華劉開 尹青 楊延輝 李鋒 許曉紅)
（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）
【摘 要】軸承鋼純凈度控制主要是控制鋼液中的夾雜物，本文研究了爐渣組成微調對于LF終點鋼液中夾雜物的影響，確保了軸承鋼的純凈和穩定。但目前普遍用來評價軸承鋼純凈度和均質化程度的方法難以滿足對超長疲勞壽命軸承鋼的質量評估，本文提出了一種更科學直觀地評判軸承鋼的質量水平的方法。本文采用旋轉彎曲疲勞、SEM+EDS、面掃等方法，研究了試驗用100Cr6軸承鋼的高周及超高周疲勞性能，以及傳統疲勞極限附近的失效概率分布，并統計了夾雜物的成分、尺寸等信息。
【關鍵詞】軸承鋼；掃描電子顯微鏡；旋轉彎曲疲勞；疲勞壽命
軸承鋼是鋼鐵材料中的高技術產品，具有較高的疲勞強度和抗壓強度，純凈并且均勻的組織使得其擁有高而均勻的硬度，是重大裝備制造和國家重點工程建設所需要的關鍵材料。雖然軸承鋼技術已經取得了較大的進步，冶金設備、工藝和生產流程與國外先進的軸承鋼廠也基本一致，但由于各個鋼廠在冶煉工藝、軋制控制工藝、自動化能力及操作水平等方面存在較大差距，導致在純凈度控制（氧含量、鈦含量、有害元素含量及夾雜物尺寸與分布）、碳化物控制（網狀碳化物、帶狀組織、碳化物尺寸及其分布）及低倍組織（中心疏松縮孔和成分偏析）等方面相差較大，而且目前常規的軸承鋼質量的評估方法，很難滿足對超高疲勞壽命軸承鋼的質量評價。近年來的研究表明，鋼鐵材料，尤其是高強鋼在傳統疲勞極限之下，通過千萬（107）循環周次后，仍會發生斷裂失效。隨著科技進步，如飛機、高鐵、汽車等現代工業裝備在服役期內的疲勞循環周次達到億（108）次，甚至更高。而當前大部分零部件的疲勞設計是在千萬（107）循環周次的基礎上建立的，這會對裝備的服役安全性產生很大的隱患。因此，今后很有必要開展零部件用高強鋼在億（108）循環次及以上條件下的疲勞性能研究工作，為未來更嚴格的疲勞設計提供試驗數據。
1 軸承鋼純凈度控制
對于需要長時間使用、單次核心零件更換間隔時間長，容易發生失效風險的往往是需要承受周期性重型載荷、長期旋轉工作的零部件，如軸承、齒軸件等，而材料中的夾雜物是引起零件疲勞的重要原因之一。因此，必須在坯料生產階段就要采取有效措施降低鋼中夾雜物的含量。為了有效的檢測并反饋產品的純凈度情況，并杜絕不滿足要求的產品交付，興澄特鋼采用了金相顯微鏡夾雜物評級、掃描電鏡-能譜(SEM-EDS)、面分布掃描電鏡、超聲波探傷、夾雜物萃取、全氧分析等檢測手段，定性-定量分析夾雜物的尺寸、數量、成分種類，進而結合冶煉工藝特點，追蹤其來源，制定相應的改善措施。
圖1所示為高碳軸承用鋼GCr15試樣經過一定壓縮比熱鍛造后，材料試樣電解得到的單個顆粒夾雜物，其主要組成為CaS，伴隨少量其它Mg-Si質氧化物，結合其三維形貌特點和冶煉過程追溯，推斷其形成機理和原因：
1）LF 精煉初始鋼水S含量高于普通爐次；
2）LF 精煉前期鋼水攪拌不充分，脫硫動力學條件不良；
3）LF 中后期脫硫產物CaS雖然尺寸達到30μm以上，但鋼液流動條件不良，在鋼包-中間包-結晶器內此夾雜物顆粒未完全上浮去除；
4）LF頂渣對于鋼中夾雜物的吸附能力不足，是可能的原因之一。
為了提高鋼的純凈度，減少上述類型夾雜物的出現，冶煉部門進行了兩組因素試驗，考察爐渣組成微調對于LF終點鋼液中夾雜物的影響。其中方案2為當時正常使用的爐渣組成，用作試驗比較，方案1、3為調整后的兩組爐渣組成，在LF冶煉終點應用取樣器在鋼水中取餅狀試樣，分別編號1-4、2-4和3-4（4代表LF冶煉終點時刻）。試樣經過自動制樣、電鏡面掃（50mm²）統計夾雜物的成分分布（圖2-a示意圖）、數量、尺寸（圖2-b）和平均成分組成（圖2-c）。由圖2-c可知，LF爐渣調整后無論是方案1或方案3，夾雜物中S含量較方案2均有所下降，方案3中Ca含量較方案1高約12%；從夾雜物尺寸（圖2-b）分布來看，方案1夾雜物無論是尺寸還是數量，明顯優于方案2，方案3夾雜物數量少于方案2，但試樣中檢出了較方案2試樣中更大的夾雜物（30～40μm）。綜合而言從鋼的純凈度控制方面方案1爐渣優于方案3爐渣，較原用爐渣（方案3）效果更好，經過多爐試驗反復驗證，Z終工藝調整爐渣微調至方案1組分，減少了圖1類似夾雜物的出現率。在LF爐渣成分微調之后，對鋼包吹氬所涉及的全過程進行系統梳理，穩定鋼水在鋼包內的流動、減少異常情況，確保了軸承鋼的純凈和穩定（如圖3所示全氧含量）。
