圖 1 軸承內圈的宏觀形貌
分享：軸承鋼中非金屬夾雜物的影響與控制
近年來，隨著智能制造、高端制造技術等領域的高速發展，軸承鋼制零件的服役環境日益苛刻，失效模式日漸復雜，對鋼材的潔凈度、冶金質量、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、分布等各不相同，軸承鋼的質量會受到非金屬夾雜物的形態、數量及分布狀態等因素的影響，因此有效控制及去除非金屬夾雜物是提高鋼潔凈度、延長零件使用壽命的關鍵。據研究表明，夾雜物會破壞鋼基體組織的連續性，使材料產生裂紋，并引起零件失效，甚至會導致重大事故。目前大多數夾雜物的尺寸為微米級別，但是無法完全去除。了解夾雜物的本質，明確其對零件性能的影響機制，采取相應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象，對夾雜物的分類、影響機制，以及應用實例進行分析，總結了常用的夾雜物控制及去除方法，以避免該類事故再次發生。
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。在磨加工后終檢時發現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）。
在裂紋附近縱向切割試樣，對試樣進行磨制、拋光，用4%（體積分數）硝酸乙醇溶液腐蝕處理，然后將其置于光學顯微鏡下觀察，按照GB/T 34891—2017 《滾動軸承高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術條件》對試樣的顯微組織進行評級，結果顯示試樣的馬氏體等級為4級，評定為合格。
將軸承內圈沿裂紋打開，對斷口進行超聲清洗，用掃描電鏡（SEM）觀察斷口，結果如圖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鏈狀白色物質，尺寸較大，長度約為0.3 mm，距離油溝較近。采用能譜儀對裂紋源處的白色物質進行化學成分分析，可知白色物質的主要成分為Al、O等元素，為B類非金屬夾雜物（見表1）。
圖 2 軸承內圈斷口SEM形貌
Table 1. 裂紋源處白色物質的能譜分析結果
| 項目 | 質量分數 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| O | Na | Mg | Al | Si | Ca | Ti | Cr | Fe | |
| 實測值 | 41.54 | 0.39 | 0.39 | 42.82 | 1.53 | 0.66 | 0.41 | 0.34 | 11.92 |
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，在熱處理過程中，該處存在應力集中，最終導致軸承內圈在磨加工過程中受力并發生開裂。
1.2 鋼球剝落
某GCr15軸承在試驗時發生異響，拆解后發現一粒鋼球發生剝落，軸承內外圈完好。將鋼球清洗后，用SEM對其剝落區進行觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：鋼球剝落區呈同心圓狀特征，中心區域疲勞剝落表面已被輾平，為疲勞源區，裂紋由中心區域向外呈圓環狀擴展，擴展區呈層片狀，為疲勞剝落區域；疲勞源區有一條呈斷續狀分布的近直線痕跡，放大觀察發現直線附近存在點狀亮色異物。采用能譜儀對疲勞源處點狀亮色異物進行化學成分分析，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SEM形貌
Table 2. 疲勞源處點狀亮色異物的能譜分析結果
| 項目 | 質量分數 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | O | Mg | Al | Ca | Fe | |
| 實測值 | 0.25 | 40.08 | 5.56 | 23.68 | 24.69 | 5.75 |
采用洛氏硬度計對鋼球表面硬度進行測試，鋼球的表面硬度為63.5，64.0，64.5 HRC，符合標準GB/T 34891—2017的要求（61~66 HRC）。
沿鋼球剝落區疲勞源處截取試樣，對試樣進行金相檢驗，發現剝落深度約為0.15 mm，邊緣存在向基體內部擴展的裂紋；鋼球表面無脫碳、燒傷等缺陷；按照GB/T 34891—2017標準對試樣的顯微組織進行評級，可知馬氏體等級為3級，評定為合格（見圖4）。
圖 4 鋼球剝落區的微觀形貌
該鋼球次表層存在鏈狀B類氧化物夾雜物，在服役過程中導致鋼球發生疲勞剝落，縮短了鋼球的服役壽命。
2. 非金屬夾雜物對軸承鋼性能的影響
非金屬夾雜物的分類方式較多，根據非金屬夾雜物的來源，其主要分為內生夾雜物和外來夾雜物。根據非金屬夾雜物的變形能力，夾雜物可分為脆性夾雜物、塑性夾雜物，以及不變形夾雜物。依據GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對非金屬夾雜物進行檢驗，主要按照夾雜物的形態與分布，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、分布等因素均會對軸承零件的性能產生不同影響。
在某些特定的情況下，軸承鋼中的非金屬夾雜物能夠細化晶粒，改善鋼材的沖擊性能。但多數情況下，不連續的低強度非金屬夾雜物會破壞鋼材的使用性能，降低鋼材的塑性、韌性、疲勞性能等，嚴重時會導致材料失效[3]。
2.1 非金屬夾雜物對零件力學性能的影響
