国内外轴承钢的现状与发展趋势（二）
国内外轴承钢质量控制的现状
2 国内外轴承钢质量控制的现状
角接触球轴承
众所周知，长寿命、高转速、高负载和高推力轴承涉及到材料、加工、制造及检测等多个环节，其中材料性能的好坏直接影响到轴承的性能。影响轴承钢质量的因素主要有４个[26]：一是轴承钢中的夹杂物含量、形态、分布和大小；二是轴承钢中的碳化物含量、形态、分布和大小；三是轴承钢中的中心疏松缩孔和中心偏析；四是轴承钢产品质量和性能的一致性。目前国外不仅在传统轴承钢质量控制水平方面大幅领先于中国，而且在新型轴承钢的开发力度方面也远远走在中国前面，形成了国外传统轴承钢的质量和性能提升的研究以及新型和特殊性能轴承材料研发并行的局面[27]。
轴承钢的夹杂物水平直接决定于原料的纯净度以及冶炼过程中氧含量的控制[28]。在20世 纪70年代以前，国内外主要是使用无脱气冶炼（无炉外精炼），钢中氧的质量分数高达( 30～40 ) × 10-6，20世纪70年代到90年代以真空脱气钢为主（应用炉外精炼），钢中氧的质量分数已经降到15 × 10-6左右，20世纪90年代后期到21世纪的今天，由于三脱工艺与真空脱气技术的联合应用，钢中氧的质量分数可以降到5 × 10-6甚至以下。可以看出，国外高品质轴承钢中氧的质量分数在20世纪90年代到现在基本维持在(4～6) × 10-6，没有进一步的大幅度提高[29]。由于氧含量的降低，钢中的夹杂物含量得到大幅度降低，分布更加均匀，尺寸更加细小。随着钢的高纯净度冶炼平台（分电炉与转炉2个系统）的完善和轴承钢纯净度的提高，轴承钢中的夹杂物水平得到很大改善，以至于钢中碳化物的含量、分布、大小成为制约轴承钢质量的主要因素，因此在高纯度冶炼平台下控制碳化物的水平显得越来越重要。可以说包括美国、欧洲和日本等轴承钢强国已经完成对轴承钢夹杂物控制的化学冶金的研究（从20世纪90年代到现在，钢中氧的质量分数稳定控制在(4～6) × 10-6的水平），目前主要进行以轴承钢中碳化物的控制、组织细化以及表面处理的物理冶金研究。
2.1 轴承钢中夹杂物及碳化物对性能的影响
以高碳轴承钢GCr15为例，轴承钢的冶炼质量要求很高，不仅要严格控制硫、磷、氢等的含量，而且要对非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况进行控制。非金属夹杂物和碳化物的数量、大小和分布状况对轴承钢的使用寿命影响很大，往往轴承的失效是微裂纹在大颗粒夹杂或碳化物周围形成和扩展所致。研究指出，夹杂物的含量基本上决定了轴承钢的接触疲劳寿命，如图１（ａ）所示，轴承钢的接触疲劳寿命随着单位体积内夹杂物长度的增加而呈指数降低。一般认为，钢中夹杂物的含量和钢中氧含量密切相关，氧含量越高，夹杂物数量就越多，寿命就越短。随着炼钢洁净度水平的不断提高，国外真空脱气轴承钢中氧的质量分数已经可以稳定控制到4 × 10-6，夹杂物的数量、尺寸及其分布得到大幅度改善（夹杂物的最大尺寸已经可以小于11 μm，即最大夹杂物评级为0级）。
随着轴承钢纯净度的提高，轴承钢中碳化物的含量、分布及尺寸大小对轴承钢寿命的影响逐步成为影响轴承钢寿命与可靠性的关键因素。如图１（ｂ）所示，轴承钢的接触疲劳寿命随着碳化物含量的减少而呈指数级提高。通过图１（ｂ）还可以看出碳化物的含量对轴承钢的接触疲劳寿命起决定性作用（钢铁研究总院未发表的结果）。
图１ 夹杂物（ａ）与碳化物（ｂ）对轴承钢接触疲劳寿命的影响
Fig. 1 Effect of inclusion (a) or carbide (b) on contact fatigue life of bearing steel
