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魏果能 沈梨庭 陈焕忠 范崇惠 沈顺德
摘 要：采用真空感应和真空自耗双真空(VIM＋VAR）冶炼工艺生产的HGCr15轴承钢，其中氧含量仅为(5～7）×10－6。电渣钢ZGCr15 的氧化物夹杂含量是双真空HGCr15轴承钢的4.2倍。经真空热处理后轴承零件(HGCr15)表面可以获得压应力。双真空HGCr15的接触疲劳寿命 L10是电渣钢的1.49倍，断裂韧度KIC提高19%。
关键词：轴承钢 双真空 氧化物夹杂 接触疲劳寿命
Study on Microstructure and Properties of Highly Pure HGCr15 Bearing Steel
Wei Guoneng，Shen Liting
(Central Iron ＆ Steel Research Institute，MMI，Beijing 100081）
Chen Huanzhong，Fan Chonghui
（Luoyang Bearing Research Institute）
Shen Shunde
（Shanghai No．5 Steel （Group）Co．，LTD）
Abstract：This paper systematically studied the microstructure and properties of HGCr15 bearing steel produced by VIM＋VAP process．The results indicated that the oxygen content of HGCr15 is（5～7）×10－6，the content of oxide impurities in ZGCr15 produced by electroslag refining is 4．2 times that in HGCr15，the contact fatigue life L10 and fracture toughness KIC of HGCr15 respectively are 1.49 times and 1．19 times those of ZGCr15．After vacuum heat treatment，the compressive stress in the surface of bearing elements made of HGCr15 can be available．
Key words：bearing steel，VIM＋VAR，oxide impurities，contact fatigue life
1 前言
国内外研究工作已证实钢中氧化物夹杂和钢中氧含量有密切的关系，随着氧含量的降低，氧化物夹杂也减少，因而提高轴承钢的接触疲劳寿命。有的研究工作甚至 认为，钢中氧含量和疲劳寿命有直接关系，如瑞典SKF公司认为，二次精炼钢中氧含量降到10×10－6，其疲劳寿命是大气熔炼（40×10－6)的10倍 ［1］。日本山阳特殊钢也做过大量的研究工作，认为将钢中氧降到5.4×10－6，其疲劳寿命是非精炼钢的30倍，并能与电渣熔炼钢相媲美，甚至更好 ［2］。以前我国军用轴承及重要的轴承多采用电渣钢制造，电渣钢虽然夹杂物细小分布均匀，碳化物相也较理想，并且低倍组织致密，但其钢中氧含量比较高，多 在30×10－6以上，因此其氧化物夹杂的量还是较多，此次研究的重点就是采用真空感应（VIM）＋真空自耗（VAR）即双真空的冶炼工艺将钢中氧含量降 下来，提高钢的纯洁度，与此同时也要确保钢中碳化物细小均匀，低倍组织致密，以满足在特殊条件下使用的，要求高寿命、高可靠性和高质量轴承的需求。
2 试验用料的冶炼工艺、化学成分和冶金质量
试验用料双真空钢为两个炉号，电渣钢为一个炉号，双真空钢在上钢五厂的大生产中进行，冶炼工艺为：1t真空感应炉φ290mm→10t真空自耗炉φ370mm→10t真空自耗炉φ423mm，对比料电渣材在大冶特钢大生产中抽取，其冶炼工艺和化学成分见表1。
表1 试验用料的化学成分（质量分数） w（％）
编号 炉号 C Mn P S Si Ni Cr Cu Mo Ti O N 生产
