硫化物对GCr15轴承钢疲劳寿命的影响

　2005年9月　第28卷　第5期四川师范大学学报(自然科学版)

JournalofSichuanNormalUniversity(NaturalScience)Sept.,2005　Vol.28,No.5　

硫化物对GCr15轴承钢疲劳寿命的影响

张维平

(成都大学华冶新材料研究所,四川成都610106)

摘要:硫使钢产生“热脆”,异相夹杂物使钢基体产生嵌镶应力,对基体产生划伤、割裂作用,破坏机体的连续性.不同类型异相夹杂因其形状、性能、分布、线膨胀系数等的不同而对基体产生的影响迥异.硫化物夹杂因其塑性好、线膨胀系数大、对轴承钢疲劳寿命影响较小.对硬脆夹杂物有包裹作用而对轴承钢疲劳裂纹的产生、发展有一定阻碍作用.但在脆性夹杂物大幅度降低条件下,硫(硫化物杂夹).

关键词:硫化物;异相夹杂;GCr15轴承钢;微裂纹;疲劳寿命

中图分类号:TG142.33　　文献标识码:A　　文章编号2)0522　　滚动轴承是重要的机械基础件,品和工程结构中应用十分广泛.虽然与轴承的设计、因素有关,.滚动轴,表面产生针状或痘状凹坑、麻点剥落,引起疲劳剥落损坏,使轴承丧失基本功能,终止轴承使用寿命.硫(S),工业用钢不可避免的非金属杂质元素,在夜态钢里有相当大的溶解度,而在固态钢中溶解度极低,且随温度降低而降低.析出硫与金属(非金属)元素以化合物形态存在,作为钢中异物(夹杂物)影响滚动轴承的疲劳寿命.

相当长一段时间,以含C1.0%、Cr1.5%为代表的高碳铬轴承钢,化学元素含量几乎没有变化,但其疲劳寿命却成倍甚至几十倍的提高,原因在于轴承材料的纯洁度提高了.随着轴承钢应用领域的扩展,应用环境变化,对轴承性能要求愈来愈苛刻.仅

,难度.鉴于此,本工作通过对硫化物夹杂在轴承钢中的形态、分布以及与脆性夹杂的相对比例关系的实验研究,探讨在不改变轴承钢纯洁度、冶炼成本增加不大的条件下,改善轴承钢的应用性能.

1　实验

有两批次P5306轴承(GCr15轴承钢)其材料成份如表1所示.从表1可看出B批次轴承钢成份硫含量超标,各选10件,用于某厂家专机减速器中(中等(冲击)载货,中等转速),使用情况如表2所示.

表1　P5306轴承钢成份

Table1　ChemiccompositionofP5306bearingsteel

批次

AB

CSiMnCrSP

0.95～1.000.15～0.300.20～0.351.30～1.650.005～0.0150.05～0.0270.95～1.050.15～0.300.20～0.401.30～1.650.010～0.0250.05～0.027

表2　P5306轴承轴使用情况

Table2　TheapplicationaboutP5306bearingsteel

A批次试样编号

1

23456789现象噪声正常噪声噪声噪声正常噪声噪声噪声外观循环次数/(×109)麻点剥落0.2正常>8麻点剥落2麻点剥落0.5麻点剥落1正常>8麻点剥落0.9麻点剥落2麻点剥落0.8B批次试样编号

1

23456789现象噪声噪声噪声正常正常噪声噪声正常噪声外观循环次数/(×109)麻点剥落3麻点剥落4麻点剥落1.5正常>8正常>8麻点剥落2.5麻点剥落3正常>8麻点剥落0.8　　注:均采用脂润滑

收稿日期:2004-07-20

作者简介:张维平(19592),男,工程师

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从表2可看出B批次轴承钢成份硫含量虽然超标,但疲劳寿命并不低于A批次轴承.在B批次使用正常轴承中外圈有明显印痕处取试样,制样处

理后,在显微镜下观察如图1和图2所示(图1和图2中试样B5,循环次数>8×109)

.

　　　　　a　　　　　　　　　b

图1　GCr15轴承钢显微组织(5)

Fig.1　Themicrostructureof图2　

G

Cr15轴承钢显微组织(×600)

Fig.2　ThemicrostructureoftheGCr15bearingsteel

2　2.1　　众所周知,滚动轴承滚

珠与滚道(槽形)弹性挤压时接触面呈椭圆形,实际

2.2　轴承接触疲劳破坏的组织变化　图1可看出马氏

三相接触应力分布如图3和图4所示.

