影响
碳化物的颗粒大小、形状、数量及分布状况都影响疲劳寿命。
轴承厂要求轴承钢材中碳化物颗粒细小，形状规则，而且分布均匀。
当存在粗颗粒碳化物时，钢的淬硬值、压坏值、转动疲劳寿命都要恶化。
J.E.梅雷廷恩和J.F.修厄尔在测定疲劳寿命与碳化物颗粒大小与分布的关系的试验中发现，碳化物细小，分布均匀，疲劳寿命较好（见图7）。
对于碳化物的不均匀性常用碳化物颗粒平均间距（MSP）来衡量，日本不二越钢厂在研究轴承钢的碳化物时，测定了MSP与疲劳寿命的关系，并建立起碳化物颗粒平均距离（MSP）与疲劳寿命的回归方程：
Y=435.12×
106－98.25×
106χ（8）
式中：
Y：
疲劳寿命；
χ：
碳化物颗粒平均距离，um。
图7细小或粗大球化退火组织的疲劳结果
线A－细小球化组织的；
线B－粗大球化组织的
文献[40~42]报道用型号6305的滚动轴承的内外套圈作试样[40]，在承受径向交变负荷的寿命试样机上做了试验。
结果表明，碳化物颗粒最大和最小两者之间的平均寿命相差大约2.0倍。
用碳化物颗粒为0.9~1.4um的各种环形试样作寿命试验，结论是：
碳化物颗粒间平均距离的对数的倒数和疲劳寿命呈直线关系，即碳化物颗粒越细小，寿命越高。
大泽近藤也做了同样的试验，得出结论：
具有细球状碳化物（平均直径0.5~1.0um）材料寿命为粗颗粒碳化物（平均直径2.5~3.5um）材料的1.5倍。
也有人用平均碳化物颗粒分别为0.6um和1.4um的细颗粒和粗颗粒碳化物的钢，将马氏体含碳量固定在0.5%，做推力片寿命试验，试验结果表明：
细颗粒材料比粗颗粒材料显著要好，平均寿命（L50）大约为2.5∶1，之所以粗颗粒碳化物比细颗粒碳化物寿命差，他们认为：
轴承钢在淬火温度下，奥氏体的含碳量不是充分均匀的。
在碳化物附近的奥氏体和远离碳化物的奥氏体之间存在着碳的浓度差。
碳化物颗粒越大，这种浓度差也越大。
而浓度高和浓度低的地方寿命都不好，这样平均寿命自然也低。
5.2带状碳化物的影响
带状碳化物是由枝晶偏析引起的。
前苏联学者研究了带状碳化物对轴承钢疲劳寿命的影响。
他们将直径为100mm的GCr15SiMn棒料（中心区带状组织评级为3.5级、边缘为2级）在1150℃扩散退火15h，得到带状组织小于0.5级的钢棒；
以未经扩散退火的直径为100mm的钢棒改锻为60mm，在790℃进行球化退火；
再将两者一同加工成疲劳试样进行试验。
结果表明：
扩散退火使纵向和横向试样的接触疲劳强度大大提高。
如果把带状3.0~3.5级试样的寿命作为100%，则带状为0.5级的纵向寿命为166%，横向为388%。
5.3网状碳化物的影响
网状碳化物是在热加工变形后的冷却过程中形成的，如果在800～900℃之间冷却速度太慢，则溶解在奥氏体中的碳有足够动力和充分的时间扩散到奥氏体晶粒的边界上析出。
最终在钢中呈沿晶的网络状分布。
关于网状碳化物对性能的影响，研究的不多。
A.T.斯别克托尔研究发现，随网状级别的增加，接触疲劳强度下降。
冶钢公司一组GCr15钢氧含量为14×
10-6，碳化物网状为1.5级，与SKF一组相同牌号钢氧含量为8×
10-6，网状为3.0级的钢材对比。
大冶材的接触疲劳寿命L10、L50分别为SKF的1.67和1.74倍。
5.4液析碳化物的影响
液析碳化物与带状碳化物的起因相同，都起源于枝晶偏析。
当偏析严重达到共晶成分时，形成共晶碳化物。
液析碳化物的影响与带状碳化物大体相当。
由于起因相同，减轻和消除的方法也相同。
5.5残余碳化物含量的影响
用轴承钢加工成轴承，必须在淬、回火状态下使用，此时钢具有混合组织，通常含有80%（体积比）的马氏体，5~10%的残余奥氏体和7%左右的未溶/碳化物—残余碳化物。
残余碳化物的含量同样影响疲劳寿命。
有的研究结果指出，残余碳化物的含量为7~8%时，寿命最长。
但这种试验结果是用含碳量一定的钢（1.0%C），在不同温度淬火条件下进行实验得出的。
由于淬火加热温度不同，残余碳化物数量固然有变化，但同时马氏体的含碳量也在变化，而马氏体含碳量对疲劳寿命有显著影响。
因此，残余碳化物含量为7~8%时是否寿命最高，这一结论还是一个问题。