工艺
(气体含量×10－6)
11＃ 243-68 1．01 0．27 0．008 0．003 0．27 0．05 1．51 0．07 0．01 0．0019 7 20 双真空
22＃ 243-67 1．03 0．32 0．008 0．004 0．29 0．05 1．50 0．07 0．01 0．0020 5 11 双真空
33＃ 11-1034 1．00 0．29 0．010 0．005 0．27 — 1.39 — — — 34 72 电渣
3组料的低倍检验结果相同，一般疏松为0.5级，中心疏松和偏析均为0级；3组料的显微组织检验结果也相同，液析为0级，网状为2.0级，带状为1.5 级，球化组织为2.0级；非金属夹杂物检验结果为，氧化物均为0.5级，点状为0级，硫化物双真空材2组共6个试样，5个试样为0.5级，一个试样为1 级，电渣材为0.5级。
3 试验方法和结果
3.1 非金属夹杂物的定量金相和电解试验结果
3.1.1 φ55mm试验料 非金属夹杂物的定量金相检验结果定量金相的检验工作在英国产Q10定量金相显微镜上进行，将试样放大到1000倍后进行检验。每个炉号分别检验3个部位的 3个试样，每个试样检验50个视场。检验部位从心部到边缘，通过计算机报出氧化物夹杂和硫化物夹杂的粘污面积百分比和氧化物夹杂的数量、颗粒大小和分布， 其结果见表2和表3。
表2 非金属夹杂物的粘污面积定量金相检验结果
编号 氧化物夹杂物（％） 硫化物夹杂（％）
试 样 号 平均 试样号 平均
1 2 3 1 2 3
11＃ 0.002714 0.002429 0.0096 0.004914 0.0276 0.0076 0.0076 0.01427
22＃ 0.003143 0.0076 0.0058 0.005514 0.0248 0.0134 0.0208 0.01967
33＃ 0.01814 0.0198 0.0264 0.02145 0.0488 0.0464 0.0359 0.04369
表3 氧化物夹杂物的颗粒大小、数量和分布的定量金相检验结果
编号 氧化物夹杂尺寸范围
总颗
粒数 ＞0～5
μm
颗粒数 ＞5～
10μm
颗粒数 ＞10～
15μm
颗粒数 ＞15～
20μm
颗粒数 ＞20μm
颗粒数
11＃ 531 525 6 0 0 0
22＃ 494 494 0 0 0 0
33＃ 721 679 34 6 1 1
备注：氧化物夹杂的颗粒数是3个试样之和
3.1.2 非金属夹杂物电解分析结果 将φ55mm的钢料改锻成φ16mm的试样，经球化退火处理后加工成φ13mm×120mm的电解夹杂的试样，该试样经840℃预热后1050℃下保温 20min后油冷，以溶解钢中碳化物，便于准确分析出非金属夹杂物的含量。其结果见表4。
表4 电解夹杂试验结果
编号 氧化物夹杂（％）
SiO2 Al2O3 TiO2 FeO NiO MnO CaO MgO Cr2O3 总量
11＃ 0．00136 0．00018 无 0．00002 0．00003 0．00005 0．00014 0．00003 0．00005 0．00186
22＃ 0．00139 0．00019 无 0．00003 0．00004 0．00004 0．00010 0．00003 0．00005 0．00187
33＃ 0．00167 0．00570 无 0．00005 0．00004 0．00006 0．00017 0．00006 0．00008 0．00783
3.2 基体组织和碳化物的分析结果
双真空料采用空气炉热处理和真空热处理，电渣料仅采用空气炉热处理。空气炉热处理工艺为845～855℃加热后油淬，然后在150～180℃进行回火。 真空热处理工艺为，在830℃预热后再在871℃加热后进行充气油冷，然后进行低温回火处理。3种料的不同热处理后的组织见图1～3，腐蚀剂均为4％ HNO3酒精。
5a.gif (11697 bytes)
图1 双真空钢真空炉热处理金相组织×500
5b.gif (11292 bytes)
图2 双真空钢空气炉热处理金相组织×500
5c.gif (11593 bytes)
图3 电渣钢空气炉热处理金相组织×500
