轴承钢的接触疲劳性能研究＊

高胜利，王光宏，屈盛官

（1.太原电力高等专科学校，山西 太原 030013；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

0 引言

轴承的精度、性能、寿命和可靠性对主机（如航空发动机）的精度、性能和可靠性起着决定性的作用［1－4］。轴承的研发涉及材料、油脂及润滑、制造、设计、轴承制造装备、检测与试验等一系列技术难题，还涉及接触力学、润滑理论、摩擦学、疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础研究和交叉学科。本文主要从材料切入，以最常用的轴承钢GCr15为研究对象，在试验的基础上对比国产GCr15钢、美国AISI52100钢和日本SUJ2钢的接触疲劳磨损性能，以发现常用国产轴承钢与进口轴承钢的优劣，并分析其原因，为我国轴承尤其是高端轴承的研发提供参考和依据。

1 试验过程

1.1 材料制备

本文选用材料为国产GCr15、美国AISI52100、日本SUJ2等常用轴承钢，以下分别将其命名为G1、A2、S3钢。对试验钢基体材料取Φ10 mm×140 mm疲劳性能检测试棒、Φ5 mm×65 mm拉伸标准样、10 mm×10 mm×55 mm的冲击试样（U型缺口）以及随炉试样若干，经860℃×30 min油淬和160℃×2 h低温回火处理。在各钢毛坯中取3个试样，经860℃×30 min油淬处理后研磨抛光，用来评定轴承钢中所含的夹杂物。

1.2 试验方法

各轴承钢的化学成分采用ARL4460直读光谱仪检测，每个试样打3个点。同时，对各轴承钢的冲击韧性、拉伸、硬度等力学性能进行检测。接触疲劳性能试验在球－棒试验机上进行，试验中每根试验钢棒进行10次重复试验，且试验条件均相同：湿度为60%～70%，温度为室温，试验载荷均为3 920 N，即赫兹接触应力为8.48 GPa，试验时机器转速为1 800 r／min，每小时钢球与试验钢棒接触2.49×105次［5，6］，润滑剂为长城牌7008号通用航空润滑脂。

2 试验结果与讨论

2.1 材料的力学性能

各轴承钢的化学成分测3次取平均值，其结果如表1所示。由表1并对照国家标准［7］可知，除国产G1轴承钢碳含量略高外，3种钢材的各化学元素含量差别不大且均在标准范围内。各轴承钢热处理后的拉伸性能、硬度、冲击韧性结果分别如图1、图2、图3所示。由图1～图3可以看出：G1轴承钢和A2轴承钢的拉伸强度在1 100 MPa左右，而S3轴承钢的拉伸强度明显高于前两者，达到1 180 MPa；3种轴承钢的硬度差别不大，均接近60 HRC；G1轴承钢回火后的冲击韧性值均为6.41 J／cm2，而A2轴承钢和S3轴承钢的冲击韧性值为8 J／cm2左右，为G1钢冲击值的1.25倍。

表1 各轴承钢的化学成分（质量分数） %

图1 各轴承钢热处理后的拉伸强度

图2 各轴承钢热处理后的硬度

2.2 材料的接触疲劳性能

对各试验轴承钢试棒进行接触疲劳试验，其与钢球之间的相互作用次数如表2所示。由表2可知，在同样的试验条件下，S3钢、A2钢的应力循环次数明显比G1钢多，而且S3钢的应力循环次数较A2钢的应力循环次数略多。

图4、图5、图6分别为G1钢、A2钢、S3钢试棒疲劳数据的Weibull分布。从各个钢试棒的Weibull分布图中可得到其中值疲劳寿命、额定疲劳寿命、特征疲劳寿命和Weibull疲劳曲线斜率，如表3所示。其中，L50，L10，La和k分别表示中值疲劳寿命、额定疲劳寿命、特征疲劳寿命和 Weibull疲劳曲线斜率。由表3可知：A2钢的额定寿命比G1钢的额定寿命略低，但其他疲劳寿命值均明显高于G1钢，尤其是A2钢的特征额定寿命是G1钢特征额定寿命的1.66倍；而S3钢的所有疲劳寿命值均明显高于A2钢、G1钢的疲劳寿命值，其特征额定寿命是G1钢特征额定寿命的1.83倍；但G1钢疲劳寿命的 Weibull曲线斜率均高于A2钢、S3钢，这说明G1钢的数据分布带相对较窄，其失效时间分布相对稳定［8，9］。综合考虑，S3钢的接触疲劳性能最好，A2钢次之，G1钢最差。

图3 各轴承钢热处理后的冲击韧性值

表2 各试验钢棒与钢球的作用次数 次

图4 G1钢接触疲劳试验结果的Weibull曲线

图5 A2钢接触疲劳试验结果的Weibull曲线

由以上结果及分析可知，在成分、硬度、强度、韧性 差别不大的情况下，这3种钢的接触疲劳性能差别却很大，这就要求作进一步分析。轴承钢中的非金属夹杂物破坏了金属的连续性，在交变应力作用下，易引起应力集中，成为疲劳裂纹源，从而对钢接触疲劳性能有非常重要的影响［10］。3种轴承钢中所含夹杂物的金相照片分别如图7所示，3种钢中所含的夹杂物均主要为A类硫化物夹杂和D类铝酸钙复合夹杂。G1钢中的A类硫化物夹杂的链长和宽度明显比A2钢、S3钢的A类硫化物夹杂的链长长、宽度大，同时G1钢中的D类铝酸钙复合夹杂明显比A2钢、S3钢中的D类铝酸钙复合夹杂多；而就A2钢和S3钢而言，S3钢中的A类硫化物夹杂和D类铝酸钙复合夹杂更少些、相对更洁净。G1钢中较多的夹杂物使其在交变载荷的作用下，在材料内部更容易过早地产生疲劳裂纹，从而大大降低了材料的抗接触疲劳磨损性能；反之，A2钢、S3钢更洁净，有利于其抗接触疲劳磨损性能的提高。

图6 S3钢接触疲劳试验结果的Weibull曲线

3 结论

GCr15轴承钢、AISI52100轴承钢、SUJ2轴承钢的成分基本均在标准范围内，强度、硬度、韧性等力学性能差别不大，但是进口SUJ2轴承钢的接触疲劳性能最好，AISI52100轴承钢的接触疲劳性能次之，GCr15轴承钢的接触疲劳性能最差，这主要是由GCr15轴承钢的非金属夹杂物含量较高所造成的。

图7 3种钢夹杂物金相照片

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