另外研究结果还表明，夹杂物和碳化物的粒径越大、分布越不均匀，使用寿命也越短，如图 ２所示。轴承钢的化学成分控制、夹杂物与碳化物的颗粒大小、分布状况与使用的冶炼工艺和冶炼质量密切相关。所以轴承钢的未来发展方向之一就是降低钢中夹杂物与碳化物的含量，减小夹杂物与碳化物的颗粒尺寸。钢中碳化物主要来自于轴承钢中的一次液析碳化物、二次网状碳化物和三次共析碳化物。随着高洁净冶炼水平的应用，一次碳化物基本上可以消除。二次碳化物主要在过共析钢中存在，需要通过控轧控冷或低温轧制加以消除或减轻。而影响性能的三次碳化物则需要通过球化处理来加以控制，使得碳化物的颗粒细小和均匀分布。
图2 夹杂物（ａ）与碳化物（ｂ）的大小对轴承钢接触疲劳寿命的影响
Fig. 2 Effect of size of inclusion (a) or carbide (b) on contact fatigue life of bearing steel
2.2 国内外夹杂物的质量控制水平
国外发达国家，例如瑞典、日本、德国、美国等国的轴承钢产量和质量都处于领先地位，其共同特点是设备先进、工艺技术成熟、质量稳定。世界上生产轴承钢最著名的厂家有日本的山阳特殊钢厂、瑞典OVAKO公司、美国Timken公司等轴承钢生产企业。以连铸轴承钢为代表的日本山阳 （SANYO）和以模铸轴承钢为代表的瑞典OVAKO，代表了目前国外轴承钢生产工艺及质量的最高水平。日本山阳轴承钢中氧的质量分数普遍控制在5 × 10-6以下，有的甚至达到 (2～3) × 10-6；最大夹杂物尺寸为11 μm；硫的质量分数达到 (20～30) × 10-6、钛的质量分数达到10-5以下，且化学成分波动范围小，有害元素含量小。接触疲劳寿命接近VAR方法冶炼的轴承钢的水平。山阳超高纯轴承钢，即extra puri-fied bearing steel (EP)，代表了其轴承钢化学冶金质量的最高水平[30]。瑞典OVAKO是通过模铸冶炼的轴承钢，其普通级（B 级）轴承钢氧的质量分数控制在 (4～6) × 10-6，钛的质量分数在(8～12) ×10-6。OVAKO超高纯净轴承钢是它的各等向性轴承钢，即Identical quality bearing steel（IQ钢），其氧的质量分数在 (3～4) × 10-6，硫的质量分数在10-5，因其极限疲劳强度和韧性在轧向和径向等各个方向基本相同，故而称为各向同性轴承钢。·
通过对SANYO和OVAKO轴承钢的冶金质量对比可以看出，氧含量和钛含量是衡量轴承冶金质量的２个关键控制指标。从夹杂物的角度而言，日本轴承钢企业主要从降低氧含量着手，通过氧含量极低化来达到减少夹杂物含量和降低夹杂物尺寸的目的。而瑞典轴承钢企业则重在控制夹杂物的形状和分布。这２个国家的轴承钢生产状况代表了当今世界轴承钢生产质量的最高水平和中国未来轴承钢化学冶金的发展方向。国内以兴澄特钢、宝钢特材、东北特钢和江苏苏钢、南京钢厂等为代表的先进轴承钢生产企业，具有品质高（通过国际知名轴承公司SKF、FAG、Timken等国外轴承钢公司的认证）和产量大等特点，代表了中国轴承钢冶金质量的最高水平。虽然国内轴承钢厂的冶金设备、工艺和生产流程与国外先进的轴承钢厂基本一致，即高炉铁水＋优质废钢→100t超高功率偏心底出钢直流电弧炉→100t LF精炼 炉→100t VD/RH 真空脱气炉→大方坯连铸→热送→热装→加热→连续轧制→抛丸→矫直→涡流探伤→超声波探伤。但在冶炼工艺、操作水平、控轧控冷工艺、参数控制及检验检测及自动化能力等方面存在较大差距，导致中国轴承钢在洁净度控制（［O］含量、［Ti］含量、有害元素含量及夹杂物尺寸与分布）、碳化物控制（网状碳化物、带状组织、碳化物尺寸及其分布）及低倍组织（中心疏松缩孔和成分偏析）等方面与日本、瑞典、德国等国外轴承钢发达国家相比有很大的差距[31]。例如中国轴承钢的洁净度控制一致性差：不同炉次、批次的轴承钢氧含量波动范围大；成分控制的一致性差：中心疏松与中心偏析大；夹杂物与碳化物的均匀性差：夹杂物颗粒尺寸超大；另外中国轴承企业化学成分的窄范围控制水平较差，导致不同炉次轴承钢的性能一致性差。