我们对上述两种材料进行了透射电镜的试验研究，采用两种冶炼工艺和不同热处理工艺获得的材料的基体马氏体组织基本相同，看不出明显的差异，基体马氏体组织均为位错马氏体＋孪晶马氏体。通过扫描电镜观察碳化物的试验情况见图4～6。
5d.gif (11762 bytes)
图4 双真空钢经过真空热处理后的碳化物×3400
5e.gif (10497 bytes)
图5 双真空钢经过空气炉热处理后的碳化物×3400
5f.gif (11760 bytes)
图6 电渣钢经过空气炉热处理后的碳化物×3400
3.3 不同冶炼工艺的材料性能试验
3.3.1 接触疲劳寿命对比试验 接触疲劳寿命试验在JP-52接触疲劳试验机上进行，试验负荷砝码为490kg，最大接触应力为4410MPa。试验时采用自动 控制，疲劳坑控制在0.5～1.0mm左右，并且可以自动计数。试验机转速为2800r／min，N32机油循环润滑。试验在5台试验机上交替运行。试样 采用φ55mm退火材加工成φ52mm×φ30mm×8mm的试样。试验结果见表5和图7。
表5 接触疲劳寿命试验结果
编号 冶炼工艺 热处理工艺 接触疲劳寿命
L10×107 以0＃为
1的倍数 L50×107 以0＃为
1的倍数
1＃ VIM＋
VAR 真空热处理 4．0 1．49 15．07 3．04
7＃ VIM＋
VAR 空气炉热处理 3.27 1.22 11.20 3.25
0＃ ESR＋
VAR 空气炉热处理 2.69 1 4.98 1
5g.gif (11787 bytes)
图7 疲劳寿命试验的韦伯尔曲线图
1——VIM＋VAR＋真空热处理；
7——VIM＋VAR＋空气炉热处理；
0——ESR＋空气炉热处理
3.3.2 断裂韧度K1C的试验结果 断裂韧度试样由φ55mm改锻而成，其试样尺寸为12mm×24 mm×110mm，冶炼工艺、热处理工艺以及断裂韧度KIC的试验结果见表6。
表6 断裂韧度KIC试验结果
编号 冶炼工艺 热处理工艺 硬度
HRC K1C／
MPa．m1／2 以0＃为
1的倍数
1＃ 真空感应＋
真空自耗 真空热处理 59．4～59．9 18．95 1．191
7＃ 空气炉热处理 59.1 16.80 1.06
0＃ 电 渣 空气炉热处理 59.1 15.92 1
3.3.3 双真空HGCr15钢冲击韧度试验 冲击韧度试验是在JB30A冲击试验机上进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，无缺口试样，试验了两组， 一组为真空热处理，另一组为空气炉热处理，每组试验8个试样，其冲击韧度aK分别为165J／cm2和152J／cm2。前者的aK值比后者的aK值提高 9％。
3.3.4 双真空HGCr15钢耐磨性能试验 耐磨性试验是在Mn-200对滚式磨损试验机上进行，下轴转速为400r／min，上轴轴 速为360r／min，无润滑，相对滑动为10％，试验负荷588.4N（60kgf），试样尺寸为φ38mm×φ16mm ×10mm，每对试验时间为4h20min。每组试验6对，试验了两组不同热处理的试样，一组为真空热处理，另一组为空气炉处理的。其总磨损量分别为 0.2189g和0.2226g。结果表明，双真空HGCr15钢真空处理后其耐磨性能高于常规空气炉处理的耐磨性。
4 结果分析与讨论
4.1 冶炼工艺对钢中氧含量及氧化物夹杂的影响
本次试验采用双真空冶炼工艺进行试验后发现，通过双真空冶炼工艺可以获得极低氧含量的轴承钢，其氧含量仅为(5～7)×10－6，而电渣钢材的氧含量高 达34×10－6。双真空材由于氧含量的降低，其钢中氧化物夹杂含量和粘污面积明显少于电渣钢，而且其颗粒大小和分布也明显优于电渣钢。从图像分析仪分析 的结果可见双真空钢中氧化物夹杂的平均粘污面积为0.0052％，而电渣钢为0.021％，后者是前者的4倍。电解夹杂物的分析结果和定量金相的分析结果 相似，电解氧化物夹杂的总量，双真空钢和电渣钢分别为0.001865％和0.00783％，后者是前者的4.2倍，特别是对轴承钢接触疲劳寿命最为有害 的Al2O3，双真空钢和电渣钢分别为0.00018％和0.0057％，后者是前者的31.7倍。氧化物颗粒尺寸，双真空钢明显小于电渣钢，二者的平均 氧化物颗粒尺寸分别为0.005214μm和0.02145μm，后者的颗粒大小是前者的4.1倍，而双真空钢的颗粒直径全在10μm以内，电渣钢最大颗 粒直径达20μm以上。结果表明，双真空冶炼工艺对于降低钢中氧含量和氧化物夹杂的含量，提高钢的纯洁度是行之有效的途径。
