蒋沂萍
（山东大学，山东 济南 250061）
《轴承》2002年第8期

摘要：叙述GCr15轴承钢中表面缺陷，低倍组织缺陷及显微组织缺陷对钢的各种性能的影响，进而影响到用GCr15钢制造的轴承钢球质量，从而加速轴承钢球的破坏，缩短轴承钢球寿命。
关键词：轴承钢，轴承钢球，钢球，缺陷，分析
中图分类号：TH117.2  文献标识码：B  文章编号：1000-3762(2002)08-0036-04

轴承钢球是球轴承中承载载荷的滚动体，是球轴承中最关键的零件之一。根据轴承类型和用途，制造滚动轴承零配件的材料，一般有高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、耐高温轴承钢和中碳耐冲击轴承钢等几大类，其中高碳铬轴承钢中的GCr15钢用量最大，也是世界滚动轴承生产中用量最大和历史悠久的钢种。由于原材料质量对轴承使用寿命和性能有重大影响，轴承钢球的质量在很大程度上取决于钢材的质量，所以生产投料前必须对每批钢材按照技术标准要求进行验收，分析原材料的化学成份和金相组织，检查原材料的硬度和表面质量，了解原材料缺陷特征、形成原因及其对性能的影响。就目前情况看，轴承钢球失效除运转条件之外，主要受原材料表面缺陷、低倍组织缺陷和显微组织缺陷的影响，本文拟对生产最常用的GCr15钢的常见原材料缺陷及对钢球质量的影响作简要分析。

1 原材料表面缺陷

高碳铬轴承钢材料的表面缺陷主要有裂纹、拆叠、划伤、夹杂、氧化皮和锈蚀，如图1。如果原材料存在上述其中任何一种现象就会使得轴承钢球出现裂纹、口子、大眼、小眼及群点等缺陷，如图2、图3。

在裂纹处制成横向金相试样，则可见到裂纹呈拆迭状，中间有灰黑色的氧化皮，周围白色为纯铁体脱碳层及贫碳组织，裂纹两侧有明显的脱碳现象，见图4。如果裂纹较浅，在加工过程中其裂纹连同脱贫碳层全部被磨去，则对轴承钢球的质量没有影响，如果仅将裂纹磨去，而裂纹底部的脱贫碳组织未被全部清除而保留下来，淬火串光后，可看到表面有一条与材料裂纹相对应的所谓贫碳线，该处硬度比正常值低，严重时为不合格品。

由于原材料表面折叠（图5）和氧化皮（图6）的出现，破坏了钢基体的连续性，钢球成形前去不掉时，钢球表层就等于裂纹，淬火时就容易开裂，如图7。

2 低倍组织缺陷

借助肉眼和30倍以下的放大镜观察到的缺陷称低倍组织缺陷，低倍组织缺陷有偏析、缩孔残余、疏松、气泡、白点粗大、非金属夹杂物、发纹和显微空隙等。这些缺陷的存在将会使钢材在冷热塑性变形时以热处理过程产生裂纹，导致钢球使用中早期失效。

我国标准规定钢材必须无缩孔、皮下气泡、白点和显微孔等。中心疏松不得超过1.5级，一般疏松根据钢材直径不得超过1 ~ 2级，偏析不得超过2级等。

2.1 偏析

偏析系钢中化学成分不均匀现象的总称，存偏析的钢球，经酸浸后其横截面上明显可看到两个色泽不同的区域。偏析会使钢球塑性、韧性下降，力学性能变坏，易产生应力集中、疲劳破坏，影响轴承钢球使用寿命。

2.2 缩孔残余

由于钢锭在开坯时，缩孔未切尽，致使轧制时沿轧制方向延伸而形成缩孔残余，缩孔残余缺陷钢球中极为常见，往往出现在钢球两极上，如果将钢球压开断口，即可看到断口上由于钢球冲压变形造成的弯曲状黑色条纹，此种缺陷即为材料缩孔残余缺陷，有该缺陷的钢球淬火后出现淬火裂纹，如图8。

2.3 疏松

疏松反映了钢材组织的不致密性，使力学性能显著下降，淬火时易产生裂纹。疏松经热酸蚀呈现暗黑色小点和孔隙，冷墩钢球时条钢的中心部被挤压到钢球表面上形成径向分布的两极区。若两极区的面积较大，且疏松较严重，则两极区产生早期疲劳剥落的概率就会急剧增加。