体已发生变化,位于表层下0.004～0.02mm处有一深暗色侵蚀区,呈现出析出物腐蚀斑点,在滚动接触循环应力作用下,表层下A残量减少.图1(a)为印迹下应力集中区域,×105,(b)“白色区”为线状变态组织,×

(单翼)形貌显微组1162.图2可看出为典型“飞蝴蝶”

织,十分明显,该印痕次表面已有核心裂纹源形成.2.3　轴承基体组织性能变化(接触疲劳循环应力作用下)　基体组织(变态马氏体)为位错密度极高的内孪生马氏体和球状碳化物((Fe、Cr)3C)及弥散的沉淀析出物(脆性、塑性夹杂物).轴承在长期接触循环应力作用下,在表层及近表层内产生变形带,如图5[1],变形带周围有长条碳化物与析出物存在,在长条碳化物长大过程中越来越多的碳从变形带扩散到碳化物中,弥散的沉淀析出物聚集长大,直到变形带中的碳浓度降低到平衡浓度或循环应力作用终止为止.碳化物颗粒聚集长大,基体组织硬度增大,韧性、塑性降低.其变形带长度长大到某一临界值时,即是微裂纹产生之时,该变形带边界处也正是微裂纹产生的位置.2.4　轴承疲劳破坏机理2.4.1　非金属夹杂物对轴承疲劳寿命的影响　硫化物、Al2O3、硅酸盐、球状夹杂物等都会因微量杂质元素的存在而结晶析出,在温度变化、塑性形变作用下,易于引起应力集中,成为轴承裂纹源,降低轴承使用寿命.上述夹杂物由于本质的差异在基体组织中形状、分布、性能截然不同.如硅酸盐类(IFeO mMnO nAl2O3 pSiO2)夹杂物质硬而脆,棱角分明,热

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膨胀系数远低于基体组织(表3),在热处理或形变过程中极易产生嵌镶应力,划伤基体,形成裂纹源

.

—CCr15轴承钢,循环次数>2×109

图5　变形带和长条碳化物的电子显微镜照片

Fig.5　Themicrostructureofvaryingbandandstripcarbon图6(×50)

inclusionsofsulfideandoxide

表3　0～800℃Table3　in0800℃

(如硅酸盐类),对基体造成的应力越大,且当夹杂物线膨胀系数小于基体时,所

产生应力为拉应力(冷却时).MnS、CaS的线膨胀系数大于钢组织基体线膨胀系数,硫化物区域钢组织基体受到应力为压应力[2],减小了形成裂纹源的可能性.

(3)非金属夹杂物的分布对轴承疲劳寿命的影响.由于每个硬脆夹杂物(CaS属此类夹杂物)周围都有应力场,两夹杂物过于靠近,两应力场就会叠加起来,而夹杂物相距太远,则必然为夹杂物聚集的结果,聚集长大的夹杂物,同样导致应力集中,为形成更多的裂纹源创造了机会.另外,当滑移(或已有的微裂纹)运动到与太小的夹杂物相遇时容易绕过夹杂物,如果遇到太大的夹杂物时,易产生应力集中,夹杂物易破碎而被突破,加速疲劳微裂纹的扩展速度.MnS是塑性夹杂物,周围应力场有别于上述硬脆夹杂物,但毕竟对钢组织基体而言仍为异相夹杂物,不可能在形变时与基体完全同步.弥散均布,仍不失为减少MnS塑性夹杂物对周围基体有害影响的有利途径.

在硫化物夹杂出现的地方,从来没有看到过“飞蝴蝶”组织和疲劳微裂纹,也没有看到完全被硫化物包围的氧化物夹杂的“飞蝴蝶”组织[3].图2可看出对于氧化物夹杂一侧形成单翼,硫化物一侧阻碍了另一翼的形成.“飞蝴蝶”产生的时候,微裂纹便出现在“飞蝴蝶”翅膀的边缘.图2试样硫含量较多,由于轴承钢有较多的锰含量,为硫化物(MnS)的产生提供了更多的机会,致使“飞蝴蝶”翼的发展受到阻碍.有较多的硫化物,且能弥散均布于基

夹杂物类型

基体硫化物

Als2Os3

MnSCaSAl2O3

线膨胀系数α(×10-6)/℃-1

12.518.114.7×10-6)8.0(20～550℃

5.0

硅酸盐

3Al2O3 2SiO2(莫来石)2MnO 2Al2O3 SiO2

CaO 2Al2O3CaO 6Al2O3

≤2.0

5.08.8

球状夹杂物(铝酸钙)

2.4.2　硫化物对轴承疲劳寿命的影响　硫与铁形

成FeS,其熔点为1190℃,FeS与Fe一起形成的离

).FeS沿初生晶粒晶界析异共晶熔点更低(988℃

出,形成包围铁素体晶粒的连续或不连续的网状易熔组织,热加工时,由于硫化物的熔化而造成轴承钢的“热脆”.