4.2 热处理工艺对钢中基体组织和碳化物的影响
双真空钢和电渣钢不管是采用真空热处理还是采用空气炉热处理，淬火回火以后基体组织均为马氏体＋碳化物，通过透射电镜的观察分析，基体马氏体组织为位错 马氏体＋孪晶马氏体。扫描电镜观察结果表明，双真空钢热处理后，其钢中碳化物较细小，尺寸较均匀，大部分区域其碳化物尺寸≤1μm，只有个别区域有个别较 大尺寸的碳化物，最大为0.9μm×1.2μm；而电渣钢通过空气炉处理其钢中碳化物尺寸较不均匀，并且存在一些较大尺寸的颗粒，最大为1μm× 3.0μm和1.2μm×1.0μm，双真空钢通过空气炉热处理的碳化物接近真空热处理的碳化物。结果说明，双真空钢通过热处理以后，其碳化物的颗粒尺寸 和均匀性以及分布状态优于电渣钢。双真空钢通过真空热处理以后其碳化物颗粒尺寸、均匀度以及分布情况最为理想。
4.3 冶炼工艺和热处理工艺对HGCr15轴承钢性能的影响
接触疲劳寿命结果表明，双真空钢通过真空淬火处理并经250℃回火后其接触疲劳寿命L10最长，为4.0×107；双真空钢通过空气炉处理的L10为 3. 27×107；电渣钢通过空气炉淬火经250℃回火后的L10为2.69×107；双真空钢采用真空热处理的L10比双真空钢采用空气炉处理的L10提高 22.4％，比电渣钢采用空气炉处理的L10提高49％，双真空钢采用空气炉热处理的L10比电渣钢采用空气炉热处理的L10提高22％。双真空 HGCr15钢经真空热处理以后其L10更进一步提高，其原因可归纳如下：首先双真空钢的氧化物夹杂和氧含量明显低于电渣钢，含量低者其接触寿命则高；其 次，双真空钢经真空热处理后其残余碳化物颗粒较细小均匀，基体碳浓度的均匀性也较好，这些对提高接触疲劳寿命也是有利的；第三，双真空钢经真空热处理以后 轴承零件表面形成压应力（－135MPa），而常规热处理（空气炉处理）后轴承零件表面形成拉应力（＋227MPa）［3］，表面压应 力对接触疲劳寿命的提高也有一定的作用。
双真空钢通过真空热处理后其断裂韧度KIC为18.95MPa．m1／2，而双真空材和电渣材采用空 气炉热处理后的断裂韧度KIC分别为16.80和15.92MPa．m1／2，双真空钢采用真空热处理和空气炉处理其KIC比电渣钢采用空气炉处理分别提 高19％和6％。因此可以说，双真空钢采用真空热处理后，其断裂韧度KIC值最高，说明其抗裂纹的形成和扩展的能力最高。
双真空钢通过真空处理其冲击韧度aK提高9％。双真空钢材采用真空热处理耐磨耗性能同样优于采用空气炉热处理的钢材。
5 结论
（1）双真空冶炼HGCr15钢中氧化物夹杂含量明显低于电渣钢，并且氧化物夹杂颗粒少而小。
（2）GCr15双真空钢和电渣钢采用真空热处理和空气炉热处理其基体马氏体的组织基本相同，均为位错马氏体＋孪晶马氏体＋碳化物。双真空钢通过真空热处理以后其钢中碳化物较细小，且尺寸均匀度及分布状态最为理想。
（3）双真空HGCr15的力学性能明显优于电渣ZGCr15钢：接触疲劳寿命L10比电渣钢提高49％；断裂韧度K1C比电渣钢提高19％；冲击韧度和耐磨性略高于电渣钢。
本课题为“八．五”国家攻关项目。
作者简介：魏果能：男，58岁，教授级高工，长期从事轴承材料及工艺的研究工作。
作者单位：魏果能 沈梨庭 冶金部钢铁研究总院(北京 100081)
陈焕忠 范崇惠 洛阳轴承研究所
沈顺德 上海五钢(集团)有限公司
参考文献
1 SkF．Ball Bearing Journal，19 83：217
2 上杉年一.铁与钢，1988，74（10）：1889～1894
3 陈焕忠.轴承，1985（1）：41～45
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摘 要：采用真空感应和真空自耗双真空(VIM＋VAR）冶炼工艺生产的HGCr15轴承钢，其中氧含量仅为(5～7）×10－6。电渣钢ZGCr15 的氧化物夹杂含量是双真空HGCr15轴承钢的4.2倍。经真空热处理后轴承零件(HGCr15)表面可以获得压应力。双真空HGCr15的接触疲劳寿命 L10是电渣钢的1.49倍，断裂韧度KIC提高19%。
