GCr15轴承钢旋转弯曲疲劳性能研究

GCr15轴承钢旋转弯曲疲劳性能研究

本文选择四种不同冶炼工艺——真空脱气、电渣重熔、真空自耗和双真空工艺制备的GCr15轴承钢作为试验原料,进行了旋转弯曲疲劳试验和ASPEX夹杂物表征。对四种工艺制备的GCr15轴承钢进行了高周机械疲劳试验研究,发现在10~7次疲劳寿命条件下,真空自耗轴承钢旋弯疲劳强度最高1131MPa,双真空与电渣工艺次之,分别为1087和1085MPa,由真空脱气制备的GCr15轴承钢旋弯疲劳强度最低为1000MPa和1029MPa(新型热处理工艺)。

对比其力学数据发现,疲劳强度与拉伸极限有良好的正相关关系。利用扫描电镜对疲劳断口进行表征和分析,结果显示由真空脱气工艺制备的试样起裂夹杂物平均尺寸为27.1和24.67μm,而导致电渣、真空自耗、双真空钢疲劳断裂的平均夹杂物尺寸分别为13.3、13.83和13.89μm。

通过对旋弯疲劳断口的起裂核心夹杂物、裂纹扩展鱼眼以及瞬间断裂区等疲劳全过程特征参数与旋弯疲劳强度以及寿命间关系研究,发现了大颗粒夹杂物尺寸(DS)及分布是影响轴承钢旋弯疲劳强度与寿命的关键因素。同时对所有断口夹杂物成分进行分析发现,电渣轴承钢由TiN作为裂纹源引起疲劳断裂的试样约占总数的50%,而其余试样大多数裂纹源为Al-Ca-O-S-Mn组成的复合球型、类球形夹杂物。

利用ASPEX扫描电镜对四组试验钢进行夹杂物整体检测和大尺寸夹杂物检测。整体夹杂物检测中,单位检测面积真空脱气制备的GCr15轴承钢中大尺寸夹杂物含量高于其余三组试样;电渣钢中夹杂物总数量最多,但是小尺寸夹杂物占比较高;真空自耗与双真空工艺中夹杂物数量与大小均好于其余两组工艺。

对于大尺寸夹杂物检测,每种工艺制备的轴承钢分别进行了24块最大夹杂物搜寻扫描,并将结果带入威布尔分布坐标纸中,发现真空脱气制备的轴承钢基体中最大夹杂物分布高于其余三组试样,这与其疲劳断口夹杂物良好对应。为了对比疲劳断口和ASPEX检测夹杂物之间的关系,分别将疲劳断口夹杂物和ASPEX夹杂物进行极值统计法计算,发现,两种方法表征出的夹杂物在整体尺寸区域位置分布基本相同。

而真空脱气试样较其余三种工艺夹杂物尺寸和离散度均更大。极值统计法最大夹杂物预测中,由于威布尔分布拟合函数不具有收敛性,并且会随着实验数据的离散度有很大程度波动,结合实际冶炼条件下夹杂物控制技术,预测结果只具备参考意义。