日本学者用其它成分和GCr15相同，而含碳量在0.70~1.17%之间变化的钢，对其进行适当的热处理，使马氏体中的含碳量保持一定，均为0.45%，在这样的条件下研究残余碳化物含量对疲劳寿命的影响。
结果表明，残余碳化物含量由10.5%减少到4.5%，疲劳寿命提高。
研究造成疲劳剥落区附近的显微组织时发现，疲劳裂缝都是在碳化物和马氏体的界面上传播的。
这是因为碳化物和马氏体交界处碳浓度高，易引起应力集中，从而产生裂纹。
残余碳化物一旦增加，碳化物和马氏体的界面增加，于是材料发生破裂的危险也增加。
由此可以推断出，增加残余碳化物会造成疲劳寿命降低。
但完全不存在残余碳化物也不行，从耐磨性角度考虑，为了防止晶粒粗大引起疲劳寿命降低，存在一定数量的残余碳化物是必要的。
6国外轴承钢发展概况
6.1工艺及质量水平
发达国家对于轴承钢的生产及其科研极为重视，其中以瑞典、日本、德国等国表现突出。
它们的轴承钢生产状况体现了当今世界轴承钢生产质量的水平和方向。
由于不断采用新技术，轴承钢的氧含量及其它有害元素含量不断下降，疲劳寿命不断提高。
瑞典是世界轴承钢及轴承的生产“王国”，历史悠久，产品质量居世界之冠。
日本则大有后来居上之势，经过30~40年的努力，加强科研，引进先进技术及装备，优化工艺，使轴承钢的质量跃居世界先进行列。
通过近100年来的发展，轴承钢的生产工艺经过了几次大的变化。
其冶炼方法，从30~40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（SLD）和真空循环脱气法（RH）精炼，发展到今天的综合冶炼工艺，生产工艺复杂，设备较多，但归纳起来只有三种：
一是电炉流程：
即电炉－二次精炼－连铸或模铸－轧制；
二是转炉流程：
高炉－铁水预处理－转炉－二次精炼－连铸－轧制；
三是特种冶金：
真空感应熔炼（VIM）、电渣重熔（ESR）等－轧制或锻造。
一般生产普通用途轴承钢采用电炉流程或转炉流程；
对特殊用途轴承钢（如航空轴承等），则采用特种冶金流程生产。
表1~2列出了世界典型轴承钢生产厂的生产工艺及质量。
下面以瑞典SKF公司、日本山阳特殊钢公司和德国克虏伯钢公司为例说明轴承钢生产工艺的发展及现状。
表1世界各主要轴承钢生产厂的生产工艺及钢中微量含量元素
国家
厂名
生产工艺
T.O
×
10-6
Ti
Al
%
S
P
瑞典
SKF
EAF-除渣-ASEA-SKF-IC（4.2t）
8.1
13.4
0.036
0.020
0.008
日本
山阳
90tEAF-倾动式出钢-LF-RH-IC
90tEAF-倾动式出钢-LF-RH-CC
90tEAF-偏心炉底出钢-LF-RH-IC
8.3
5.8
5.4
14~15
0.011~0.022
0.002~0.013
—
神户
铁水预处理-转炉吹炼-倒包除渣-ASEA-SKF-CC（立弯式大截面坯）
9.0
15
0.016~
0.024
0.0026
0.0063
爱知
80tEAF-真空除渣-LF-RH-CC
7.0
0.03
0.002
0.001
和歌山
转炉-CC
转炉-RH-CC
10.0
6.0
22
12
高周波
EF-ASEA-SKF
EF-ASEA-SKF吹Ar
5.0
20
9
0.015
0.014
0.007
德国
蒂森
高炉-140t转炉TBM-RH-喂丝-IC
12.0
－
6.2瑞典轴承钢的生产技术现状
SKF公司是世界上著名的跨国集团公司，经营项目很多，主要包括：
机械设备、轴承、钢材等。
其中SKF轴承公司是世界上最大的轴承公司，它有Hofors和Hellefors两个炼钢厂，是欧洲轴承钢的主要生产厂家，年生产直接还原铁50000t，钢锭700000t（几乎全是轴承钢）。
60年代以前，轴承钢采用酸性平炉生产，完全不存在点状（D型）氧化物夹杂，有着极其一致的纯净度，因而具有良好的耐疲劳性能。
但是由于酸性平炉不能去除磷和硫，对原材料要求极为苛刻，生产效率低，在激烈的竞争机制中很难满足需要。
表2非金属夹杂物
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