关键词：轴承钢 双真空 氧化物夹杂 接触疲劳寿命
Study on Microstructure and Properties of Highly Pure HGCr15 Bearing Steel
Wei Guoneng，Shen Liting
(Central Iron ＆ Steel Research Institute，MMI，Beijing 100081）
Chen Huanzhong，Fan Chonghui
（Luoyang Bearing Research Institute）
Shen Shunde
（Shanghai No．5 Steel （Group）Co．，LTD）
Abstract：This paper systematically studied the microstructure and properties of HGCr15 bearing steel produced by VIM＋VAP process．The results indicated that the oxygen content of HGCr15 is（5～7）×10－6，the content of oxide impurities in ZGCr15 produced by electroslag refining is 4．2 times that in HGCr15，the contact fatigue life L10 and fracture toughness KIC of HGCr15 respectively are 1.49 times and 1．19 times those of ZGCr15．After vacuum heat treatment，the compressive stress in the surface of bearing elements made of HGCr15 can be available．
Key words：bearing steel，VIM＋VAR，oxide impurities，contact fatigue life
1 前言
国内外研究工作已证实钢中氧化物夹杂和钢中氧含量有密切的关系，随着氧含量的降低，氧化物夹杂也减少，因而提高轴承钢的接触疲劳寿命。有的研究工作甚至 认为，钢中氧含量和疲劳寿命有直接关系，如瑞典SKF公司认为，二次精炼钢中氧含量降到10×10－6，其疲劳寿命是大气熔炼（40×10－6)的10倍 ［1］。日本山阳特殊钢也做过大量的研究工作，认为将钢中氧降到5.4×10－6，其疲劳寿命是非精炼钢的30倍，并能与电渣熔炼钢相媲美，甚至更好 ［2］。以前我国军用轴承及重要的轴承多采用电渣钢制造，电渣钢虽然夹杂物细小分布均匀，碳化物相也较理想，并且低倍组织致密，但其钢中氧含量比较高，多 在30×10－6以上，因此其氧化物夹杂的量还是较多，此次研究的重点就是采用真空感应（VIM）＋真空自耗（VAR）即双真空的冶炼工艺将钢中氧含量降 下来，提高钢的纯洁度，与此同时也要确保钢中碳化物细小均匀，低倍组织致密，以满足在特殊条件下使用的，要求高寿命、高可靠性和高质量轴承的需求。
2 试验用料的冶炼工艺、化学成分和冶金质量
试验用料双真空钢为两个炉号，电渣钢为一个炉号，双真空钢在上钢五厂的大生产中进行，冶炼工艺为：1t真空感应炉φ290mm→10t真空自耗炉φ370mm→10t真空自耗炉φ423mm，对比料电渣材在大冶特钢大生产中抽取，其冶炼工艺和化学成分见表1。
表1 试验用料的化学成分（质量分数） w（％）
编号 炉号 C Mn P S Si Ni Cr Cu Mo Ti O N 生产
工艺
(气体含量×10－6)
11＃ 243-68 1．01 0．27 0．008 0．003 0．27 0．05 1．51 0．07 0．01 0．0019 7 20 双真空
22＃ 243-67 1．03 0．32 0．008 0．004 0．29 0．05 1．50 0．07 0．01 0．0020 5 11 双真空
