轴承钢接触疲劳寿命及其影响因素的回归分析_赵钟会.pdf

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1、轴承钢接触疲劳寿命及其影响因素的回归分析冶金工业部大冶钢厂赵钟 会万 业恕游泳王昌生张继咸机械工业部轴承研究所王世俊宋新玉潘秀丽前言就轴承钢疲劳寿命及其影响因素的问题而言,国内外冶金工作者已经做了大量而有成效的研究工作,得到了有益的结论,对提高轴承钢疲劳寿命起了巨大的作用。这些影只有在质量 好的钢材基础上,提高精度等级才具有更明显的效果,并 对钢球工艺 和寿命,将会产生显著的技术效果。至于经济效益问题,今后应全 面分析探讨应用 的可能性。参考资料1钟兆麟、王杰君,国内外单列 向心球轴承产品质量的对比分析,洛阳轴承研究所,1964年3月2艾民德等,国内外向心球轴 承307质量对比 分析,洛阳轴承

2、研究所,198 2年1 2月3光球工艺 与锉削软磨工艺对成品钢球寿命的影响,洛阳轴承研究所、哈尔滨轴 承厂,198 0年8月4王保 振、聂天明,“锥鼓球与球形球冷墩成型工艺对钢球寿命的影响,1981年9月5大译真澄,“轴承钢 球 的滚动疲劳试验”,机械研究,19 6 3,VO L、1 5,加5,P65 2一6 5461 1.B.KO八OTE HKOB,“KBonP O CYnon0B BB工班H 尺刃八0几OTOBE H H-OCTHno仄班H n H HKOB”,T EX HO月O TH只no及L l lHnHKOC T PO EH H只,1958,掖1 8,CTP.5一157A.r.CnE

3、KT O P等,C T PY KTY PAHC BO盆C TBAno双I l lH nH玖K OBBIXCT AJ IEn,MO CKBA,“META月几Y PrH只”,19 80,CTP,10 9一10 98轴承钢的材质与轴承寿命的关系,北京钢 铁研究院、大冶钢厂、洛阳轴承研究所,1 680年l月响轴 承钢疲劳寿命的因素在轴承寿命试验中得到了验证。到目前为止,我们 看到 过 的一些资料中,几乎都是讨论单一的变量对轴承钢疲劳寿命的影响,如氧含量、硫含量、钦含量、碳化物颗粒度,大于一定尺寸的夹杂物个数等,只有日本的峰公雄,提出用(0.2 1 侧万o%一0.003)%S%0.2 1、/工0%十0.

4、0 07)%公式,硫在这个区间,就可以得到最佳的轴承钢疲劳寿命。匈牙利列宁冶金厂的研究者用艺。/S与疲劳寿命作图。然而由于轴承钢生产条件和工艺 的巨大差异,如锭型的大小,冶炼的方法,脱气工艺,造渣制度,浇注温度,钢锭高温扩散与否及其程度,终轧温度的控 制,轧材的冷却方式,退火工 艺等等 不 同,带来了材质差异。它将怎样影响轴承钢 的疲 劳寿命,其影响程度如何;洛阳轴承研究所与全 国五家特 殊钢 厂共同进行的“真空脱气轴承钢 的接触疲 劳寿命 及其影响 因素”一 文中就谈到了这个问题,给予了定性的解释,我们 在这篇文章中以多并元回归分析的方法企图从另一方面给予材质一些参数和轴承钢疲劳寿命定量解释

5、。为了这 一工作,补充了部分试 验,如解剖了十二组推力片,分析其氧、磷含量,测定了五类碳化物。在这些数据的基础 上,我们进行多元 回归分析,确定质量参数对轴承钢疲劳寿命 的影响及其大小。一诚然,影响轴承钢疲劳的因素比较多,都把它们放在一个方程式中比较因难,我 们选 用了氧含量、硫含量、碳化物平均距离三个参 变量,进行回归分析,以代表两类夹杂物,即非金属夹 杂物和 金属 夹杂物对轴承钢疲劳寿命的影响,这本身就忽略了一 些因素的影响,加上参数分析的误差,疲劳寿命试验 的误 差,方程的精度可能差了一些。但与单因素试验所得到方 程的精度相 比,不为逊色。一、试验用料及分析测量方法本试验用料是从抚顺钢厂

