1.4.5 高碳铬轴承钢的材料缺陷
轴承在使用过程中，因材料缺陷引起疲劳损害所占比例很大。为此，要达到轴承所要求的各种性能，保证使用寿命，必须了解材料缺陷的特征、形成原因及其对性能的影响。高碳铬轴承钢的材料缺陷有表面缺陷、低倍组织缺陷和高倍组织缺陷等。
（1）表面缺陷 一般对高碳铬轴承钢的棒材、钢管和线材的表面质量都有严格要求。在表面上不允许有破坏性的深层缺陷，对不太严重的浅层缺陷的深度也有具体规定。此外，规定棒料表面上不允许有锻造和轧制污物、气泡、裂纹、重皮、折叠、结疤以及钢锭或中间坯在改制时产生的其他缺陷。对于棒料和钢管表面上的压痕、麻点、划伤等轻微缺陷也规定了所允许的深度，否则在随后的机械加工、压力加工、热处理或轴承使用过程中会反映出来，从而影响轴承寿命。
（2）低倍组织缺陷 酸浸试样后，借助肉眼和100倍以下的放大镜观察到的缺陷称低倍组织缺陷。棒料的低倍组织中不得有缩孔残余、白点、裂纹、皮下气泡、过烧等有害缺陷，中心疏松、一般疏松、锭型偏析、中心偏析的合格级别及判定规则要符合GB/T 18254—2016《高碳铬轴承钢》标准规定。因为这些缺陷会使钢材在冷、热塑性变形及热处理过程中产生裂纹，并在使用过程中导致零件的破坏。低倍组织缺陷如下：
1）偏析：钢中化学成分不均匀现象的总称，在浇注过程中，由于结晶和扩散过程中某些元素、气体和夹杂的聚集而造成。
①树枝状偏析：经热酸蚀后，偏析呈树枝状。白色是树枝晶轴，其纯度较高，富集了高熔点磷、铬、镍、锰等元素。晶轴间黑色部分则富集较多杂质及低熔点元素。树枝状偏析使力学性能变坏，特别是使塑性、韧性下降。
②方框形偏析：经酸蚀后，由密集暗色小点组成的偏析带。偏析带上主要是非金属夹杂物以及硫、磷等杂质。该偏析破坏了金属的连续性，降低了力学性能，使钢产生“冷脆”和“热脆”，增加钢的回火脆性，使钢件淬火后硬度不均匀，易产生裂纹、疲劳等，影响轴承使用寿命。
③点状偏析：经酸蚀后呈分散分布，形状、大小不同，略微凹陷的圆形或椭圆形的暗黑色小斑点。点状偏析中，夹杂物含量较高，碳和硫也超过正常含量。严重的点状偏析，易在斑点处产生应力集中，导致轴承早期疲劳破坏。
2）缩孔残余：缩孔是最后钢液凝固收缩时，得不到补充而在钢锭上部中心形成管状、喇叭状或分散的孔洞。缩孔残余是未切除干净的部分缩孔残留在钢内，形成孔洞或裂纹。严重的缩孔残余周围，往往伴有严重的疏松或偏析及夹杂物，并在纵向断口上，相应于缩孔处出现夹层。缩孔残余有时贯穿整个钢材，在锻造后形成内部裂纹。
3）疏松：经热酸蚀呈现暗黑色小点和孔隙。
①一般疏松：钢锭结晶形成树枝状晶体，在晶间的低熔点液体最后凝固时，得不到补充，或是由于富集杂质以及气体逸出后产生孔隙。
②中心疏松：钢锭浇注时，冷凝较慢，其形成过程与缩孔类似，但为许多分散、极小的缩孔，并在钢锭上部中心部位产生细小孔隙，有时和偏析、缩孔同时存在。
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。因此，平锻机上使用的棒料不允许有严重的疏松，否则，致密性最差的部分就会位于套圈的工作表面。冷锻钢球时，条钢的中心部位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，则在两极区产生早期疲劳剥落的概率就会急剧增加。
4）气泡：钢液中含有过量的气体，凝固时未能逸出而在钢内形成的空隙。气泡的存在减小了钢材的有效截面，并易产生应力集中，大大降低了钢材的强度。
5）白点：氢气脱溶析集到疏松微孔中产生巨大压力，冷却过程中在650～150℃范围内未缓冷，由于氢的压力及组织应力超过抗拉强度形成的裂纹。
高碳铬轴承钢中，白点的存在，使纵向伸长率、断面收缩率、冲击韧性急剧下降，而对横向性能的影响更为严重，故有白点的钢材不能使用。
高碳铬轴承钢形成白点的温度范围是200～256℃。为保证不产生白点，直径或厚度大于40mm的锻件，应在150～650℃范围内缓冷（埋在石灰中冷却）。
6）粗大非金属夹杂物：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造成了非金属夹杂物。
7）发纹：由钢中的非金属夹杂物和气体形成的。夹杂物经变形加工后，再经酸蚀而脱落，形成细长的发纹。
