高氮不锈轴承钢组织表征与滚动接触疲劳失效机制
李波
1
，史智越
2,3
，徐海峰
3
，胡忠会
1
，贾忠宁
1
，俞峰
3
，
王存宇
3
，曹文全
3
（1.中国航空工业集团有限公司第一飞机设计研究院， 陕西西安 710089；2.中北大学材料科学与工程学院， 山西太原 030051； 3.钢铁研究总院有限公司特殊钢研究院， 北京 100081）
高氮不锈轴承钢作为第三代轴承钢材料，被广泛应用于航天飞机燃料泵轴承、飞机发动机主轴轴承等领域，现已经成为航空航天关键基础材料。而国内关于高氮不锈轴承钢滚动接触疲劳性能研究几乎空白，因此对加压电渣冶炼工艺制备的高氮不锈轴承钢采用不同回火温度热处理，进行力学性能测试、微观结构表征和滚动接触疲劳性能测试。结果表明，试验钢
1 030 ℃
淬火
+180 ℃
回火热处理工艺抗拉强度为
1 899.7 MPa
、硬度为
60.7HRC
，
500 ℃
回火后硬度与
180 ℃
相当，抗拉强度提升至
2 213.5 MPa
；通过对
500 ℃
高温回火试样基体表征，发现基体内纳米级
Cr
-
N
第二相析出是二次硬化现象产生的主要原因。
180 ℃
回火试样滚动接触疲劳寿命
L
10
为
1.67×10
7
，
500 ℃
回火试样
L
10
为
2.85×10
7
，提高了
70%
；通过对
2
组试样疲劳剥落坑深入表征，发现
180 ℃
回火试样次表层沿晶断裂是引起滚动接触疲劳失效的主要原因；结合基体残余应力测量结果分析，
500 ℃
高温回火残余拉应力为
41 MPa
，低于
180 ℃
回火的
101 MPa
。高温回火基体内析出的纳米级
Cr
-
N
第二相可以降低位错的运动能力，同时减弱了基体内部应力集中，使得滚道次表层沿晶断裂倾向减小，滚动接触疲劳寿命显著提高。对高氮不锈轴承钢不同回火工艺微观组织结构、滚动接触疲劳性能、裂纹萌生机制进行了深入研究分析，为高氮不锈轴承钢热处理工艺制定、抗疲劳机制研究以及材料研发应用提供试验与理论基础。
高氮不锈轴承钢；
微观结构；
滚动接触疲劳；
疲劳剥落；
疲劳裂纹萌生
轴承作为制造领域关键基础构件，始终发挥着重要的作用。随着轨道交通、航空航天工业的不断发展与进步，超长寿命、超高可靠性、耐高温、耐腐蚀轴承需求日益剧增，这也对轴承钢综合力学性能提出了更为严苛的要求。根据轴承钢的研发时间以及服役环境要求，轴承钢历经3代发展：第1代轴承钢以常温条件下使用的GCr15高碳高铬轴承钢和G20渗碳轴承钢为代表；第2代轴承钢以中温条件下使用的M50和M50NiL为代表；第3代轴承钢以高温、腐蚀条件下使用的CSS-42L和高氮不锈轴承钢Cronidur30为代表。
高氮不锈轴承钢作为第3代轴承材料，凭借其长寿命、高可靠性和优良的耐蚀性成为新型轴承材料研发焦点。传统不锈轴承钢主要有9Cr18、9Cr18Mo和7Cr17等牌号，基体中较高的C、Cr含量使热处理后硬度可达60HRC以上，但是这类不锈轴承钢基体中容易出现大块共晶碳化物，降低材料的耐蚀性与滚动接触疲劳性能。为了改善传统不锈轴承钢耐蚀与疲劳性能不足问题，德国FAG公司基于“降碳增氮”原则开发出新型高氮不锈轴承钢Cronidur30，其主要化学成分（质量分数）为：0.3%C-0.3%N-15%Cr-1%Mo。高氮不锈轴承钢中氮元素的加入，会显著改善基体组织、大幅细化基体组织和第二相，显著改善耐蚀与滚动疲劳性能。TROJAHN W等对比研究了Crondiur30、M50和GCr15材料滚动接触疲劳寿命和耐蚀性能，结果表明Crondiur30滚动接触疲劳寿命大约是M50的2倍、GCr15的4倍，耐盐雾腐蚀性能远高于9Cr18Mo轴承钢。