2 超長疲勞壽命軸承鋼質量
前期的研究表明，在傳統疲勞極限下，試樣通過千萬循環周次后，仍會斷裂，且起裂源大多為內部夾雜物，只有極少數試樣起裂源為表面劃痕引起的晶體滑移帶或表面夾雜物。所以鋼材的純凈度是影響其疲勞壽命的主要因素。不過，從目前來看，未看到國內鋼廠對軸承等關鍵零部件用鋼的超高周疲勞性能研究的公開報道。本次研究了興澄鋼廠100Cr6軸承鋼批量材的超高周疲勞性能，及在傳統疲勞極限附近的失效概率分布情況。
2.1 旋轉彎曲疲勞性能
2.1.1 試驗材料與方法
試驗用100Cr6軸承鋼為BOF+LF+RH冶煉，200×200mm2連鑄機成型，軋制成φ35mm的圓棒。成品化學成分如表1所示。
試驗用圓棒經球化退化后，掏取中心材加工成疲勞試樣毛坯，再經淬回火后，精磨至Z終尺寸，表面粗糙度Ra優于0.2μm。
旋轉彎曲試驗按照GB/T4337-2015標準進行，采用島津H7型旋轉彎曲疲勞試驗機，四點加力式，轉速為3000r/min，應力比R=-1。將失效試樣斷口密封保存，切割后放置在乙醇溶液中超聲波震蕩，沖洗雜質，吹干后在IT300型掃描電鏡下觀察斷口形貌，統計裂紋源成分及尺寸。在疲勞試樣的夾持段切取φ15×10mm（高），經鑲嵌、磨拋后作為面掃試樣，放入全自動夾雜物分析儀，檢測橫截面中夾雜物信息。
2.1.2 試驗結果
圖4為試驗鋼100Cr6經熱處理后的微觀組織，由表及里，組織類似，可見針狀回火馬氏體和彌散分布的碳化物。表面洛氏硬度為62HRC。
圖5為試驗鋼100Cr6的非金屬夾雜物的評級圖，生產檢驗時6個試樣的各類夾雜物Z嚴重級別分別為A細：0.5；A粗：0.5；D細：0.5；D粗：0.5，其余都為0級�？梢姡ㄟ^金相檢驗法，判定試驗鋼的純凈度較高。
圖6為試驗在107條件下的升降圖，按照GB/T24176-2009計算傳統的疲勞極限，σ-1=967MPa。
圖7為試驗鋼100Cr6的旋轉彎曲疲勞試驗的S-N曲線。圖中所采用的因夾雜物起裂數據，已剔除在同一應力幅值級別下由格布拉斯準則法判定為異常數據。可見，在傳統疲勞極限上下的980MPa及960MPa應力幅值級別，有部分試樣通過107循環周次后仍發生疲勞斷裂。
2.1.3分析與討論
從圖7可以發現，試樣大多從內部夾雜物起裂，只有少量試樣在高應力幅值下起裂于表面，這與疲勞試樣高質量的表面處理有關，其經細砂輪磨削后，再經2000目砂紙縱向打磨，及絨布旋轉拋光。另外，在傳統疲勞極限附近，全部試樣從內部（含近表面）夾雜物處起裂。這可能是應力降至傳統疲勞極限附近時，試樣表面因滑移而造成的擠入擠出機制受到抑制。因而，由內部夾雜物引起的應力集中成為裂紋起源的主要原因。
當前共識，夾雜物的控制水平直接影響特種鋼材的使用壽命和疲勞性能。即夾雜物尺寸越小，試樣使用壽命越長，疲勞性能越好。通過統計失效斷口中的起裂源夾雜物的尺寸信息，也驗證了這點，如圖8所示。試驗鋼100Cr6呈現疲勞壽命隨著夾雜物尺寸增大而降低的大致趨勢。
起裂源夾雜物的尺寸分布如圖9所示，顯示尺寸大小主要分布在20～35μm區間，按Ds類夾雜物評級屬于1～2級，其代表了在試樣平行段內較大夾雜物的尺寸大小。通過掃描電鏡所配能譜儀EDS分析起裂源夾雜物成分，主要為Al-Ca-Mg復合氧化物，及少量的Mg-Al夾雜物、Al-Ca鋁酸鈣、含Ti析出物。其屬于D和Ds類夾雜物，質地較硬，其典型形貌如圖10所示。
疲勞試樣夾持段橫截面的面掃結果顯示：MnS, CaS, 硅酸鹽等壓縮比較大的夾雜物占比80.5%，其余為Al-Ca-Mg復合氧化物等剛性夾雜物，如表2所示。橫向視角下，尺寸≤10μm的夾雜物占比99.1%�？梢园l現，即使金相檢驗和SEM面掃分析顯示試驗鋼100Cr6純凈度較高，但是通過旋轉彎曲疲勞方法仍能發現尺寸較大且不易變形的剛性夾雜物，其對疲勞強度有較大的降低作用。