8）显微孔隙：因钢锭轴心部分过烧造成的。在过烧区内，裂纹沿显微组织的偏析带取向。其形成的机理是：钢锭的轴心区内，由于碳和铬元素的富集，可能使亚稳定莱氏体区变形后形成的碳化物富集起来，轧制过程中会沿该区的非塑性流线方向形成裂纹。显微孔隙在低倍组织缺陷中危害性较大。这类缺陷一般出现在棒料的中心部位。为此，直径小于60mm的热轧棒料，不允许有显微孔隙，大尺寸热轧棒料，则限制在规定级别内。
（3）高倍组织缺陷 借助放大100倍以上的显微镜观察到的组织缺陷称为高倍组织缺陷。高碳铬轴承钢的高倍组织缺陷包括非金属夹杂物、碳化物不均匀性、球化组织、脱贫碳等。
1）非金属夹杂物。冶炼和浇注时，钢液内各成分间，或钢液与炉气、容器接触处在冷凝时，由于温度下降、溶解度减小而析出非金属夹杂物。钢中的非金属夹杂物反映了钢材的纯净度。
高碳铬轴承钢中的非金属夹杂物分为五类，即A类（硫化物）、B类（氧化物）、C类（硅酸盐）、D类（球状氧化物类夹杂物）、DS类（单颗粒球状类夹杂物）。非金属夹杂物按GB/T18254—2016标准规定的方法检验和判定是否符合标准要求。B类的脆性夹杂物破坏了钢基体的连续性，D类的球状氧化物类夹杂物的膨胀系数小于钢基体，这两种夹杂物的破坏性尤甚于塑性夹杂物（A类）。
A类：钢中的硫化物（MnS等）。硫化物有较好的塑性，因此也称塑性夹杂物，在钢中呈球状分布，压力加工时沿轧制方向呈连续的条状分布。硫化物如钢中的裂纹一样，破坏了金属基体的连续性，使力学性能下降，是夹杂物中对轴承寿命影响最小的一种。
B类：氧化物（FeO、Al2O3、MnO、SiO2等）。氧化物硬而脆，塑性差，呈球状分布，也称脆性夹杂物。轧锻成材时，被压碎沿轧制方向伸长呈点链状。氧化物夹杂，破坏了金属的连续性，降低了强度及增大了表面粗糙度值；受反复应力作用时，成为应力集中的策源地，是轴承破坏的主要原因之一。
C类：硅酸盐（硅酸亚铁、硅酸亚锰等）。硅酸盐夹杂物在显微镜下的光学特征是黑色或深灰色，在暗场下呈透明特征。玻璃质的硅酸盐塑性较好，在高温轧钢过程中球形夹杂物沿纵向变形延伸呈条状分布，具有延展性。硅酸盐夹杂物对轴承寿命的影响仅次于氧化物。因此，减少它的含量、控制尺寸、改变其分布状态是提高钢的纯净度和轴承寿命的重要途径。
D类：球状氧化物类夹杂物。不变形，带角或圆形，形态比小，黑色或带蓝色，多为球形或不规则块状复合氧化物（如氧化铝、氧化硅、氧化铬及它们的复合夹杂物等），无规则分布的颗粒。
DS类：单颗粒球状类夹杂物。DS类夹杂物是圆形或近似圆形，直径大于13μm的单颗粒夹杂物。大尺寸颗粒状夹杂物对钢使用性能影响较大，尤其是表面或皮下的大颗粒夹杂物部位受力后易产生应力集中，往往成为开裂源。
2）碳化物不均匀性。
①碳化物液析。高碳铬轴承钢钢锭凝固时，通常会产生严重的宏观元素偏析，一般在最后凝固的区域溶质含量高，形成碳及合金元素富集区，甚至在其晶界附近达到共晶成分，凝固后出现莱氏体（非平衡的离异共晶）。浇注温度越高，锭坯越大，冷却越慢，莱氏体组织就越严重，特别是在3个晶粒的交界处。经轧制后，这种离异共晶碳化物大多呈白亮多角状的破碎小块，且沿轧制方向分布成链状或条状（图1-4和图1-5），称为碳化物液析。液析碳化物与非金属夹杂物一样，被作为夹杂物来考核钢的纯净度。液析碳化物硬而脆，使钢的耐磨性下降。大块状碳化物易产生淬火裂纹，并导致轴承零件的组织和力学性能具有方向性，使轴承表面剥落和中心破裂，是疲劳破坏的起因。
碳化物液析经过长时间的高温扩散退火，原则上可以得到改善。原材料的碳化物液析，应根据GB/T18254—2016《高碳铬轴承钢》中的液析评级图片对比评定。
②碳化物带状。钢锭在冷却时，由于冷却速度慢造成枝晶偏析，在枝晶间最后凝固的部分富集着碳和铬等溶质元素，凝固后会析聚大量碳化物，进而形成粗大的一次碳化物，锻轧时破碎成小块状聚集状态，并沿变形方向排列成带状，称之为碳化物带状，如图1-6和图1-7所示。
图1-4 链状碳化物液析（100×）
图1-5 条状碳化物液析（100×）
带状碳化物的存在，使钢的化学成分极不均匀（碳化物带上，碳的质量分数可达1.3%～1.4%，铬的质量分数＞2%；碳化物带间，碳的质量分数0.6%～0.7%，铬的质量分数＜1.0%），直接影响热处理质量和轴承寿命，因此需要对其进行检验控制。检验时的取样、评级和验收均按照GB/T18254—2016《高碳铬轴承钢》标准的规定进行。