非金屬夾雜物對零件的強度、延展性能、沖擊性能、切削性能等影響較大，主要體現在材料的橫向延展性和裂紋的萌生擴展[4]。由于非金屬夾雜物和基體間的熱膨脹系數、彈性常數存在差異，在溫度變化過程中，材料容易產生應力集中，且非金屬夾雜物和基體之間的結合力較差，受力時易發生脫黏，裂紋容易在夾雜物周圍萌生、擴展。在軋制過程中，變形能力較好的硫化物會沿軋制方向變形，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夾雜物對鋼變形的作用機制，MnS顆粒導致材料變形過程中孔隙成核，促進孔隙聚集，引起材料發生準解理斷裂，對材料的塑性和韌性產生嚴重的影響。非金屬夾雜物的種類、尺寸、數量和分布狀態等因素對材料的力學性能影響不同，如脆性夾雜物受力時會破碎，塑性夾雜物受力時會沿受力方向變形；夾雜物的尺寸越大、數量越多、分布越密集，其對材料的力學性能影響越大。AHMADIAN等[7]研究發現，當夾雜物尺寸變大時，其附近的應力集中效應更加明顯，更容易成為斷裂源。
2.2 非金屬夾雜物對零件疲勞性能的影響
疲勞性能是評價鋼材質量的一個重要指標。非金屬夾雜物的種類、尺寸、數量、分布等復雜多樣，是大多數零件疲勞失效的起源，縮短了零件的使用壽命[8-9]。如在軋制過程中，硬質Al2O3顆粒熔點較高，形狀不規則，會阻斷鋼基體的連續性，易使材料形成應力集中，嚴重降低了鋼的疲勞壽命[10]。尹青等[11]研究發現在GCr15高潔凈軸承鋼中，DS類夾雜物周圍存在孔洞，使材料產生應力集中，并導致材料發生疲勞開裂。
零件在運轉時，其表面接觸應力會延伸至次表面，由于材料存在應力集中，夾雜物周圍萌生的微裂紋會相互摩擦、擴展，導致顯微組織發生改變，從而形成白蝕區，夾雜物和白蝕區構成的蝶狀組織是白蝕裂紋的主要驅動因素之一。KIRANBABU等[12]從軸承中切取墊圈，對其進行疲勞接觸試驗，發現MnS夾雜物易在次表面引起白蝕裂紋，從而導致軸承在運轉時發生開裂。
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，氬氣會捕獲夾雜物，并帶動其向上運動，以去除夾雜物。吹入鋼包的氬氣泡尺寸和數量對去除效率有較大影響。徐春龍等[13]研究認為，加大吹氬流量可以提高去除夾雜物的效率，延長吹氬時間及選擇合適的透氣裝置均能夠縮短精煉的時間，且當氣泡直徑越小、夾雜物的直徑越大時，吹氬去除夾雜物的效率越高。但該方法對小顆粒夾雜物的去除效率不高。
中間包氣幕擋墻法是通過在中間包底部設置一排透氣磚，向鋼液中吹入氬氣，氣泡與流過位置中的夾雜物會相互碰撞、黏附，以此來去除夾雜物。在吹入氬氣時，能夠形成垂直于鋼液流動方向的氣幕墻，改變鋼液的流動方向，促進鋼液流動、混合，使其成分較均勻。同時，小氣泡可以吸附小顆粒夾雜物，進一步提高細小夾雜物的去除效率[14]。袁威[15]研究發現中間包氣幕擋墻比其他常規中間包法去除夾雜物效率提高約73%，尤其對粒徑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。
增壓減壓法是通過氮氣增大壓力，在鋼液中可以溶解一定量的氣體，通過減壓改變氣體溶解度，形成小氣泡，以達到去除夾雜物的效果。通過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。
超聲空氣法是通過超聲波攪拌產生大量小氣泡，從而去除夾雜物。申永剛等[16]研究發現，通過超聲波空氣法單獨去除夾雜物的效率不高，但夾雜物平均直徑減小，細化夾雜物效果明顯。增壓減壓法和超聲空氣法對于微小夾雜物的去除效率更高。但超聲空氣法操作較復雜，而增壓減壓法需要向鋼液中融入氮氣，不適用于對氮元素含量要求嚴格的特殊鋼種。
電磁凈化法是指通過電磁力改變鋼液的流動方向，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，該方法對夾雜物的粒徑無具體要求。CREMER等[17]研究發現，通過提升電磁攪拌速率可以提高Al2O3夾雜物的去除效率，且加強電磁力可以提高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，在電力充足地區已廣泛使用。
3.2 化學法去除夾雜物
化學法去除夾雜物是通過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，主要針對粒徑較小、熔點較高，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脆性夾雜物的改性原理[18]為：在鋼包精煉（LF）過程中，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，該類夾雜物熔點高于鋼水溫度，凝固時能夠形成近球狀，從而減少多邊形Al2O3脆性夾雜物的含量，改善鋼材的性能，起到去除夾雜物的作用。姜玉龍[19]通過計算研究，提出了鈣處理的優化方案，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應用中較廣泛，但應避免改性劑的二次污染。
4. 結語與展望
鋼材的潔凈度對軸承零件的成品率和服役質量起到關鍵作用。其中夾雜物的種類、數量、尺寸等因素均會對鋼材性能產生不同程度的影響。目前已有應用較廣泛的去除夾雜物工藝，但不同工藝各有利弊，需要結合實際生產需求應用。
未來，關于夾雜物的發展有兩種途徑，一是基于目前已應用的工藝進行改進，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行改性利用，趨利避害，從而達到細化晶粒、提高材料性能的作用。
文章來源——材料與測試網
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