碳化物是GCr15轴承钢的重要组成相，它具有耐磨、抑制晶粒长大及吸收合金元素以使钢材经热处理后获得令人满意的性能，但粗大、多角状及偏析碳化物对轴承的使用寿命非常有害，希望得到细小而均匀弥散分布的碳化物。关于GCr15钢制轴承显微组织中未溶碳化物尺寸大小、形态分布对轴承的使用寿命的影响已有过许多报道，但对以不同方法冶炼的GCr15钢种碳化物对接触疲劳寿命的影响研究尚少。本文通过对真空脱气连铸钢（2^#）、优质真空脱气连铸钢（8^#）和电渣重熔钢（7^#）三种GCr15轴承钢的显微组织中未溶碳化物的尺寸大小、形态分布和接触疲劳寿命进行的对比试验研究，阐述了碳化物对接触疲劳寿命的影响。

1 原材料冶金质量

1.1 化学成分

采用化学分析法对三种不同冶炼方法所得GCr15钢材试样进行化学成分分析，并按GB/T18254-2002标准评定，分析结果见表1.

表1  GCr15钢的化学成分  %

编号	钢材规格及冶炼方法	C	Cr	Mn	Si	S	P
2#	Փ55真空脱气连铸钢	1.03	1.43	0.32	0.26	0.018	0.01
8#	Փ60优质真空脱气连铸钢	1.01	1.45	0.29	0.22	0.01	0.009
7#	Փ60军甲钢（电渣重熔）	1.02	1.46	0.32	0.25	0.015	0.013

由表1可知，三种GCr15轴承钢化学成分均符合标准要求。

1.2 非金属夹杂物及碳化物不均匀性

2#及8#钢材试样按GB/T18254-2002标准，7#钢材试样按军甲-61标准分别对非金属夹杂物及碳化物不均匀性进行试验，结果见表2。

表2  非金属夹杂物及碳化物不均匀性检验报告     /级

编号		非金属夹杂物								碳化物 液析	带状 碳化物	退火 组织
		A		B		C		D
		细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系
2#		1	1	0.5	1	0	0	0	0.5	<1	<3	4
8#		1	<1	0.5	0.5	0	0	0	0.5	<1	2	4
7#	A	1	0.5	0.5	0	0	0	0	0.5	<1	<2	–
	B	氧化物		硫化物		点状		碳化物液析		带状碳化物		退火组织
		1.5		1.0		1		合格		2		<4

注：A试样按GB/T18254-2002标准检验的结果；B试样按军甲-61标准检验的结果。

由表2可知，三种GCr15轴承钢原材料均符合标准要求，且非金属夹杂物及碳化物不均匀性的级别相似。

2 热处理工艺与质量

2.1 热处理工艺

不同种类的GCr15轴承钢采用正常热处理工艺在连续式可控气氛电阻炉（型号为RCWM70-9）中加热淬火，油冷至室温后用干冰进行热处理，最后在烘箱中进行回火。热处理工艺见表3.

表3  GCr15常规热处理工艺

编号	热处理工艺
2#	淬火：830 ~ 840℃ × 50 min 热处理：-78℃ × 1 h 回火：160℃ × 3 h
8#
7#

2.2 热处理质量

不同种类的GCr15轴承钢经相同热处理后，其硬度值均在62 ~ 63 HRC之间，硬度值和淬回火组织均符合JB/T1255标准规定，测量结果如表4所示。

表4  三种GCr15轴承钢正常热处理后的硬度值和淬回火组织

GCr15轴承钢种类		2#	7#	8#
硬度 /HRC	试样1	62.9 62.7 62.8	62.5 62.6 62.6	62.4 62.1 62.2
	试样2	62.6 62.5 62.5	62.9 62.7 62.7	62.4 62.3 62.5
	试样3	62.5 62.6 62.9	63.0 62.5 63.0	62.3 62.4 62.4
平均硬度/HRC		62.7	62.7	62.3
淬回火组织/级		<4	3	<4

3 接触疲劳寿命试验及淬回火组织中碳化物颗粒大小与分布状态

3.1 接触疲劳寿命测试所用推力片试样尺寸为Փ52 mm × Փ30 mm × Փ8 mm，在TLP接触疲劳试验机上进行寿命测试。试验条件为：20^#机油润滑，转头转速为2040 r/min，接触应力为4508 MPa，室温为20℃。测试结果如表5所示。

表5  接触疲劳寿命对比结果

编号	韦布尔 斜率参数	额定寿命L10		中值寿命L50		特征寿命Vs
		L10/ × 107r	比值	L50/ × 107r	比值	Vs/ × 107r	比值
2#	2.1967	0.3014	1	0.7105	1	0.8395	1
8#	2.4453	0.3999	1.33	0.8640	1.22	1.0037	1.20
7#	2.2249	0.5113	1.70	1.1924	1.68	1.4060	1.67