33＃ 11-1034 1．00 0．29 0．010 0．005 0．27 — 1.39 — — — 34 72 电渣
3组料的低倍检验结果相同，一般疏松为0.5级，中心疏松和偏析均为0级；3组料的显微组织检验结果也相同，液析为0级，网状为2.0级，带状为1.5 级，球化组织为2.0级；非金属夹杂物检验结果为，氧化物均为0.5级，点状为0级，硫化物双真空材2组共6个试样，5个试样为0.5级，一个试样为1 级，电渣材为0.5级。
3 试验方法和结果
3.1 非金属夹杂物的定量金相和电解试验结果
3.1.1 φ55mm试验料 非金属夹杂物的定量金相检验结果定量金相的检验工作在英国产Q10定量金相显微镜上进行，将试样放大到1000倍后进行检验。每个炉号分别检验3个部位的 3个试样，每个试样检验50个视场。检验部位从心部到边缘，通过计算机报出氧化物夹杂和硫化物夹杂的粘污面积百分比和氧化物夹杂的数量、颗粒大小和分布， 其结果见表2和表3。
表2 非金属夹杂物的粘污面积定量金相检验结果
编号 氧化物夹杂物（％） 硫化物夹杂（％）
试 样 号 平均 试样号 平均
1 2 3 1 2 3
11＃ 0.002714 0.002429 0.0096 0.004914 0.0276 0.0076 0.0076 0.01427
22＃ 0.003143 0.0076 0.0058 0.005514 0.0248 0.0134 0.0208 0.01967
33＃ 0.01814 0.0198 0.0264 0.02145 0.0488 0.0464 0.0359 0.04369
表3 氧化物夹杂物的颗粒大小、数量和分布的定量金相检验结果
编号 氧化物夹杂尺寸范围
总颗
粒数 ＞0～5
μm
颗粒数 ＞5～
10μm
颗粒数 ＞10～
15μm
颗粒数 ＞15～
20μm
颗粒数 ＞20μm
颗粒数
11＃ 531 525 6 0 0 0
22＃ 494 494 0 0 0 0
33＃ 721 679 34 6 1 1
备注：氧化物夹杂的颗粒数是3个试样之和
3.1.2 非金属夹杂物电解分析结果 将φ55mm的钢料改锻成φ16mm的试样，经球化退火处理后加工成φ13mm×120mm的电解夹杂的试样，该试样经840℃预热后1050℃下保温 20min后油冷，以溶解钢中碳化物，便于准确分析出非金属夹杂物的含量。其结果见表4。
表4 电解夹杂试验结果
编号 氧化物夹杂（％）
SiO2 Al2O3 TiO2 FeO NiO MnO CaO MgO Cr2O3 总量
11＃ 0．00136 0．00018 无 0．00002 0．00003 0．00005 0．00014 0．00003 0．00005 0．00186
22＃ 0．00139 0．00019 无 0．00003 0．00004 0．00004 0．00010 0．00003 0．00005 0．00187
33＃ 0．00167 0．00570 无 0．00005 0．00004 0．00006 0．00017 0．00006 0．00008 0．00783
3.2 基体组织和碳化物的分析结果
双真空料采用空气炉热处理和真空热处理，电渣料仅采用空气炉热处理。空气炉热处理工艺为845～855℃加热后油淬，然后在150～180℃进行回火。 真空热处理工艺为，在830℃预热后再在871℃加热后进行充气油冷，然后进行低温回火处理。3种料的不同热处理后的组织见图1～3，腐蚀剂均为4％ HNO3酒精。
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图1 双真空钢真空炉热处理金相组织×500
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图2 双真空钢空气炉热处理金相组织×500
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图3 电渣钢空气炉热处理金相组织×500
我们对上述两种材料进行了透射电镜的试验研究，采用两种冶炼工艺和不同热处理工艺获得的材料的基体马氏体组织基本相同，看不出明显的差异，基体马氏体组织均为位错马氏体＋孪晶马氏体。通过扫描电镜观察碳化物的试验情况见图4～6。
