分享：軸承鋼中非金屬夾雜物的影響與控制

近年來(lái)，隨著智能制造、高端制造技術(shù)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，軸承鋼制零件的服役環(huán)境日益苛刻，失效模式日漸復(fù)雜，對(duì)鋼材的潔凈度、冶金質(zhì)量、服役性能、使用壽命等提出了更高的要求。不同種類非金屬夾雜物的形態(tài)、分布等各不相同，軸承鋼的質(zhì)量會(huì)受到非金屬夾雜物的形態(tài)、數(shù)量及分布狀態(tài)等因素的影響，因此有效控制及去除非金屬夾雜物是提高鋼潔凈度、延長(zhǎng)零件使用壽命的關(guān)鍵。據(jù)研究表明，夾雜物會(huì)破壞鋼基體組織的連續(xù)性，使材料產(chǎn)生裂紋，并引起零件失效，甚至?xí)?dǎo)致重大事故。目前大多數(shù)夾雜物的尺寸為微米級(jí)別，但是無(wú)法完全去除。了解夾雜物的本質(zhì)，明確其對(duì)零件性能的影響機(jī)制，采取相應(yīng)的控制措施是十分重要的。筆者以鋼中非金屬夾雜物為研究對(duì)象，對(duì)夾雜物的分類、影響機(jī)制，以及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析，總結(jié)了常用的夾雜物控制及去除方法，以避免該類事故再次發(fā)生。 

1.   非金屬夾雜物引起失效

1.1   套圈裂紋

某公司送檢GCr15軸承鋼內(nèi)圈的加工工藝為：鋼管下料→車加工→熱處理→磨加工。在磨加工后終檢時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承鋼外表面有兩道裂紋，裂紋貫穿斷面，在外徑面與軸向呈一定夾角延伸（見圖1）。 

圖  1  軸承內(nèi)圈的宏觀形貌

在裂紋附近縱向切割試樣，對(duì)試樣進(jìn)行磨制、拋光，用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸乙醇溶液腐蝕處理，然后將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察，按照GB/T 34891—2017 《滾動(dòng)軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果顯示試樣的馬氏體等級(jí)為4級(jí)，評(píng)定為合格。 

將軸承內(nèi)圈沿裂紋打開，對(duì)斷口進(jìn)行超聲清洗，用掃描電鏡（SEM）觀察斷口，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋源位于油溝處，裂紋源處存在大量點(diǎn)鏈狀白色物質(zhì)，尺寸較大，長(zhǎng)度約為0.3 mm，距離油溝較近。采用能譜儀對(duì)裂紋源處的白色物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，可知白色物質(zhì)的主要成分為Al、O等元素，為B類非金屬夾雜物（見表1）。 

圖  2  軸承內(nèi)圈斷口SEM形貌

綜合上述分析可知：油溝處存在較大尺寸的B類非金屬夾雜物，在熱處理過(guò)程中，該處存在應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致軸承內(nèi)圈在磨加工過(guò)程中受力并發(fā)生開裂。 

1.2   鋼球剝落

某GCr15軸承在試驗(yàn)時(shí)發(fā)生異響，拆解后發(fā)現(xiàn)一粒鋼球發(fā)生剝落，軸承內(nèi)外圈完好。將鋼球清洗后，用SEM對(duì)其剝落區(qū)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：鋼球剝落區(qū)呈同心圓狀特征，中心區(qū)域疲勞剝落表面已被輾平，為疲勞源區(qū)，裂紋由中心區(qū)域向外呈圓環(huán)狀擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)呈層片狀，為疲勞剝落區(qū)域；疲勞源區(qū)有一條呈斷續(xù)狀分布的近直線痕跡，放大觀察發(fā)現(xiàn)直線附近存在點(diǎn)狀亮色異物。采用能譜儀對(duì)疲勞源處點(diǎn)狀亮色異物進(jìn)行化學(xué)成分分析，可知其主要含有O、Al、Ca、Mg元素，為B類夾雜物（見表2）。 

圖  3  鋼球剝落區(qū)SEM形貌

采用洛氏硬度計(jì)對(duì)鋼球表面硬度進(jìn)行測(cè)試，鋼球的表面硬度為63.5，64.0，64.5 HRC，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34891—2017的要求（61~66 HRC）。 

沿鋼球剝落區(qū)疲勞源處截取試樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)剝落深度約為0.15 mm，邊緣存在向基體內(nèi)部擴(kuò)展的裂紋；鋼球表面無(wú)脫碳、燒傷等缺陷；按照GB/T 34891—2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，可知馬氏體等級(jí)為3級(jí)，評(píng)定為合格（見圖4）。 

