蔣沂萍
（山東大學，山東 濟南 250061）
《軸承》2002年第8期

摘要：敘述GCr15軸承鋼中表面缺陷，低倍組織缺陷及顯微組織缺陷對鋼的各種性能的影響，進而影響到用GCr15鋼制造的軸承鋼球質量，從而加速軸承鋼球的破壞，縮短軸承鋼球壽命。
關鍵詞：軸承鋼，軸承鋼球，鋼球，缺陷，分析
中圖分類號：TH117.2? 文獻標識碼：B? 文章編號：1000-3762(2002)08-0036-04

軸承鋼球是球軸承中承載載荷的滾動體，是球軸承中最關鍵的零件之一。根據軸承類型和用途，制造滾動軸承零配件的材料，一般有高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、不銹軸承鋼、耐高溫軸承鋼和中碳耐沖擊軸承鋼等幾大類，其中高碳鉻軸承鋼中的GCr15鋼用量最大，也是世界滾動軸承生產中用量最大和歷史悠久的鋼種。由于原材料質量對軸承使用壽命和性能有重大影響，軸承鋼球的質量在很大程度上取決于鋼材的質量，所以生產投料前必須對每批鋼材按照技術標準要求進行驗收，分析原材料的化學成份和金相組織，檢查原材料的硬度和表面質量，了解原材料缺陷特征、形成原因及其對性能的影響。就目前情況看，軸承鋼球失效除運轉條件之外，主要受原材料表面缺陷、低倍組織缺陷和顯微組織缺陷的影響，本文擬對生產最常用的GCr15鋼的常見原材料缺陷及對鋼球質量的影響作簡要分析。

1 原材料表面缺陷

高碳鉻軸承鋼材料的表面缺陷主要有裂紋、拆疊、劃傷、夾雜、氧化皮和銹蝕，如圖1。如果原材料存在上述其中任何一種現象就會使得軸承鋼球出現裂紋、口子、大眼、小眼及群點等缺陷，如圖2、圖3。

在裂紋處制成橫向金相試樣，則可見到裂紋呈拆迭狀，中間有灰黑色的氧化皮，周圍白色為純鐵體脫碳層及貧碳組織，裂紋兩側有明顯的脫碳現象，見圖4。如果裂紋較淺，在加工過程中其裂紋連同脫貧碳層全部被磨去，則對軸承鋼球的質量沒有影響，如果僅將裂紋磨去，而裂紋底部的脫貧碳組織未被全部清除而保留下來，淬火串光后，可看到表面有一條與材料裂紋相對應的所謂貧碳線，該處硬度比正常值低，嚴重時為不合格品。

由于原材料表面折疊（圖5）和氧化皮（圖6）的出現，破壞了鋼基體的連續(xù)性，鋼球成形前去不掉時，鋼球表層就等于裂紋，淬火時就容易開裂，如圖7。

2 低倍組織缺陷

借助肉眼和30倍以下的放大鏡觀察到的缺陷稱低倍組織缺陷，低倍組織缺陷有偏析、縮孔殘余、疏松、氣泡、白點粗大、非金屬夾雜物、發(fā)紋和顯微空隙等。這些缺陷的存在將會使鋼材在冷熱塑性變形時以熱處理過程產生裂紋，導致鋼球使用中早期失效。

我國標準規(guī)定鋼材必須無縮孔、皮下氣泡、白點和顯微孔等。中心疏松不得超過1.5級，一般疏松根據鋼材直徑不得超過1 ~ 2級，偏析不得超過2級等。

2.1 偏析

偏析系鋼中化學成分不均勻現象的總稱，存偏析的鋼球，經酸浸后其橫截面上明顯可看到兩個色澤不同的區(qū)域。偏析會使鋼球塑性、韌性下降，力學性能變壞，易產生應力集中、疲勞破壞，影響軸承鋼球使用壽命。

2.2 縮孔殘余

由于鋼錠在開坯時，縮孔未切盡，致使軋制時沿軋制方向延伸而形成縮孔殘余，縮孔殘余缺陷鋼球中極為常見，往往出現在鋼球兩極上，如果將鋼球壓開斷口，即可看到斷口上由于鋼球沖壓變形造成的彎曲狀黑色條紋，此種缺陷即為材料縮孔殘余缺陷，有該缺陷的鋼球淬火后出現淬火裂紋，如圖8。

2.3 疏松

疏松反映了鋼材組織的不致密性，使力學性能顯著下降，淬火時易產生裂紋。疏松經熱酸蝕呈現暗黑色小點和孔隙，冷墩鋼球時條鋼的中心部被擠壓到鋼球表面上形成徑向分布的兩極區(qū)。若兩極區(qū)的面積較大，且疏松較嚴重，則兩極區(qū)產生早期疲勞剝落的概率就會急劇增加。

2.4 氣泡

氣泡是鋼液中含有過量的氣體，凝固時未能逸出，在鋼內形成的空隙。氣泡的存在減少了鋼材的有效截面，并易產生應力集中，大大降低了鋼材強度。

2.5 白點

白點一般認為是在冶煉時鋼中存有一定量的氫氣，在鍛軋時冷卻較快，來不及擴散，逸出而聚集鋼中，造成很大內應力，形成了許多細微裂紋，破壞了鋼的連續(xù)性，有白點的材料絕對不能使用。因為白點缺陷可使縱向延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性急劇下降，有白點的軸承鋼球容易在淬火時開裂。