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图4 双真空钢经过真空热处理后的碳化物×3400
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图5 双真空钢经过空气炉热处理后的碳化物×3400
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图6 电渣钢经过空气炉热处理后的碳化物×3400
3.3 不同冶炼工艺的材料性能试验
3.3.1 接触疲劳寿命对比试验 接触疲劳寿命试验在JP-52接触疲劳试验机上进行，试验负荷砝码为490kg，最大接触应力为4410MPa。试验时采用自动 控制，疲劳坑控制在0.5～1.0mm左右，并且可以自动计数。试验机转速为2800r／min，N32机油循环润滑。试验在5台试验机上交替运行。试样 采用φ55mm退火材加工成φ52mm×φ30mm×8mm的试样。试验结果见表5和图7。
表5 接触疲劳寿命试验结果
编号 冶炼工艺 热处理工艺 接触疲劳寿命
L10×107 以0＃为
1的倍数 L50×107 以0＃为
1的倍数
1＃ VIM＋
VAR 真空热处理 4．0 1．49 15．07 3．04
7＃ VIM＋
VAR 空气炉热处理 3.27 1.22 11.20 3.25
0＃ ESR＋
VAR 空气炉热处理 2.69 1 4.98 1
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图7 疲劳寿命试验的韦伯尔曲线图
1——VIM＋VAR＋真空热处理；
7——VIM＋VAR＋空气炉热处理；
0——ESR＋空气炉热处理
3.3.2 断裂韧度K1C的试验结果 断裂韧度试样由φ55mm改锻而成，其试样尺寸为12mm×24 mm×110mm，冶炼工艺、热处理工艺以及断裂韧度KIC的试验结果见表6。
表6 断裂韧度KIC试验结果
编号 冶炼工艺 热处理工艺 硬度
HRC K1C／
MPa．m1／2 以0＃为
1的倍数
1＃ 真空感应＋
真空自耗 真空热处理 59．4～59．9 18．95 1．191
7＃ 空气炉热处理 59.1 16.80 1.06
0＃ 电 渣 空气炉热处理 59.1 15.92 1
3.3.3 双真空HGCr15钢冲击韧度试验 冲击韧度试验是在JB30A冲击试验机上进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，无缺口试样，试验了两组， 一组为真空热处理，另一组为空气炉热处理，每组试验8个试样，其冲击韧度aK分别为165J／cm2和152J／cm2。前者的aK值比后者的aK值提高 9％。
3.3.4 双真空HGCr15钢耐磨性能试验 耐磨性试验是在Mn-200对滚式磨损试验机上进行，下轴转速为400r／min，上轴轴 速为360r／min，无润滑，相对滑动为10％，试验负荷588.4N（60kgf），试样尺寸为φ38mm×φ16mm ×10mm，每对试验时间为4h20min。每组试验6对，试验了两组不同热处理的试样，一组为真空热处理，另一组为空气炉处理的。其总磨损量分别为 0.2189g和0.2226g。结果表明，双真空HGCr15钢真空处理后其耐磨性能高于常规空气炉处理的耐磨性。
4 结果分析与讨论
4.1 冶炼工艺对钢中氧含量及氧化物夹杂的影响
本次试验采用双真空冶炼工艺进行试验后发现，通过双真空冶炼工艺可以获得极低氧含量的轴承钢，其氧含量仅为(5～7)×10－6，而电渣钢材的氧含量高 达34×10－6。双真空材由于氧含量的降低，其钢中氧化物夹杂含量和粘污面积明显少于电渣钢，而且其颗粒大小和分布也明显优于电渣钢。从图像分析仪分析 的结果可见双真空钢中氧化物夹杂的平均粘污面积为0.0052％，而电渣钢为0.021％，后者是前者的4倍。电解夹杂物的分析结果和定量金相的分析结果 相似，电解氧化物夹杂的总量，双真空钢和电渣钢分别为0.001865％和0.00783％，后者是前者的4.2倍，特别是对轴承钢接触疲劳寿命最为有害 的Al2O3，双真空钢和电渣钢分别为0.00018％和0.0057％，后者是前者的31.7倍。氧化物颗粒尺寸，双真空钢明显小于电渣钢，二者的平均 氧化物颗粒尺寸分别为0.005214μm和0.02145μm，后者的颗粒大小是前者的4.1倍，而双真空钢的颗粒直径全在10μm以内，电渣钢最大颗 粒直径达20μm以上。结果表明，双真空冶炼工艺对于降低钢中氧含量和氧化物夹杂的含量，提高钢的纯洁度是行之有效的途径。