2.3 国内外轴承钢碳化物质量控制的现状
未来中国轴承钢的努力方向，一是经济洁净度：在考虑经济性的前提下，进一步提高钢的洁净度，降低钢中的氧和钛含量，达到轴承钢中的氧与钛的质量分数分别小于6 × 10-6和15 × 10-6的水平，减小钢中夹杂物的含量与尺寸，提高分布均匀性。二是组织细化与均匀化：通过合金化设计与控轧控冷工艺的应用，进一步提高夹杂物与碳化物的均匀性，降低和消除液析、网状和带状碳化物，降低平均尺寸与最大颗粒尺寸，达到碳化物的平均尺寸小于１μm的目标；进一步提高基体组织的晶粒度，使轴承钢的晶粒尺寸进一步细化。三是减少低倍组织缺陷：进一步降低轴承钢中的中心疏松、中心缩孔与中心成分偏析，提高低倍组织的均匀性。四是轴承钢的高韧性化：通过新型合金化、热轧工艺优化与热处理工艺研究，大幅度提高轴承钢的韧性，从而提高轴承的可靠性。
与GCr15等过共析轴承钢相比，中碳轴承钢与渗碳轴承钢中的碳化物控制主要为带状铁素体的控制，即轴承钢中带状组织的控制。相对于过共析轴承钢，渗碳和中碳轴承钢无网状碳化物的问题，其工艺控制技术相对容易。也许这也可以理解为，除了通过渗碳轴承钢和中碳轴承钢提高轴承钢 的韧性外，渗碳轴承钢和中碳轴承钢的网状碳化物控制工艺技术相对简单，是国外发达国家渗碳轴承钢与中碳轴承钢的比例高达30%～50%的另一个原因[32]。为了提高过共析轴承钢的碳化物分布均匀性和降低碳化物颗粒的尺寸，一方面可以采用低温控轧控冷技术，以减少和抑制网状碳化物的出现，为后续的球化退火提供良好的组织预备；另一方面可以改进球化退火工艺，实现过共析轴承钢的碳化物细化和均匀化。目前国外利用循环感应球化退火技术，对热轧态的GCr15SiMn轴承钢进行球化退火，实现了在几分钟的时间内将轴承钢中的碳化物细化，大大缩短了轴承钢的球化退火时间，提高了轴承钢中碳化物的均匀 性与细 质化[33 – 34]。可见轴承钢的碳化物球化退火工艺尚存在很大的发展空间，未来需要进一步的研究。
2.4 特殊冶炼轴承钢的质量与性能
除了以上普通民用轴承钢采用电炉或转炉 (EAF、BOF) + LF + VD (RH) 的生产工艺外，国内外对于一些高端轴承钢和军用轴承钢还需要通过电炉冶炼＋电渣重熔工艺(EAF+ESR) 冶炼，或采用真空感应＋真空自耗的双真空 (VIM + VAR) 或多次真空自耗等工艺来进一步提高 轴承钢的冶金质量。其中真空冶炼可以大幅降低钢中夹杂物的含量，电渣重熔可以提高轴承钢中夹杂物分布的均匀性，而真空自耗则显著降低夹杂物的体积分数和控制夹杂物的分布及尺寸。随着航空发动机设计的进步和传递能量及转速的增大，功率的不断提高，推动比和功重比以及Dn值的不断增加，航空轴承的工作温度能达到350～500 ℃，这要求航空轴承材料具有高的耐温性能、高的表面硬度、高耐磨性能、良好的断裂韧性、冲击韧性和优异的耐腐蚀性能[35]。在国内外常用的航空发动机主轴轴承用钢中，GCr15使用温度低，M50韧性差，均不能满足未来航空发动机主轴轴承用钢的要求，而M50NiL和CSS-42L具有高强韧、耐温等优异的综合性能，能够满足新一代航空发动机的主轴轴承的使用要求[36]，表１给出了几种航空发动机用轴承钢性能的比较。
表1 几种航空发动机用轴承钢性能的比较
Table 1 Properties of bearing steels for aero engine
参考资料：
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洛阳明臻轴承钢球有限公司
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