(1)非金属夹杂物的塑性对轴承疲劳寿命的影响.硫与锰(钙)等形成硫化夹杂物,夹杂物MnS在1000℃以下具有相当的塑性变性能力,属于典型的

塑性夹杂物,钢组织受到应力而变形时,它能与基体在一定程度上同步变形,不会使基体产生嵌镶应力而引起应力集中、划伤基体,形成裂纹源.CaS不同于MnS,当钢组织受到应力而变形时,既不变形,也不会破碎,常在夹杂物两侧形成“孔穴”,形成裂纹源.

(2)非金属夹杂物的线膨胀系数对轴承疲劳寿命的影响.从表3可看出,MnS、CaS的线膨胀系数大于钢组织基体线膨胀系数,根据“镶嵌理论”,夹

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体组织,可以有效阻碍“飞蝴蝶”翼的产生,延长疲劳微裂纹形成时间.

(4)塑性硫化物夹杂与脆性夹杂物对轴承疲劳寿命的影响.轴承钢中,常发现硫化物包围氧化物夹杂(脆性夹杂物)的现象,如图6[3].硫化物可看作为氧化物夹杂(脆性夹杂物)与基体组织间的缓冲过渡带,缓减脆性夹杂物对基体组织的割裂、划伤作用,减小脆性夹杂物对基体组织产生的嵌镶应力.图2试样说明,对疲劳微裂纹产生阻碍作用.脆性夹杂物弥散均布能将其本身对基体组织的有害作用降到最低限度,再辅以弥散均布的硫化物对脆性夹杂物的包裹、过度作用,寿命.

用,.艺的改进,()脆性夹杂物大幅度降低,硫化夹杂占钢中夹杂物比例相对提高.已有实验结果表明[4],塑性夹杂物在精炼钢中所占夹杂物总量的比例,由非精炼钢的30%左右增加到来90%以上.如前所述,对钢组织基体而言塑性夹杂物仍为异类夹杂.不可能在形变时与基体完全同步、性能上与基体协调,对基体有割裂作用的事实参考文献

[1]БоргезесСФ.ПроóлемыТренияиСмази,1970,(1):63～68.

始终存在.在轴承钢冶炼技术不断发展的今天,随

着脆性夹杂物的减少,对塑性夹杂物的限制对提高轴承钢的疲劳寿命显得更加重要了,如瑞典SKF公司将硫含量限制在0.005%～0.025%之间.

3　结论

(1)Gr15轴承钢中,析出,生成硫化物、Al2O3、,对2)(硬度)、,分,棱角分明,线膨胀系数小(低于基体)的夹杂物(如Al2O3、硅酸盐、球状夹杂物等),使基体产生较大拉应力,划伤基体,形成裂纹源.

(3)硫化物能有效缓减硬脆夹杂物对基体组织的割裂、划伤作用,减小脆性夹杂物对基体组织产生的嵌镶应力.特定条件下,GCr15轴承钢中适当提高含硫量,对轴承疲劳寿命影响较小或稍有延长.

(4)硫作为非金属元素析出形成MnS夹杂,有缓减硬脆夹杂物对基体组织影响的作用,但在脆性夹杂物减少条件下,应当予以限制.

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EffectofSulfuronFatigueLifeofGCr15BearingSteel

ZHANGWei2ping

(NewMaterialResearchLaboratory,ChengduUniversity,Chengdu610106,Sichuan)

Abstract:Sulfurbringsthesteel’s“hotbrittleness”.Heterophaseinclusionsproduceinlaidstresstothematrix.Thusthematrixmaybescuffedanddissevered,andthecontinuityofthematrixmaybedestroyed.Theeffectonthematrixvarieswiththeinclusion.Thusshape,per2formance,distributionandcoefficientoflinearexpansion.Assulfidhasbetterplasticityandbiggercoefficientoflinearexpansion,andithaslesseffectonfatiguelifeofbearingsteel.Thesulfidmayhavethefunctionofenwrappingbrittleinclusions,thusitisabletobaffletheflawinbearingsteel.Whenthebrittleinclusionsarereducedtoagreatextent,thecontentofthesulfur(sulfideinclusions)shouldberestricted.

Keywords:Sulfide;Heterophaseinclusions;GCr15bearingsteel;Microflaw;Fatiguelife

(编辑　李德华)

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