4.2 热处理工艺对钢中基体组织和碳化物的影响
双真空钢和电渣钢不管是采用真空热处理还是采用空气炉热处理，淬火回火以后基体组织均为马氏体＋碳化物，通过透射电镜的观察分析，基体马氏体组织为位错 马氏体＋孪晶马氏体。扫描电镜观察结果表明，双真空钢热处理后，其钢中碳化物较细小，尺寸较均匀，大部分区域其碳化物尺寸≤1μm，只有个别区域有个别较 大尺寸的碳化物，最大为0.9μm×1.2μm；而电渣钢通过空气炉处理其钢中碳化物尺寸较不均匀，并且存在一些较大尺寸的颗粒，最大为1μm× 3.0μm和1.2μm×1.0μm，双真空钢通过空气炉热处理的碳化物接近真空热处理的碳化物。结果说明，双真空钢通过热处理以后，其碳化物的颗粒尺寸 和均匀性以及分布状态优于电渣钢。双真空钢通过真空热处理以后其碳化物颗粒尺寸、均匀度以及分布情况最为理想。
4.3 冶炼工艺和热处理工艺对HGCr15轴承钢性能的影响
接触疲劳寿命结果表明，双真空钢通过真空淬火处理并经250℃回火后其接触疲劳寿命L10最长，为4.0×107；双真空钢通过空气炉处理的L10为 3. 27×107；电渣钢通过空气炉淬火经250℃回火后的L10为2.69×107；双真空钢采用真空热处理的L10比双真空钢采用空气炉处理的L10提高 22.4％，比电渣钢采用空气炉处理的L10提高49％，双真空钢采用空气炉热处理的L10比电渣钢采用空气炉热处理的L10提高22％。双真空 HGCr15钢经真空热处理以后其L10更进一步提高，其原因可归纳如下：首先双真空钢的氧化物夹杂和氧含量明显低于电渣钢，含量低者其接触寿命则高；其 次，双真空钢经真空热处理后其残余碳化物颗粒较细小均匀，基体碳浓度的均匀性也较好，这些对提高接触疲劳寿命也是有利的；第三，双真空钢经真空热处理以后 轴承零件表面形成压应力（－135MPa），而常规热处理（空气炉处理）后轴承零件表面形成拉应力（＋227MPa）［3］，表面压应 力对接触疲劳寿命的提高也有一定的作用。
双真空钢通过真空热处理后其断裂韧度KIC为18.95MPa．m1／2，而双真空材和电渣材采用空 气炉热处理后的断裂韧度KIC分别为16.80和15.92MPa．m1／2，双真空钢采用真空热处理和空气炉处理其KIC比电渣钢采用空气炉处理分别提 高19％和6％。因此可以说，双真空钢采用真空热处理后，其断裂韧度KIC值最高，说明其抗裂纹的形成和扩展的能力最高。
双真空钢通过真空处理其冲击韧度aK提高9％。双真空钢材采用真空热处理耐磨耗性能同样优于采用空气炉热处理的钢材。
5 结论
（1）双真空冶炼HGCr15钢中氧化物夹杂含量明显低于电渣钢，并且氧化物夹杂颗粒少而小。
（2）GCr15双真空钢和电渣钢采用真空热处理和空气炉热处理其基体马氏体的组织基本相同，均为位错马氏体＋孪晶马氏体＋碳化物。双真空钢通过真空热处理以后其钢中碳化物较细小，且尺寸均匀度及分布状态最为理想。
（3）双真空HGCr15的力学性能明显优于电渣ZGCr15钢：接触疲劳寿命L10比电渣钢提高49％；断裂韧度K1C比电渣钢提高19％；冲击韧度和耐磨性略高于电渣钢。
本课题为“八．五”国家攻关项目。
作者简介：魏果能：男，58岁，教授级高工，长期从事轴承材料及工艺的研究工作。
作者单位：魏果能 沈梨庭 冶金部钢铁研究总院(北京 100081)
陈焕忠 范崇惠 洛阳轴承研究所
沈顺德 上海五钢(集团)有限公司
参考文献
1 SkF．Ball Bearing Journal，19 83：217
2 上杉年一.铁与钢，1988，74（10）：1889～1894
3 陈焕忠.轴承，1985（1）：41～45
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