6、、大连钢厂、上钢五厂、齐齐哈尔钢厂和大冶钢 厂提供给洛阳轴承 研究所进行“真空脱气轴承钢的接触疲劳寿命及其影响因素”一文中试验过的十二组820 6推力片,每组任取一个,共十二个。其中电护单炼G Cr1 5轴承钢五组,真空脱气和真空精炼G Cr巧轴承六组,S L钢 包喷 粉钢一 组。每个推力片,一半做非金 属夹杂物、残余碳化物测定,另一半分析氧和硫含量。1。钢中全氧分析是用 全国的KL S一5 6 型库仓分析仪测定的。试样尺寸 必5x6,每组纲分析3个试样,分析的误差为0.00 0 3%,即3ppm。2.钢中硫含量分析。硫含量是CS一14 4型碳硫仪分析的。3.残余碳化物。关于残余碳化物的面 积

7、和直径的测量是用S EMS 05型扫描 电镜放大4600倍 的深腐蚀的 照片上测定的,每组钢测量的碳化物个数为3 816 9。,残余碳化物的个数是用热腐蚀 的放大40 0 0倍的照片上测 量介勺。4.钢中非金属夹杂物的测定。钢中非金属夹杂物是用TAS图象分析仪测量的,每组钢三个试片,每个试片测 量10。个视场,共3 0 0个视场,分别测 量硫化物、氧化物、点状 夹 杂、硫氧复 合夹杂,氮化物五类。二、材质(推刀片)分析结果1.钢中氧、硫含量,如表1所示。2.钢在淬火8佣一84 5,低温回火1 5 016 0状态下的碳化物 测量结果、十二组钢残余碳化物测 量 结果如表2所示。3.钢 中非金属 夹

8、杂物测量结果、十二如表1:。pm;汤;s一一一一一_i一一上一里一一匕 三一一匕些)竺一L一卫竺一-匡竺止-竺一阵二生一-一竺一里生卜一竺一“户页纲厂-卫竺一卜一三竺-一一二里一一卜二竺一卜二互一-卜一竺一一望翌1一少一一一王兰一阵-竺一一卜-二生一一一卜些生一一、,_一二生一一竺一一一一二生一卜-里一卜少兰一-卜一竺一“带”一二竺一一些一一卜一竺 三 一一一-2.2-一!-吕 里一-一竺-一一一兰 竺一一一里一一一二兰一-卜二七一卜兰一-阵i竺一一!E F3113 33 13 1一76大 连铆厂!一-三竺竺一卜-些-一一二里一一卜一i竺一一三旦一卜一里 竺一上钢五厂士竺竺色一竺一一竺生.一卜

9、里兰-卜一竺一一里 里-卜全巴一-卜一望一一一卜一些一一一!一里 圣一-1一兰-阵-竺一齐钢翌三竺竺卜一竺一一一里一卜卫兰一I一一一一l里一-卜一些一,_._.口._._夕 全一一里 兰 一一匕一竺_.户节_子二_二_子钢中各类非金 属夹杂物测量结 果 如 表3所示。三、轴承钢接触疲劳试验1.82 0 6推力片的尺寸:推力片的尺寸及 表面光洁度的要求如图所示。2.推力片的热处理工艺:淬火:8 40一8 45油冷回火:1 50一1 6 0空冷HRC:63一643。疲劳试验机型号:TLP型接触疲劳 试验机,采 用82 0 6推力片试样,转速为2 04 0转/分,接触应力4 2Okg f/m m“,

10、3#机进行循环 润滑。4,十二组轴承钢疲劳试验结果如表4所表2残余碳化物平均直 径D抖变量系数生产厂家冶炼方法标准离差(因(帕)O。协2中碳弩物警化物个数MSp(协)EF“60“2 7 7,_“909258。_9 6 9“项“厂一里些一-一生三 翌一-一竺竺一一竺一一竺一些竺 巨-一黑些一一吧一卜里竺一一塑一一竺巴竺一少0胜,、,_一竺一一卫111卫一阵全燮一兰5一262一卫二竺大甘“巴旦一一竺呈一一卜全兰生一一少:生少“9一一全111一y 些一燮i巴卜-竺竺一一兰i迎阵胜竺一二8笋-_,_EFo5 702 6 814694“63116 5 9大连别/一一一!-一一一y竺生e sj一生哩一阵生