圖  4  鋼球剝落區(qū)的微觀形貌

該鋼球次表層存在鏈狀B類氧化物夾雜物，在服役過(guò)程中導(dǎo)致鋼球發(fā)生疲勞剝落，縮短了鋼球的服役壽命。 

2.   非金屬夾雜物對(duì)軸承鋼性能的影響

非金屬夾雜物的分類方式較多，根據(jù)非金屬夾雜物的來(lái)源，其主要分為內(nèi)生夾雜物和外來(lái)夾雜物。根據(jù)非金屬夾雜物的變形能力，夾雜物可分為脆性?shī)A雜物、塑性?shī)A雜物，以及不變形夾雜物。依據(jù)GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行檢驗(yàn)，主要按照夾雜物的形態(tài)與分布，將其分為A類（硫化物類）、B類（氧化物類）、C類（硅酸鹽類）、D類（球狀氧化物類）、DS類（單顆粒球狀類）[1-2]。夾雜物的特性、形態(tài)、分布等因素均會(huì)對(duì)軸承零件的性能產(chǎn)生不同影響。 

在某些特定的情況下，軸承鋼中的非金屬夾雜物能夠細(xì)化晶粒，改善鋼材的沖擊性能。但多數(shù)情況下，不連續(xù)的低強(qiáng)度非金屬夾雜物會(huì)破壞鋼材的使用性能，降低鋼材的塑性、韌性、疲勞性能等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料失效[3]。 

2.1   非金屬夾雜物對(duì)零件力學(xué)性能的影響

非金屬夾雜物對(duì)零件的強(qiáng)度、延展性能、沖擊性能、切削性能等影響較大，主要體現(xiàn)在材料的橫向延展性和裂紋的萌生擴(kuò)展[4]。由于非金屬夾雜物和基體間的熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù)存在差異，在溫度變化過(guò)程中，材料容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且非金屬夾雜物和基體之間的結(jié)合力較差，受力時(shí)易發(fā)生脫黏，裂紋容易在夾雜物周圍萌生、擴(kuò)展。在軋制過(guò)程中，變形能力較好的硫化物會(huì)沿軋制方向變形，極易造成鋼沿軋制方向開裂，降低了鋼的橫向沖擊韌性[5]。LIU等[6]研究了不同形式MnS夾雜物對(duì)鋼變形的作用機(jī)制，MnS顆粒導(dǎo)致材料變形過(guò)程中孔隙成核，促進(jìn)孔隙聚集，引起材料發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂，對(duì)材料的塑性和韌性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。非金屬夾雜物的種類、尺寸、數(shù)量和分布狀態(tài)等因素對(duì)材料的力學(xué)性能影響不同，如脆性?shī)A雜物受力時(shí)會(huì)破碎，塑性?shī)A雜物受力時(shí)會(huì)沿受力方向變形；夾雜物的尺寸越大、數(shù)量越多、分布越密集，其對(duì)材料的力學(xué)性能影響越大。AHMADIAN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾雜物尺寸變大時(shí)，其附近的應(yīng)力集中效應(yīng)更加明顯，更容易成為斷裂源。 

2.2   非金屬夾雜物對(duì)零件疲勞性能的影響

疲勞性能是評(píng)價(jià)鋼材質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。非金屬夾雜物的種類、尺寸、數(shù)量、分布等復(fù)雜多樣，是大多數(shù)零件疲勞失效的起源，縮短了零件的使用壽命[8-9]。如在軋制過(guò)程中，硬質(zhì)Al2O3顆粒熔點(diǎn)較高，形狀不規(guī)則，會(huì)阻斷鋼基體的連續(xù)性，易使材料形成應(yīng)力集中，嚴(yán)重降低了鋼的疲勞壽命[10]。尹青等[11]研究發(fā)現(xiàn)在GCr15高潔凈軸承鋼中，DS類夾雜物周圍存在孔洞，使材料產(chǎn)生應(yīng)力集中，并導(dǎo)致材料發(fā)生疲勞開裂。 

零件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其表面接觸應(yīng)力會(huì)延伸至次表面，由于材料存在應(yīng)力集中，夾雜物周圍萌生的微裂紋會(huì)相互摩擦、擴(kuò)展，導(dǎo)致顯微組織發(fā)生改變，從而形成白蝕區(qū)，夾雜物和白蝕區(qū)構(gòu)成的蝶狀組織是白蝕裂紋的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。KIRANBABU等[12]從軸承中切取墊圈，對(duì)其進(jìn)行疲勞接觸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MnS夾雜物易在次表面引起白蝕裂紋，從而導(dǎo)致軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生開裂。 

3.   非金屬夾雜物的控制

3.1   物理法去除夾雜物

鋼包吹氬法是指在鋼包底部吹入定量的氬氣，氬氣會(huì)捕獲夾雜物，并帶動(dòng)其向上運(yùn)動(dòng)，以去除夾雜物。吹入鋼包的氬氣泡尺寸和數(shù)量對(duì)去除效率有較大影響。徐春龍等[13]研究認(rèn)為，加大吹氬流量可以提高去除夾雜物的效率，延長(zhǎng)吹氬時(shí)間及選擇合適的透氣裝置均能夠縮短精煉的時(shí)間，且當(dāng)氣泡直徑越小、夾雜物的直徑越大時(shí)，吹氬去除夾雜物的效率越高。但該方法對(duì)小顆粒夾雜物的去除效率不高。 

