高洁净轴承钢夹杂物评价与滚动接触疲劳寿命

田 超 刘剑辉 董 瀚

(钢铁研究总院，北京 100081)

全球变暖和节能减排议题持续推动汽车和工业机械朝着轻量化的方向改变，轴承作为重要的机械部件预计将承受更高的负载，这迫使钢铁从业者生产具有优异的疲劳寿命和可靠性的轴承钢。滚动接触疲劳(rolling contract fatigue，简称RCF)失效是轴承的正常失效形式，以滚道表面出现剥落凹坑为主要特征。目前普遍认为，材料内部的组织缺陷是导致疲劳裂纹产生的内因[1- 2]，内部疲劳裂纹在接触表面的切应力作用下发展至接触表面最终导致剥落凹坑的出现。非金属夹杂物作为轴承钢最主要的组织缺陷显著影响疲劳性能。衡量轴承钢的洁净度水平，宏观上多以全氧含量为指标，总的来说全氧含量降低使疲劳性能得到提高[3- 4]。但在普遍追求低氧含量所代表的高洁净度的同时，尺寸最大的夹杂物已对轴承钢性能产生显著影响[5]，夹杂物检测和评价方法改进显得更加重要。探讨低氧的高洁净轴承钢的夹杂物评判标准是一项重要而艰巨的任务，而国内目前尚缺乏对非金属夹杂物颗粒大小及分布状态的深入研究[6- 8]。日本学者最先提出并使用了统计极值法(statistics of extreme values，简称SEV法)作为一种夹杂物检测和评价的方法，目前该方法已在国外得到应用[9- 10]。国内有学者将其应用于高强钢研究，并对高周疲劳性能进行了预测[11]，但罕见用于高洁净轴承钢的报道。

本文使用SEV法深入评价了相同工艺下高洁净轴承钢中的非金属夹杂物，并结合RCF寿命试验结果验证了该方法的可行性，同时探究了高洁净轴承钢夹杂物尺寸差异化的原因。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本研究以国内某钢厂生产的T.[O]≤5 μg/g的高洁净GCr15轴承钢为试验对象，生产工艺流程为120 t BOF→LF→RH→CC，后经热轧为φ60 mm圆棒自然冷却。选取了两组试验钢分别记为1号和2号，经测定试验钢的化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the tested steels (mass fraction) %

1.2 夹杂物评价

夹杂物评价分别采用传统的非金属夹杂物评级方法(GB/T 10561—2005)和SEV法。SEV法的取样观测如图1所示，分别在两组试验钢棒上随机切取24个金相试样，观察面为圆棒纵切面。试样切取后首先经淬火+低温回火处理以提高硬度，使之易于制得平整、无划痕、无凹坑的抛光面，具体工艺为840 ℃/0.5 h→油淬→170 ℃/2 h→空冷。标准视场面积S0为280 mm2，每组试验钢观察总面积为6 720 mm2。试样经磨抛后，使用Zeiss 40MAT光学显微镜进行观察，找到标准视场面积内的最大夹杂物并拍摄；每组试验钢统计24个最大夹杂物的面积值，并按从小到大的顺序依次排列，记作Ai(i=1,2,…,N，N=24，A1≤A2≤…≤A24)，作为样本数据。使用图像分析软件测定夹杂物像素值，并换算为实际面积，求得夹杂物的面积值。对于点链状夹杂，参照GB/T 10561—2005中5.2.3可视为同一夹杂物的，分别统计其中点链面积后求和计为夹杂物面积值。

图1 SEV法取样观测示意图(S0=280 mm2)Fig.1 Sampling and observation schematic of SEV(S0=280 mm2)

1.3 SEV法与似然函数估计求解

(1)

(2)

式中：G(x)为最大夹杂物特征尺寸不大于x的概率，g(x)为概率密度；δ、λ分别为尺度和位置参数。第i个夹杂物尺寸不大于xi的累计概率为：

G(xi)=i/(N+1)

(3)

(4)

令：

Y=-ln(-ln(G(x)))

(5)

将xi与对应的-ln(-ln(G(xi)))分别作为横、纵坐标于同一坐标系内作图，则：

(6)

(7)

L(x1,x2,…,xN,λ,δ)=

(8)

当函数L关于δ和λ的偏导存在，使L取最大值，则有：

(9)

1.4 RCF寿命试验

对两组钢在相同参数下进行了RCF寿命测定。试验在JP-52推力型接触疲劳试验机上于室温下进行，转速为2 800 r/min，使用32号机油润滑。为了确保更快的RCF失效，试验被设定在最大接触应力4.5 GPa下进行，每组子样数量20个。RCF试样为环状，外径52 mm，内孔直径30 mm，高度10 mm， 表面出现剥落凹坑即判定为失效，如图2所示。RCF试样需热处理至表面硬度高于61 HRC。为确保组织均匀性及良好的机加工性能，试验钢先从805 ℃随炉冷却至680 ℃空冷作球化退火处理，机加工成RCF试样毛坯件后再次加热至840 ℃油淬，并于170 ℃回火，工艺如图3所示。然后毛坯件经精加工并消磁处理制成RCF试样。试验结果处理及L10和L50寿命的计算按照YB/T 5345—2006标准进行。

图2 RCF试样尺寸及失效判定形式Fig.2 Dimensions and failure judgment of RCF specimens

图3 RCF试样热处理工艺示意图Fig.3 Schematic illustration of heat treatment process of RCF specimens