由表5可知，电渣重熔GCr15钢（7^#）的接触疲劳寿命最好，优质真空脱气刚（8^#）次之，二真空脱气连铸钢（2^#）稍差。

3.2 碳化物颗粒大小及分布状态

将2^#、8^#和7^#三种轴承钢制的推力片试样分别制成金相试样，在对其进行碳 – 铬复型，在JEM-100CX透射电子显微镜（TEM）下，放大5000倍观察其显微组织中碳化物的形态和分布，然后对其碳化物的数量和尺寸进行统计及测量，测量面积为702 μm²（13μm × 18 μm × 3）.碳化物颗粒测试结果见表6。

表6  三种GCr15轴承钢的碳化物尺寸分布

编号		2#		8#		7#
分布情况	组号	尺寸范围/μm	个数	尺寸范围/μm	个数	尺寸范围/μm	个数
	1	0~0.210	0	0~0.305	4	0~0.181	0
	2	0.210~0.419	10	0.305~0.610	64	0.181~0.362	12
	3	0.419~0.629	26	0.610~0.914	46	0.362~0.543	43
	4	0.629~0.838	30	0.914~1.219	26	0.543~0.724	38
	5	0.838~1.048	35	1.219~1.524	9	0.724~0.905	26
	6	1.048~1.257	36	1.524~1.829	8	0.905~1.086	21
	7	1.257~1.467	36	1.524~1.829	8	0.905~1.086	21
	8	1.467~1.676	9	2.133~2.438	0	1.267~1.448	5
	9	1.676~1.886	1	2.438~2.743	0	1.448~1.629	2
	10	1.886~2.095	1	2.743~3.048	0	1.629~1.810	1
	11	2.095~2.305	3	3.048~3.352	1	1.810~1.991	2
总个数/个		171		160		161
平均尺寸/μm		0.991		0.805		0.722
最大尺寸/μm		2.20		3.20		1.90
分布形态		局部区域较为集中		较均匀		较均匀

4 试验结果分析讨论

通过上述试验测试，从表1~表4可知，三种GCr15钢的化学成分及原材料材质基本相近，在相同热处理工艺后硬度也基本相同。可是在TLP接触疲劳试验机上测试后，发现7^#、8^#钢的额定寿命L₁₀分别是2^#钢的1.70倍和1.33倍，中值寿命L₅₀也分别为2^#钢的1.68倍和1.22倍。而从表6中可以看到，7^#钢种碳化物颗粒尺寸集中在0.181~1.086 μm范围内，占总颗粒数的87.0%，且分布也较均匀，平均尺寸总是三者中最小的；2^#钢中碳化物颗粒尺寸大于1 μm以上的占总颗粒数的41.9%，且分布有聚集现象，它的碳化钨平均尺寸是三者中最大的。

根据相关资料可知：钢中非金属夹杂物和碳化物均会对轴承寿命产生较大影响。而从表2的试验结果可以看出，试验所用的三种GCr15钢中非金属夹杂物和碳化物不均匀性的级别相似，虽无法完全排除非金属夹杂物对寿命的影响，但至少可以确定7#和8#钢的接触疲劳寿命比2#钢厂的主要原因是由于各自显微组织中的碳化物差异造成的。而以前许多试验也证明了：在GCr15钢中得到细小、均匀分布的碳化物可以延长轴承的使用寿命。

碳化物对使用寿命的影响原因有以下两方面：(1)碳分布的均匀程度。虽然马氏体基体平均固溶碳浓度约为0.55%，但这是平均值，在碳化物附近和远处的碳浓度是不一样的。碳化物颗粒粗大时，其浓度差就大，反之，其浓度差就小^[1-2]。如果浓度差很大，碳浓度高处和地处的寿命就低，所以平均寿命当然也就低。(2)碳化物的外形。较细小的碳化物外形较为圆滑，而粗大的碳化物的外形的圆度就差，容易形成较尖锐或凸凹的边缘，在这些位置容易与集体产生应力集中（特别是受到外力作用时）而成为疲劳源，产生裂纹，从而会降低韧性和抗疲劳性，缩短使用寿命。

综上所述，为了避免轴承钢中未溶碳化物的危害，要求未溶碳化物小（尺寸细小）、匀（大小彼此相差很少，而且分布均匀）、圆（每粒碳化物皆是球形）^[3]。这可通过对原材料加以控制或在淬火前后采用合适的工艺细化碳化物，从而得到理想的碳化物形态与分布。

5 结论

(1) 碳化物细小、均匀分布的电渣重熔GCr15钢的额定寿命L10为碳化物较大、分布集中的真空脱气连铸GCr15钢的1.70倍，其中值寿命L50也为其的1.68倍。

(2) 电渣重熔GCr15钢和优质真空脱气GCr15钢中的碳化物细小、均匀分布是其接触疲劳寿命比真空脱气连铸GCr15钢长的主要原因。

(3) 改善GCr15钢中碳化物形态及分布有益于延长GCr15钢制轴承的使用寿命。