中間包氣幕擋墻法是通過(guò)在中間包底部設(shè)置一排透氣磚，向鋼液中吹入氬氣，氣泡與流過(guò)位置中的夾雜物會(huì)相互碰撞、黏附，以此來(lái)去除夾雜物。在吹入氬氣時(shí)，能夠形成垂直于鋼液流動(dòng)方向的氣幕墻，改變鋼液的流動(dòng)方向，促進(jìn)鋼液流動(dòng)、混合，使其成分較均勻。同時(shí)，小氣泡可以吸附小顆粒夾雜物，進(jìn)一步提高細(xì)小夾雜物的去除效率[14]。袁威[15]研究發(fā)現(xiàn)中間包氣幕擋墻比其他常規(guī)中間包法去除夾雜物效率提高約73%，尤其對(duì)粒徑60 µm以下的夾雜物去除效果更明顯。但該方法氬氣的吹入量有限，且透氣磚存在一定的成本，裝置安裝不便。 

增壓減壓法是通過(guò)氮?dú)庠龃髩毫?，在鋼液中可以溶解一定量的氣體，通過(guò)減壓改變氣體溶解度，形成小氣泡，以達(dá)到去除夾雜物的效果。通過(guò)增壓減壓法凈化鋼液，可以將粒徑大于5 µm的夾雜物全部去除，粒徑小于2 µm的夾雜物數(shù)量也能夠明顯減少，且鋼中氧元素含量明顯降低。 

超聲空氣法是通過(guò)超聲波攪拌產(chǎn)生大量小氣泡，從而去除夾雜物。申永剛等[16]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)超聲波空氣法單獨(dú)去除夾雜物的效率不高，但夾雜物平均直徑減小，細(xì)化夾雜物效果明顯。增壓減壓法和超聲空氣法對(duì)于微小夾雜物的去除效率更高。但超聲空氣法操作較復(fù)雜，而增壓減壓法需要向鋼液中融入氮?dú)猓贿m用于對(duì)氮元素含量要求嚴(yán)格的特殊鋼種。 

電磁凈化法是指通過(guò)電磁力改變鋼液的流動(dòng)方向，提高夾雜物的碰撞概率或減小鋼液的沖擊深度，從而去除夾雜物，該方法對(duì)夾雜物的粒徑無(wú)具體要求。CREMER等[17]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提升電磁攪拌速率可以提高Al2O3夾雜物的去除效率，且加強(qiáng)電磁力可以提高SiO2夾雜物的去除效率。電磁凈化法能夠去除微小夾雜物，效率較高、成本較低，在電力充足地區(qū)已廣泛使用。 

3.2   化學(xué)法去除夾雜物

化學(xué)法去除夾雜物是通過(guò)表面改性原理改變夾雜物的特性，使其易于上浮或析出，從而起到凈化鋼液的效果，主要針對(duì)粒徑較小、熔點(diǎn)較高，以及脆性較大的夾雜物。鈣化處理和鎂化處理是常用的表面改性法。Al2O3脆性?shī)A雜物的改性原理[18]為：在鋼包精煉（LF）過(guò)程中，用鈣化或鎂化處理的方法將Al2O3改變成CaO-Al2O3類夾雜物或MgO-Al2O3類夾雜物，該類夾雜物熔點(diǎn)高于鋼水溫度，凝固時(shí)能夠形成近球狀，從而減少多邊形Al2O3脆性?shī)A雜物的含量，改善鋼材的性能，起到去除夾雜物的作用。姜玉龍[19]通過(guò)計(jì)算研究，提出了鈣處理的優(yōu)化方案，降低了Al2O3夾雜物的活度，從而提高鈣處理去除夾雜物的效率。表面改性法去除夾雜物在工業(yè)應(yīng)用中較廣泛，但應(yīng)避免改性劑的二次污染。 

4.   結(jié)語(yǔ)與展望

鋼材的潔凈度對(duì)軸承零件的成品率和服役質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。其中夾雜物的種類、數(shù)量、尺寸等因素均會(huì)對(duì)鋼材性能產(chǎn)生不同程度的影響。目前已有應(yīng)用較廣泛的去除夾雜物工藝，但不同工藝各有利弊，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求應(yīng)用。 

未來(lái)，關(guān)于夾雜物的發(fā)展有兩種途徑，一是基于目前已應(yīng)用的工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高不同尺寸夾雜物的去除效率；二是將不可完全去除的夾雜物進(jìn)行改性利用，趨利避害，從而達(dá)到細(xì)化晶粒、提高材料性能的作用。

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