2 试验结果

2.1 夹杂物评价结果

两组试验钢的夹杂物评级结果相同，如表2所示。

表2 试验钢的夹杂物评级结果Table 2 Inclusion rating results of experimental steels

根据样本数据，用似然函数估计求得参数δ和λ的值分别为δ1号=4.72、λ1号=19.03；δ2号=3.17、λ2号=12.55。SEV法评价结果如图4所示，在30 000 mm2参考区域内1号和2号试验钢的最大夹杂物尺寸预测结果分别为41和27 μm。

表3 1号试验钢的夹杂物SEV样本数据(S0=280 mm2)Table 3 Inclusions statistics of steel No.1 for SEV method (S0=280 mm2)

表4 2号试验钢的夹杂物SEV样本数据(S0=280 mm2)Table 4 Inclusions statistics of steel No.2 for SEV method (S0=280 mm2)

2.2 RCF寿命试验结果

所有疲劳试样RCF寿命的Weibull分布如图5所示，可见两组试验钢的低寿命数据点未出现明显偏离。使用最佳线性不变估计(BLIE)方法求得两组试验钢的RCF寿命如表5所示，2号试验钢L10、L50寿命分别比1号试验钢的高12.6%、13.6%。

3 分析与讨论

由夹杂物评价结果可见，两组试验钢的非金属夹杂物评级(GB/T 10561—2005)结果一致且未发现大尺寸夹杂物的存在，主要原因是夹杂物评级方法适用于各类钢种， 但对于所含夹杂物从含量到尺寸水平都相对其他钢种较低的轴承钢尤其是高洁净轴承钢而言，其评级样本数量少，结果具有随机性， 故未能有效反应出两组试验钢夹杂物水平的真实差异。于是本文采用SEV法设定了更大的标准视场面积(S0=280 mm2)和更多的样本(N=24)，并根据样本数据给出夹杂物评价的量化结果，有效反映出了试验钢的洁净度差异：夹杂物特征尺寸分布更接近坐标系纵轴，表示夹杂物整体尺寸较小；使用似然函数估计求解的夹杂物特征尺寸方程斜率越大，表示夹杂物整体尺寸分布更均匀。以图4为例，相比于1号钢，2号钢的夹杂物特征尺寸分布更接近坐标系纵轴，说明夹杂物整体尺寸较1号钢小；2号钢的夹杂物特征尺寸方程斜率更大，表明夹杂物整体尺寸分布较1号钢均匀。SEV法评价得出1号和2号试验钢在30 000 mm2参考区域内最大夹杂物尺寸预测值分别为41和27 μm，2号钢夹杂物尺寸小于1号钢。

图4 1号和2号试验钢的SEV法评价结果Fig.4 Inclusions estimation result of the steels No.1 and No.2 by SEV

图5 所有试样RCF寿命的Weibull分布Fig.5 Weibull distribution of RCF life of all tested specimens

表5 两组试验钢的L10 and L50寿命Table 5 L10 and L50 lives of the two tested steels

分析RCF寿命试验结果，疲劳试验过程中两组试验钢均未出现诸如断裂等由于材料较大缺陷引起的失效，失效形式全部为剥落凹坑。同时从两组试验钢RCF寿命数据点的Weibull分布结果来看，低寿命数据点未出现明显偏离，说明试验材料未出现早期失效，不存在较大缺陷。可认定试验结果准确地反映了试验材料本征的RCF寿命，2号钢L10与L50寿命均高于1号钢，且较1号钢相差幅度均在13%左右。

文献[13]对轴承钢的超声波疲劳试验研究结果显示，夹杂物尺寸小且分散性好会带来更好的疲劳性能，虽然超声波疲劳试验与本文所采用的滚动接触疲劳试验方法和失效形式不同，但试验结果趋势具有一致性。1号钢夹杂物预测尺寸较大的原因：本研究轴承钢为铝脱氧钢，有研究认为，为了强化脱氧效果，铝脱氧钢多利用渣钢反应以提高铝沉淀脱氧效率[14]，但这也容易带来大型内生夹杂[15]；此外，对比化学成分可见，1号钢的硫含量较高，硫在轴承钢中以硫化物形式存在，硫化物夹杂的尺寸较大且沿钢的轧制方向明显拉长，这也是1号钢中大尺寸夹杂物统计结果偏大的原因。对于低氧含量的高洁净轴承钢来说，为达到更低的氧含量而进行强化脱氧的同时，应注意控制大型夹杂物的出现，同时应避免氧含量较低、硫含量较高导致大尺寸硫化物夹杂物出现，防止因夹杂物尺寸偏大对RCF寿命产生不良影响。

4 结论

(1)两组试验高洁净轴承钢的非金属夹杂物评级结果一致，而RCF寿命存在明显差异；针对夹杂物评级不能有效区分高洁净轴承钢的情况，可采用统计极值法(SEV)做进一步的评价以有效区分。

(2)在30 000 mm2参考区域内，1号和2号试验钢的最大夹杂物尺寸预测值分别为41和27 μm，当最大接触应力为4.5 GPa时，两者所对应的RCF寿命(L10)分别为6.58×106和7.41×106r，夹杂物预测尺寸较小的2号钢具有更高的RCF寿命。

(3)对于高洁净轴承钢，当氧含量很低时，硫含量较高所导致的硫化物增多将使夹杂物的预测尺寸偏大。