在研究疲勞壽命的隨機分布規律時，過去常采用對數正態分布模型。但在傳統疲勞極限附近，一些試樣可能失效，而另一些試樣不失效，分布的形狀常會是不對稱的，這時對數正態分布已不適合。標準GB/T24176-2009指出：對于具有長壽命特征的樣本，有時可采用威布爾分布。只有確定了樣本疲勞壽命符合何種分布，才能較準確地預測在給定失效概率P下的疲勞壽命，工件才能更安全地服役。
試驗鋼100Cr6的傳統中值疲勞極限為967MPa，其在960MPa和980MPa應力幅值級別下的失效概率分布如圖11所示�？梢姡谕粦Ψ迪�，疲勞壽命更符合二參數威布爾分布。相比于980MPa應力幅值，960MPa應力幅值下的擬合曲線斜率較小，代表數據較分散。因此，要保證結果的可靠性，選取的應力幅值越小，選用的試驗樣本數就該越大。
2.2 滾動接觸疲勞性能
興澄公司滾動接觸疲勞采用推力接觸條件，按照JB/T 10510《滾動軸承零件接觸疲勞試驗方法》規定進行試驗，試驗載荷選用4.5 GPa，試驗機轉速≥2000 r min-1，潤滑介質為N32機油。圖12為不同時期興澄公司生產軸承鋼接觸疲勞壽命的對比試驗，不僅反映了項目進展過程中軸承鋼滾動接觸疲勞性能的逐步提升(滾動接觸疲勞性能L10從2009年約0.5x107次提高到了2019年的全面大于2×107次)，也證明了材料純凈度和均質化程度的提升能夠較大地提升軸承鋼疲勞性能。
3 結論
1)對LF爐渣成分進行合理的微調，可以有效的提高軸承鋼的純凈度和穩定性；
2)試驗鋼100Cr6在傳統疲勞極限下，通過107循環周次后，仍會出現疲勞斷裂失效，而非無限壽命；
3)在整個應力幅值范圍，試驗鋼100Cr6只在中高應力幅值下，出現部分試樣因表面晶體滑移而起裂的情況；在傳統疲勞極限附近，全部為內部夾雜物起裂；
4)試驗鋼100Cr6經旋轉彎曲疲勞試驗斷裂后，經SEM+EDS檢測分析發現，起裂源夾雜物主要為Al-Ca-Mg復合氧化物，及少量的Mg-Al夾雜物、Al-Ca鋁酸鈣、含Ti析出物，屬于D和Ds類夾雜物，都為剛性夾雜物；
5)傳統疲勞極限σ-1=967MPa，在其上下的應力幅值980MPa和960MPa的條件下，相比于正態分布，疲勞壽命更符合二參數威布爾分布。而且，相比于980MPa應力幅值條件下，在960MPa應力幅值下的擬合曲線斜率較小，即疲勞壽命數據較分散。為了獲得更高的可靠度，需要更多的試樣樣本。
(江陰興澄特種鋼鐵有限公司 華劉開,尹青,楊延輝,李鋒,許曉紅)
【參考文獻】
[1]張繼明，楊振國，張建鋒，李廣義，李守新，惠衛軍，翁宇慶。金屬學報，2005；41：145.
[2] 洪友士, 趙愛國, 錢桂安. 合金材料超高周疲勞行為的基本特征和影響因素[J]. 金屬學報, 2009, 45(7):769-780.
[3] 李永德, 張莉莉, 張沖, 等. SUJ2軸承鋼超長壽命疲勞行為研究[J]. 材料工程, 2016, 44(8):85-92.
[4] 周超, 張永健, 惠衛軍, 等. 氫對42CrMoVNb鋼超高周疲勞性能的影響[J]. 鋼鐵研究學報, 2013, 25(12):52-57.
[5]史智越, 許海峰, 許達, 等. 采用ASPEX和旋彎疲勞法表征GCr15軸承鋼夾雜物[J]. 鋼鐵,2019, 54(4):55-62.
[6] MurakamiY, Yokoyama N N, Nagata J. Mechanism of fatigue failure in ultra-long liferegime [J]. Fatigue Fracture Engineering Materials Structure, 2002, 25(8-9): 735-746.
[7] StanziS E, Tschegg E K, Mayer H. Lifetime measurements for random loading in the veryhigh cycle fatigue range [J]. International Journal of Fatigue, 1986, 8(4):195-200.
（文章來源：2020峰會論文集）
（中國軸承工業協會）
（版權歸原作者或機構所有）