11、燮止一3生望一兰竺目i)1 1巴上钢五厂仁竺些丝-阵全兰11一阵些迎一垄竺一里二,i一一i业 上 吕-一一阵止巴一一阵上竺一阵燮竺一卜-呼9二些卜垫卫 生卫吐齐鉴冈竺竺竺生一生丝一卜一卫二竺一卜111里一-垫些一翌兰1SLO56 502 5 7 48 7】39555 90 ,一 一.巴”.,侧,r,曰.,一 州.四、有关数据的处理和讨论关于氧化物、硫化物、碳化物对高碳铬轴 承 钢 接触疲劳寿命的影响在“真空脱气袖承钢 的接触疲劳寿命及其影响 因素”一文中已经给予定性的讨论和评价。这些观点与许多研究中得到 的 结论是一致的,无疑是正确的,我们在这篇文章中不再赘述。关于碳化物或硫含量的影响将在后面

12、的讨论中进一步阐 明。影响轴承钢疲 劳寿命的诸因素,如夹 杂物的性质、尺寸、分布等,有害元 素如钦的含量、马氏体毖体强度、碳化物颗粒大小、弥散程度、颗粒的多少、偏析程度等等,这些因素不外乎两大类影响,即非金属夹杂 物和碳化物的影响,而夹 杂物的性质、尺寸、多少,除了受工艺 因素影响外,主要还决定于 钢中氧含量、硫含量。碳化物的影响,碳化物的偏析、大小、多少及弥散程度受浇注温度、铸模类型、大小、终轧温度、轧后冷却速度、退火工艺 的选择的影响。碳化物的影响以其多少和尺寸的影响最大,在 一定的条件下,碳化物细而多,粗却少,所以,碳化物平均 距离MSP二1 0/n最有代表意义,它是碳化物多少的表征。钢

13、中的硫氧 比也是有代表意义的,其值表示 钢中塑性夹杂物的多少,同时也代表稳定夹杂物占的 比例,从表3的数据中不!.,!.口“.且,l!.1!1.匕111月民日.陌.1.9 0.们卜的0.闪O O瞬旧。工嵘州。卜6心卜。的6闪0 0.的卜。囚g C O的。的9对0.的曰0.9一60.的州助的.的99。工一砂C O.州一囚的.9叫囚9。的吩一洲叫.6瞬芍叻.囚坦零葵胆祖搬帐侧瓣.自肠O习,和一C习洲一C)二一O口叹一叹的工一GO的创哪90.叻卜COO口气很0的的帅咨祖影冷姗味.1 稽O二一叫O口一C 1.O 闪曰目礴公寸。屯,灭.J.,尸。口,叫l口口 It、一,寸尸州O已61c o旧0 0 1哪

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18、 91。7421。6 8 41。590n U几QJ八b甲尸匕9只9口八n,1八bt了产a8户00一口d 尸1QUO乙月任,It了9曰no.八卜叮JJ.17QUOdnU了月性b咋I八,.止J月土,土11.111J.工O白3 9难着出,随着硫氧比的提高,塑性夹杂物占的比例 直线增加,稳定夹 杂物比例减少,当钢中硫氧比达到9以上,钢 中稳定夹杂即氧化物点状不变形 夹杂、氮化 物不论是个数及 其占的面 积,还是其所占的比例都减少 到很 少,达到1 0以上,基才、上 很难观察到它们的存在。在观 测的范 围内,硫氧比一与塑 性夹 杂或 稳定的夹杂的比例的 相关性是非常好的。相关系数丫=士0.7 9 3,查

19、表可 知,当n=1 2时,I之。.。=0.576,R。.。;=0.7 08,相关系数大于 表值,相关性好。因此,它是钢中非金属夹杂物性能的表观系数。这样,我们就 可以用 硫氧比碳化物平均距离MSP来表征轴承钢的疲劳寿命。用它们就可以解决,由于材质参数差异所造成疲劳寿命的不同而无 法 比较的 困难,比较材质参数对疲劳寿命影响的性质及其大小。我们采用额定寿命的对数与S/艺0,MsP进行回归分析。将表2、表3、表4中的数据汇总列 于表5。处理得到如下的回归方程:lg Ll oxl。一i二2.7 79。+。.0 26 73宙i一0.9 982MS P i这个方程的全 相关系数R二0.8 3 6,查表可

20、知,当n二1 2时,R。.。=o.5 76R。.。,=0.7 08,R=0.8 3 6。即大于R。.。也大于R。.。,就是说这个方 程的 相关性是非常好的。这个方程的精度由剩余标准离差S来衡量,“了/息耳余,因为我们对y进行 转换,故S余二刀(y i一y i)“,计算的结果S二3.33 675,为了说明S对这个方程是大是小,我们采 用相对精度的概念:即变异系数V%=S/yxlo o%,歹=12.9 9,v%=2 5.7 2。用硫氧比、碳化物平均距离来表征疲劳寿命,那么这两个参数到底哪 个影响重要些呢,我们采用“标准回归系数”来衡量,b:代表硫氧比,b:代表碳化物平均 距离的影响,计算结果b;=

