1前言

滚动轴承由于在负荷状态下长时间使用，会产生金属疲劳，轨道面和滚动面的表面存在剥落现象。例如，有以氧化物、硫化物、氮化物和碳化物等非金属夹杂物为起点产生疲劳裂纹，直至剥落的内部起点型剥落；以润滑油中混入异物而在轨道面上产生的压痕为起点而产生疲劳裂纹，直至剥落的压痕起点型剥落。此外，还有在汽车的电装辅机用轴承和风力发电用齿轮箱所使用的轴承中，由于局部疲劳而发生组织变化，伴随着白色组织变化，裂纹发生、扩展直至剥落的组织变化型剥落（以下称白色组织剥落），这是引起早期剥落的一个重要问题。早期剥落的原因还没有完全查明，但一般认为侵入钢中的氢（例如润滑油分解产生的氢）加速局部组织变化的发生而导致剥落。防止氢引起的白色组织剥落的对策有：利用改良的润滑脂代替润滑油和通过覆膜处理防止氢的产生和侵入。从材料和热处理的角度来看，采用了对添加合金元素的材料施以渗碳和渗碳氮化处理，从而延迟氢侵入引起的白色组织剥落的方法。特别是Cr的添加对减轻白色组织剥落、延长寿命非常有效，主要原因是Cr融入基体后硬度提高，残余奥氏体量增加以及氢气扩散速度降低等。另一方面，由于Cr是易固溶于碳化物的元素，因此在轴承钢这样的高碳钢中，固溶于基体中的合金元素量减少，也存在不能充分发挥效果的问题。本文使用改变了碳含量的3%Cr（mass%，下同）钢，对基体中合金元素的固溶量和球状碳化物对白色组织剥落寿命产生怎样的影响进行了调查。

2试验方法

本研究使用了SUJ2（1%C-1.5%Cr） 材 料和0 . 5 8 % C - 3 % C r钢、0.78%C-3Cr钢、1.03%C-3Cr钢3种碳含量不同的3Cr钢（以下记为0.58C-3Cr、0.78C-3Cr钢、1.03C-3Cr钢）作为试验用料。SUJ2材料先用1113K进行淬火处理，再在443K温度下进行回火处理，维氏硬度和XRD法的残余奥氏体体积分数分别为720HV和11%。对于3Cr钢，在淬火温度1123-1273K进行淬火处理（回火温度443K），选择了使SUJ2材料的硬度和奥氏体量相同的淬火条件。马氏体组织中的固溶Cr量和Mn量是通过钢材中所含元素量和图像分析的球状化碳化物的体积分数，以及EDS的球状化碳化物中的Cr量和Mn量分析来获得。在滚动疲劳试验中，制作了深沟球轴承6206，在试验中采用易产生氢气的特殊润滑油，在径向载荷8.9kN的条件下进行。对试验后的工件进行了断面组织观察，调查了有无白色组织和疲劳组织。

3试验结果

图1（a）、（b） 是 在1113-1273K进行淬火处理后，以443K进行回火处理的不同碳含量的3Cr钢的硬度以及残余奥氏体量的测定结果。无论哪种钢，在1163K以下，随着淬火温度的上升，硬度和残余奥氏体量都在增加。在0.78C-3Cr钢和1.03C-3Cr钢中；在1173K以上，由于软质残余奥氏体的体积分数急剧增加，硬度下降。根据这些结果，与SUJ2材的硬度（720HV）以及残余奥氏体的体积分数（11%）相同的淬火温度是，0.58C-3Cr钢为1223K，0.78C-3Cr钢为1153K，1.03C-3Cr钢为1113K，决定以后的滚动疲劳试验在上述淬火温度下进行。表1是各材料在淬火回火后的球状碳化物的体积分数以及马氏体组织中的固溶Cr量、固溶Mn量与寿命的关系。钢中碳量越少的材料，球化退火处理后的碳化物量就越少，由于淬火温度升高，球状碳化物的体积分数下降。另外，Cr和Mn是易溶于碳化物的元素，因此碳化物量少的钢中，碳量越少的材料其马氏体组织中的固溶元素量就越高。

图2是硬度和残余奥氏体量相同的SUJ2材料和碳含量不同的3Cr钢的滚动疲劳试验的结果。用L₅₀（累计损坏概率为50%的寿命）进行评价时，与SUJ2材料（L50=144h）相比，碳含量相同、Cr含量高的1.03%C-3Cr钢的剥落寿命长2倍左右。另外，3Cr钢之间进行比较时发现，碳含量越低，剥落寿命越长。

图3是（a）S U J 2材、（b）1.03C-3Cr钢、（c）0.58C-3Cr钢的滚动疲劳试验后试样断面的光学显微镜（OM）观察结果。在SUJ2材料中观察到在剥落部位以及剥落部以外的轨道面表层有很多伴随着裂纹的白色组织；在0.78C-3Cr钢中，7个试样中只有1个在剥落部观察到白色组织；在没有剥落的0.58C-3Cr钢中，没有观察到白色组织和裂纹。根据以上结果，白色组织剥落寿命延长的主要原因有：①球状碳化物减少的效果；②基体中的固溶元素量增加的效果。关于基体中固溶元素量增加带来的长寿命问题，由于在本试验中硬度和残余奥氏体量达到一致，因此可以考虑抑制氢气侵入和降低氢气扩散速度的效果以及由于滚动疲劳导致白色组织生成之前的组织发展过程的差异。另一方面，在考察球状碳化物的存在时，白色组织除了局部的塑性变形导致马氏体组织变成超微细铁素体组织的现象之外，还存在硬质球状碳化物强制熔化形成的组织，这是比周围的马氏体组织更硬且脆的组织。因此，需要考虑有无球状碳化物和塑性变形能力不同对白色组织生成的影响。在本文中，使用尽量抑制合金元素影响的低合金钢，针对有无球状碳化物与白色组织的关系以及基体中的固溶元素对白色组织形成之前的组织发展过程的影响介绍了研究结果。（魏英杰）