轴承在服役过程中会受到长期交变载荷和极高的接触应力，因此要求轴承钢除了满足高强高硬外，还需要具备优良的抗疲劳性能。统计表明，轴承在服役过程中疲劳剥落是最容易发生的失效形式。而滚动接触疲劳试验是最接近轴承服役状态测试方法，也是评价轴承钢疲劳性能的重要手段。“推力片接触疲劳”试验方法是常用的滚动接触疲劳测试结构之一，是将待测材料制备成环状试样，放置于测试设备下方固定，并在其上方施加钢球加以旋转，模拟轴承实际运行工况。国内外研究结果表明，滚动接触疲劳失效通常伴随着裂纹的萌生、扩展和断裂3个阶段，而影响其疲劳性能的因素主要有冶金质量和基体组织两个方面。O、S、Ti是轴承钢中主要的杂质元素，其含量通常与轴承钢滚动接触疲劳寿命呈负相关，BIRAT J P等发现钢中氧质量分数每降低0.000 5%，接触疲劳寿命会提高至原来的2倍； CAO Z X等发现由双真空工艺（VIM+VAR）制备的GCr15轴承钢中O、Ti含量大幅降低，其疲劳寿命大约是真空脱气工艺（BOF+LF+RH）的4倍。基体组织也是影响轴承钢疲劳性能的关键因素，基体中碳化物、晶粒度、残余应力等同样会影响疲劳裂纹的萌生与扩展， LEE K O等对比研究了不同晶粒尺寸和碳化物尺寸的GCr15轴承钢，发现更加细小的晶粒和碳化物可以使疲劳寿命大幅提升。此外在滚动接触疲劳加载过程中，试样内部基体微观组织会发生3个阶段演变：疲劳早期阶段出现的纳米晶粒白蚀区（white etching area，WEA）；疲劳中期阶段出现的由马氏体退化引起的暗蚀区（dark etching regions，DER）；疲劳末期出现的白蚀带（white etching bands，WEB）。
由于国内高氮不锈轴承钢科研生产起步较晚，相关滚动接触疲劳性能研究滞后。因此，本文以高氮不锈轴承钢作为研究对象，采用不同热处理工艺进行组织调控，对其强韧性力学性能、基体组织、滚动接触疲劳寿命进行试验测试表征。并对滚动接触疲劳失效试样详细表征，分析引起滚动接触疲劳失效原因，探讨疲劳裂纹萌生机制及影响因素，为高氮不锈轴承钢组织调控和长寿命研究提供试验与理论指导。
1）试验钢1 030 ℃淬火+180 ℃回火热处理工艺抗拉强度为1 899.7 MPa，500 ℃回火抗拉强度为2 213.5 MPa；180 ℃和500 ℃回火基体硬度均为60HRC以上；通过对基体组织表征，高低温回火基体组织均由马氏体和颗粒状碳氮化物构成，高温回火二次硬化现象的产生的原因是基体内纳米级Cr-N第二相的析出。
2）试验钢180 ℃回火滚动接触疲劳寿命
L
10
为1.67×10
7
，500 ℃回火试样L
10
为2.85×10
7
，较180 ℃提高了70%。通过对180 ℃回火试样疲劳剥落坑解剖分析表征，次表层沿晶断裂是引起滚动接触疲劳失效的主要原因，而500 ℃回火试样并没有发现这一现象。
3）通过对180
℃和500 ℃回火试样残余应力测试，并结合基体组织与疲劳剥落坑表征分析，表明高温回火基体内析出的纳米级Cr-N第二相可以降低位错的运动能力，同时减弱基体内部晶界处应力集中，使得滚道次表层沿晶断裂倾向减小，滚动接触疲劳寿命显著提高。
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