21、0.749 4,bZ=0.5 5 5 9,如 果认为b:,=0.7494为1,那么bZ,就为1.18 2,即碳化物平均距离影响要大些。我们又要问,那 么氧含量、硫含量 的影响又如何呢?即三个参变量是万。、匆、HSP的影响,又 怎么变化的呢?我们从对数知识可知,将S/艺O指数变为相减就可以了:用S、万O、MSP三个参变 量表征疲劳 与上面 的计算是一致的,为了反映S/艺O的意义,才没有 将它 们变为两个参数。三个变 量的回归方程如下:lgLIO又x1 0一6=2.72 93一0.0 1 0 1 110二+0.00 11S一0.8 319MSP全 相关系数R二0.8 9 5,剩余标准离差5二3.2

22、6 79,变异系数v%二2 5.16,标准回归 系数b,户=0.4 951,b:产=0.43 13,b3=一0.7383如果将艺0的影响为1,那么S的影响为0.8 71 1,M,P的影响为1.4 91 2。我们从上面 的两个回归方程中可以看出随硫氧比的提高钢 的疲劳性能是增高的,随碳化物的 平均距离的减少疲劳寿命是增 高的。这与我们 的另一篇文章的 分析 是一致的,所不 同的是另一篇文章我们 分析结果,硫氧比有个拐点,这篇分析则没有出现。从TV S图象仪的分析中可以看出,当S/万o比达到9以上,观察到的有害质点如氧化物、点状不变形夹杂、氮化物数量已经非 常少 了,随硫氧比的进一步提高到如16.

23、2 5时,基本上观察不到有害夹杂,相反硫化物质点非常多,在轴承研究所观察6 0 个疲劳源中,由氧化物引起疲劳剥落的有1 7个,平均寿命为41小时5 5分,由硫化物及 硫氧复合夹杂物引起的疲劳源为1 9个,平均寿命为7 1小时 6 8分,由合金元素偏析引起的 疲劳为1 7个,平均寿命为6 8小时5 3分,未见异 常的 正常 的接触疲劳断口4个,平 均寿 命为1 58小时5 1分。可见硫化物和硫氧复合夹杂物的危害比氧化物类轻,但它可以使相 当数量的氧化物类夹杂变为硫氧 复合夹杂,减轻其危害 程度,过多的 硫含量或磷化物仍危害轴承钢的疲劳寿命,只不过是它的危 害略小些罢了。因此,在理论分析上,乃 至

24、我们处理一些试验数据 时,硫含量或硫氧比对轴承钢疲劳寿命的影响都有个合适的值,即在作图 时有个拐点。我们这十二组钢没有发现 轴承钢疲劳寿命与硫含量或硫氧比的关系中有拐点。这可能是多种原因造成的,一是我们这次试验的 目的 不是做硫氧比试验,因此,高硫氧比的钢 少。二、可能是分析、测量 的误差和试验的误差造成的。三、月能硫氧比的影响处在上升阶段。关于第二个回归方程的物 理意义,氧含量、碳化物平均距离与单因素试验 结果一致,即随氧含量减少、碳化物平均距离变小,轴承钢 疲劳寿命提高,硫含量的意义上面已经谈了,即 与氧含量配合应有个合适的含量,硫含量 的提高将使观察到的夹杂物有害的氧化物个数减少,可以抵

25、消氧化物的危害,直到硫含量上升 到合适为止。方程的数据范围内,可能属于上升阶段。之 后将是一个缓慢的下降过程。关于氧 含量、硫含量对轴承钢 疲劳寿命的影响是表观性质的,即它们 的多少能决定夹杂物的性质,影响生成夹杂物质点的多少、各类 夹 杂物的比例。但是作为轴承钢的疲劳源,仍然是夹杂物、大颗粒碳化物,特别是点状不变形夹杂物。除要减少有害质点数即降低氧含量配之以合理的硫含量外,还要注意控制工艺参数,以便凝固过程中阻滞碳化物质点、夹杂物质点长大,改善其分布。最后,关于这两个回归方程的 相对精度的问题,我们在前言中谈到,用硫氧比、碳化物平均距离或硫含量、氧含量、碳化物平均距离表示 的回 归方程的精度