2.6 粗大夾雜物

粗大夾雜物，澆注時被凝固在鋼錠內的熔渣剝落到鋼液中，以及澆注系統(tǒng)內壁的耐火材料未能浮出而造成的。這種缺陷易造成應力集中，加速疲勞剝落，使鋼球提前損壞。

2.7 發(fā)紋

發(fā)紋是由鋼中的非金屬夾雜物和氣體形成的，是一種在材料表面或表皮下層貌似毛發(fā)的細小裂紋狀缺陷，如果鋼球上有嚴重的發(fā)紋缺陷，使用過程中容易在缺陷處疲勞剝落，影響使用壽命。

3 顯微組織缺陷

借助放大100倍以上的顯微鏡觀察到的組織缺陷稱顯微組織缺陷。鉻軸承鋼的顯微缺陷包括非金屬夾雜物、碳化物不均勻性和退火組織脫貧碳等。

3.1 非金屬夾雜物

軸承鋼中非金屬夾雜物的類型有脆性夾雜物（指氧化物如FeO、Al₂O₃、MNO、SiO₂等）、塑性夾雜物（指鋼中硫化物FeS、MnS等）及點狀不變形夾雜物（指硅酸鹽，如酸亞鐵、硅酸亞錳等），合格級別見表1。軸承鋼中的非金屬夾雜物不僅對加工表面的粗糙度產生不利影響，而且由于它破壞了鋼的連續(xù)性和降低了鋼的致密度，在應力的作用下形成應力集中，導致裂紋的發(fā)生并加速裂紋的擴展，見圖9（硅酸鹽夾雜物）。

表1 ?軸承鋼中非金屬夾雜物合格級別

規(guī)格及狀態(tài)	脆性夾雜物	塑性夾雜物	點狀不變形夾雜物
	級別不下于
≤30 mm的冷拉及退火材料	2	2.5	2.5
30 ~ 60 mm的退貨材料及≤60 mm不退貨材料	3	3	3
＞60 mm	3.5	3.5	3.5

3.2 碳化物不均勻性

碳化物顆粒的大小、形狀和分布，僅對加工性能產生影響，同時對軸承壽命也有著重要影響，軸承鋼中碳化物的不均勻是以碳化物液析、帶狀、網狀以及粒狀碳化物中大塊碳化物增多和彌散程度改變等形式來體現。

碳化物的不均勻分布，將會導致淬火組織的不均勻，從而引起較大的殘余應力。這種殘余應力和工作應力疊加，容易在低強度的區(qū)域內形成疲勞源，并沿碳化物與馬氏體的界面產生剝落。而且不規(guī)則的顆粒較大的碳化物還會使材料的沖擊值顯著下降。作為富鉻區(qū)在長期的交變應力作用下，將會沿晶界析出新的碳化物而引起晶界脆化，同樣會降低材料強度。

碳化物不均勻性在軸承鋼中是受限制的允許存在。一般鋼球用材要求：碳化物液析不得大于1 級，碳化物帶狀不得大于2級，碳化物網狀不得大于2.5級，碳化物帶狀對鋼球制造工藝和壽命影響較大。

3.3 脫貧碳

脫貧碳是指鋼材表面含碳量低于標準規(guī)定的含量，用這種材料冷沖鋼球后，脫貧碳層遺留在鋼球“兩級”與“赤道”之間“環(huán)帶”區(qū)域內。因鋼球“兩級”是原材料的橫向切斷面，“赤道”是鋼球冷沖時上下模擠壓出來的凸邊余料，光球時被去掉，所以“兩極”與“赤道”不會留有原材料脫貧碳層，只有“環(huán)帶”區(qū)域才保留有原材料超出標準的脫碳層，見圖10，這種鋼球淬火后的“環(huán)帶”區(qū)域的低碳（或貧碳）馬氏體組織，沒有或很少剩余碳化物顆粒，使硬度降低，嚴重時不合格，而“兩極”與“赤道”處的組織與硬度正常。由于同一鋼球不同區(qū)域存在著顯微組織與性能差異，除硬度達不到技術要求外，由于軸承鋼球本身硬度均勻，加工過程磨損程度不同，使成品鋼球的圓度尺寸、粗糙度等技術指標，達不到工藝要求，用這種鋼球裝配的軸承，容易在“環(huán)帶”區(qū)域磨損與脫皮，影響軸承使用壽命。

總之，軸承鋼材內部極微小的缺陷金屬?不連續(xù)性、組織不均勻性、化學成分不均勻性等都會加速鋼球的破壞，縮短鋼球壽命。因此，在鋼球生產中，為了保證鋼球質量又能合理利用鋼材，必須對原材料可能出現的各種缺陷進行研究，制定對策，以使影響軸承壽命的鋼球處于最佳狀態(tài)，確保軸承鋼球達到相應的技術要求和使用壽命。