2.4 气泡

气泡是钢液中含有过量的气体，凝固时未能逸出，在钢内形成的空隙。气泡的存在减少了钢材的有效截面，并易产生应力集中，大大降低了钢材强度。

2.5 白点

白点一般认为是在冶炼时钢中存有一定量的氢气，在锻轧时冷却较快，来不及扩散，逸出而聚集钢中，造成很大内应力，形成了许多细微裂纹，破坏了钢的连续性，有白点的材料绝对不能使用。因为白点缺陷可使纵向延伸率、断面收缩率和冲击韧性急剧下降，有白点的轴承钢球容易在淬火时开裂。

2.6 粗大夹杂物

粗大夹杂物，浇注时被凝固在钢锭内的熔渣剥落到钢液中，以及浇注系统内壁的耐火材料未能浮出而造成的。这种缺陷易造成应力集中，加速疲劳剥落，使钢球提前损坏。

2.7 发纹

发纹是由钢中的非金属夹杂物和气体形成的，是一种在材料表面或表皮下层貌似毛发的细小裂纹状缺陷，如果钢球上有严重的发纹缺陷，使用过程中容易在缺陷处疲劳剥落，影响使用寿命。

3 显微组织缺陷

借助放大100倍以上的显微镜观察到的组织缺陷称显微组织缺陷。铬轴承钢的显微缺陷包括非金属夹杂物、碳化物不均匀性和退火组织脱贫碳等。

3.1 非金属夹杂物

轴承钢中非金属夹杂物的类型有脆性夹杂物（指氧化物如FeO、Al₂O₃、MNO、SiO₂等）、塑性夹杂物（指钢中硫化物FeS、MnS等）及点状不变形夹杂物（指硅酸盐，如酸亚铁、硅酸亚锰等），合格级别见表1。轴承钢中的非金属夹杂物不仅对加工表面的粗糙度产生不利影响，而且由于它破坏了钢的连续性和降低了钢的致密度，在应力的作用下形成应力集中，导致裂纹的发生并加速裂纹的扩展，见图9（硅酸盐夹杂物）。

表1  轴承钢中非金属夹杂物合格级别

规格及状态	脆性夹杂物	塑性夹杂物	点状不变形夹杂物
	级别不下于
≤30 mm的冷拉及退火材料	2	2.5	2.5
30 ~ 60 mm的退货材料及≤60 mm不退货材料	3	3	3
＞60 mm	3.5	3.5	3.5

3.2 碳化物不均匀性

碳化物颗粒的大小、形状和分布，仅对加工性能产生影响，同时对轴承寿命也有着重要影响，轴承钢中碳化物的不均匀是以碳化物液析、带状、网状以及粒状碳化物中大块碳化物增多和弥散程度改变等形式来体现。

碳化物的不均匀分布，将会导致淬火组织的不均匀，从而引起较大的残余应力。这种残余应力和工作应力叠加，容易在低强度的区域内形成疲劳源，并沿碳化物与马氏体的界面产生剥落。而且不规则的颗粒较大的碳化物还会使材料的冲击值显著下降。作为富铬区在长期的交变应力作用下，将会沿晶界析出新的碳化物而引起晶界脆化，同样会降低材料强度。

碳化物不均匀性在轴承钢中是受限制的允许存在。一般钢球用材要求：碳化物液析不得大于1 级，碳化物带状不得大于2级，碳化物网状不得大于2.5级，碳化物带状对钢球制造工艺和寿命影响较大。

3.3 脱贫碳

脱贫碳是指钢材表面含碳量低于标准规定的含量，用这种材料冷冲钢球后，脱贫碳层遗留在钢球“两级”与“赤道”之间“环带”区域内。因钢球“两级”是原材料的横向切断面，“赤道”是钢球冷冲时上下模挤压出来的凸边余料，光球时被去掉，所以“两极”与“赤道”不会留有原材料脱贫碳层，只有“环带”区域才保留有原材料超出标准的脱碳层，见图10，这种钢球淬火后的“环带”区域的低碳（或贫碳）马氏体组织，没有或很少剩余碳化物颗粒，使硬度降低，严重时不合格，而“两极”与“赤道”处的组织与硬度正常。由于同一钢球不同区域存在着显微组织与性能差异，除硬度达不到技术要求外，由于轴承钢球本身硬度均匀，加工过程磨损程度不同，使成品钢球的圆度尺寸、粗糙度等技术指标，达不到工艺要求，用这种钢球装配的轴承，容易在“环带”区域磨损与脱皮，影响轴承使用寿命。

总之，轴承钢材内部极微小的缺陷金属⸺不连续性、组织不均匀性、化学成分不均匀性等都会加速钢球的破坏，缩短钢球寿命。因此，在钢球生产中，为了保证钢球质量又能合理利用钢材，必须对原材料可能出现的各种缺陷进行研究，制定对策，以使影响轴承寿命的钢球处于最佳状态，确保轴承钢球达到相应的技术要求和使用寿命。