③碳化物网状。由于钢材停轧、停锻温度过高或退火时过热，并在860～700℃温度范围冷却过慢，使二次碳化物沿奥氏体晶界析出，构成网状，称之为碳化物网状，如图1-8所示。
图1-6 碳化物带状（一）（100×）
图1-7 碳化物带状（二）（500×）
碳化物网状，不但降低钢的力学性能，在淬火过程中产生很大的组织应力，不仅易产生淬火变形和裂纹，还降低冲击韧性和接触疲劳强度。
碳化物网状的消除可以通过控制终轧或终锻温度，在轧制（终锻）后采用吹风冷却或喷雾冷却，以防止网状析出。在正常锻造后缓冷遗留下来的碳化物网状，网孔比较粗大，一般不影响晶粒内部珠光体的球化，淬回火组织正常。但停锻温度过高，冷却过缓，会形成特别粗大的网状，常规退火后不能消除，必须进行正火处理。粗大的碳化物网状可采用较高的正火温度，如930～950℃加热正火消除，一般细的碳化物网状可以在900～930℃加热正火消除。
退火温度过高，保温时间太长，也可能产生粗大的二次碳化物网状，其晶界碳化物粗大，网状比较肥厚，网孔范围较小，晶内组织球化不良，甚至不球化。
对原材料为退火状态交货的钢材，检查碳化物网状时，按GB/T18254—2016标准中的碳化物网状评级图谱对比评定；对锻造毛坯球化退火后残留的二次碳化物网状，按GB/T 34891—2017《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件热处理技术条件》中规定的图片对比评定。
图1-8 碳化物网状
a）淬回火碳化物网状（100×） b）铸造碳化物网状（100×）
3）球化组织。轴承钢主要有热轧、热轧退火、热锻、冷拉（拔）等，不同工艺状态下的材料，其内部具有不同的显微组织。由于高碳铬轴承钢的球化退火不仅能降低硬度，便于切削加工和冷压力加工，还能为最终热处理（淬火）做组织准备。一般轴承厂用的冷拉（拔）轴承钢在钢厂都经过球化退火，因此热轧退火及冷拉（拔）高碳铬轴承钢的球化退火质量直接影响到轴承零件的内在质量。
在对球化组织进行评定时，应按照GB/T18254—2016标准规定的退火组织图片，在金相显微镜下放大500倍或1000倍评级，2～4级为合格组织，1级为欠热组织，5级为过热组织，1级和5级均为不合格组织。评级的原则是“以不允许出现片状珠光体组织”为主。标准中5个级别的图片说明如下：
1级：碳化物颗粒细小，呈点状或细粒状弥散分布，局部有细片状珠光体组织。
2级：细粒状珠光体加少量点状珠光体。
3级：均匀的球状珠光体加极少量点状珠光体。
4级：稍大的均匀分布的球状珠光体。
5级：碳化物颗粒大小不均，颗粒圆度较差，分布不均，局部有明显粗片状珠光体组织。
4）脱、贫碳。钢材表面碳含量低于标准规定的含量。表面脱、贫碳，将使钢的表面硬度、强度降低，易产生淬火裂纹。脱碳层指纯脱碳层和半脱碳层的总和，其脱碳层深度检验，按相关的轴承钢标准（GB/T18254和GB/T18579）的规定和GB/T224—2019《钢的脱碳层深度测定法》进行评定。用冷拉钢制造的滚动体必须将脱、贫碳层去除后，方能投料。
表1-8所列为四大类轴承钢热处理工艺质量控制项目。
表1-8 四大类轴承钢热处理工艺质量控制项目
【讨论和习题】
1.讨论
建议分组讨论，5人左右为一组。各小组查阅资料并准备提纲，在讨论课上分享。
1.1 高档数控机床主轴轴承、航空发动机主轴轴承和风电主轴轴承服役工况是什么？分析应分别采用什么轴承钢材料以及该轴承钢材料应具备什么样的性能。
1.2 举例具体分析轴承材料缺陷（如非金属夹杂物、碳化物网状等）如何影响轴承性能。
1.3 异常白色组织剥落是目前轴承失效机理的第三种疲劳机理，查阅资料讨论分析异常白色组织的剥落导致轴承失效的机理并分析预防措施。
2.习题
2.1 试述高碳铬轴承钢的化学成分，并简述合金元素在钢中的作用。
2.2 总结轴承钢有哪些材料缺陷。
2.3 总结轴承钢种类以及所制轴承的工作特点。
2.4 《团结就是力量》这首歌中有一句歌词“这力量是铁，这力量是钢，比铁还硬，比钢还强”，对于轴承钢来说，硬和强分别指什么？