26、并不逊色于任何单因素试验的 回归方程的精度,如日本与我国 交换资料中的有关数据,我们整理的 回归方程lg L1 0又10一“=1.20 93一0.0 3 2 1卫0,它的 相对精度即变异 系数v%二2 5.2 0,与我们三元 回归方程的精度V%=2 5.1 6是一样的。各个影响 因素作用大小受分析、测量误差和试 验误 差影响。各个试验可能有个波动范围。关于剩余平方 和的来源,在我们计算剩余平方和时发现,大冶 钢 厂RH组钢 剩余平方和为1 1.4 9,大连钢 厂的电炉钢的剩余平方和为27.52,齐齐哈尔钢厂 的SL钢 的剩余平方和为3 8.4 7,三次之 和竟占总剩余 平方 和的7 5.92%

27、,这可能是分 析、测 量误差造成的。齐齐哈尔钢厂的SL喷粉工艺可能还有一些影响 因素没有找到。从分析的结果看,抚顺钢厂、大冶钢厂精炼钢的质量 问题不在于它们 的精炼,而是它们 的碳化物质量不好,上钢五厂 的 两组钢疲劳寿命高与其说冶 金质量好,不如说碳化物质量好更确切一些。抚顺钢 厂、大冶钢厂 的电炉钢 疲劳寿命低,是因为两大类夹杂物,即非金属夹 杂物和碳化物质量均不好。从回归方程看,只要材质因素的参数控制得当,不管是采 用什么冶炼方法都会有较高的疲劳寿命,只不过是精炼方法更容易达到 控制影响 因素的 目的而已。硫含量、氧含量、碳化物平均距离对寿命的影响,要注意 的是,它们 之间是相 互影响,

28、不是加和性,而是对数的 加和性,即是乘积性,任何一个不利影响都对疲劳寿命有较大的影响。五、结论1.对于象这十二组轴承钢 的材质水平不一、变化比较大的情况,分析材质与轴承钢疲劳寿命的关系比较困难时,可以采用多元回归分析的方法确定因素的影响性质及其作用 的大小,以确 定改 进 轴承钢质量的方轴承 钢红 送裂纹的研究冶金部长城钢厂四分厂技术开发部李作 贤摘要针对红 送轴承钢产生大量的废品的现 实,从实 际情况的分析如8 2年487炉红送轴承铜的调查研究,找出主 要的影响因素;对冶炼、乳钢各个环节的研究及 数理 统计;对出现典型裂纹废品的分类、分析,以大量的低倍、高倍金相的分析研究:从理论上的探索;从

29、而堤 出合理的轴承钢钢锭的红送 的工艺。一、概述为了加快钢的生产周 期,节约能源,几年来,我厂越来越多地采 用 了钢锭的红送。随着红送钢锭量的增加,钢坯和钢材表面裂纹的问题显露出来,其中低炭结构钢、轴承钢表面裂纹较为突出。钢坯的红送表面裂纹是一个比较复杂的质量问题,裂纹的产生与冶炼、加工、冷却等各个环节的操作工艺 因素有关,又随钢种特性不同,裂纹表现形式,产生原因及解决措施也不相同。二、轴承钢开坯裂纹的试验研究(1)轴承钢开坯裂纹的性质我厂主要由两座公称2 0吨电弧炉冶炼GCr15、GCr15SIMn(24万吨/年)浇成2.2向。2.轴承钢疲劳寿命的对数与艺0Ms P成反比关系,与S成正比关系

30、。即随艺0的降低,Ms P减小,S的增加,而疲劳寿命以对数方式提高。其 互相 之 间关系是乘积性质的,任何一个不利因素将对疲劳寿命产生影响。刀。与MSP的影响性质与单项因素试验的结果一致。而硫含量的影响则是在试 验的范围内随硫含量的增多疲劳寿命提高。3.硫氧比 和碳化物平均距 离 的影响,如果以硫氧比为1,那么碳化物平均 距离则为王.1 82;以氧含量 的影响为1,硫含量的影响为0.8 7,碳化物的影响为1.4 9。碳化物的影响略大,利用这一点可以提高 轴承钢 寿命。4.抚顺 钢厂vHD和大连钢 厂VAD疲劳寿命低的原因不在于精炼质量,而在于残余碳化物颗粒数少。上钢五厂 和齐齐哈尔钢厂的四组钢疲劳寿命高与其说 是冶金质 量 问题,倒 不如说是碳化物质量好。大连钢厂 的vArD钢 的疲劳寿命高是因为硫含量高致使稳定夹杂物质点少。抚顺 钢厂的电炉钢疲劳寿命低,则是两种原因都有,