3 国外高端轴承钢与热处理的研发现状

3.1 国外传统轴承钢的质量提升及新型轴承钢的开发

国外在传统轴承钢的基础上，经过超高纯冶炼工艺的改进，形成了超高纯轴承钢（EP钢）和 各 向同性轴承钢（IQ钢），取得了真空脱气轴承钢在冶金质量控制上的长足进展。另外国外针对轴承的长寿命、高精密、耐高温及其他特殊性能的要求，也相继开发了特殊热处理轴承钢（SHX钢）、低密度轴承材料（60NiTi）、耐高温轴承钢CSS-42L及高耐蚀轴承钢Cronidur30等新型轴承材料^[37]。

日本山阳在最近10年里，相继开发了Z级高纯轴承钢和EP级超高纯轴承钢。二者最大的差别是轴承钢中的最大夹杂物尺寸与夹杂物含量^[38]。图3给出了日本山阳的Z级轴承钢与 EP级轴承钢的夹杂物情况与对应的接触疲劳寿命情况。从图3可以看出，山阳EP级轴承钢中的最大夹杂物基本都小于11 μm，而Z级轴承钢的最大夹杂物尺寸在1.5 μm以上。从山阳的Z钢、EP钢和双真空钢的对比情况来看，山阳的Z级轴承钢基本达到了双真空钢的水平，而EP钢中的夹杂物质量已经远远超过了双真空钢。从接触疲劳寿命的测试结果来看，EP钢的接触疲劳寿命远远好于Z钢。说明未来高端轴承钢的发展方向依然是控制轴承钢中夹杂物的数量以及夹杂物的最大尺寸。瑞典OVAKO的轴承钢分为BQ和IQ两个级别。其中BQ级别属于普通轴承钢级别，与日本山阳的Z级钢接近。而瑞典OVAKO公司的各向同性轴承钢（IQ steel）则在轴向和径向具有基本一致的性能，即轴承钢的疲劳强度、韧性和夹杂物水平在各个方向基本相同，如图4所示。以GCr15轴承钢为例，瑞典OVAKO轴承钢在各个方向的旋转弯曲强度（σ – 1）为900～1000 MPa，夹杂物含量也降低到普通轴承钢的1/10。从OVAKO报道的结果来看，其IQ钢的性能也达到了双真空轴承钢的冶金水平。

通过以上对山阳的EP钢和瑞典的IQ钢的夹杂物与性能结果来看，未来高端脱气轴承钢的质量和性能水平应该超过电渣钢，接近甚至达到双真空钢的水平。这表明目前国外真空脱气轴承钢的夹杂物质量控制已经接近轴承钢质量控制的极限水平。所以未来中国高端真空脱气轴承钢研发的关键是控制轴承钢中的氧含量、钛含量、夹杂物数量以及最大夹杂物尺寸，其指标要超过电渣重熔轴承钢，接近或达到双真空轴承钢的水平。

CSS-42L是美国拉特罗布特殊钢公司（Latrobe Special Steel Company）研制的表面硬化型轴承钢，属于第3代轴承材料，应用于宇航齿轮传动机构和涡轮螺旋桨主轴轴承等零部件^[39]。渗碳后碳化物细小且分布均匀（图5 (a)），室温表面最高硬度可达到67~72 HRC，在430 ℃ 下的最高高温硬度为62 HRC，在480~500 ℃下的最高高温硬度58 HRC。芯部为高温回火的马氏体及均匀分布的细小碳化物基体组织（图5 (b)），其断裂韧性可达到100 MPA · m^1/2。滚动接触疲劳寿命试验结果表明，它的L10是M50钢的约28倍，具有广泛的应用前景。所以利用CSS-42L替代M50和M50NiL等第2代轴承钢，可以大幅度提高轴承的寿命和可靠性，大大降低轴承的更换频率，提高安全性和降低发动机的维修成本。近几年中国对第3代轴承钢CSS-42L进行了跟踪研究、初步试制及应用工作，但刚刚起步且，有待于进一步推广应用。所以未来CSS-42L钢的工程化目标是要解决在航空发动机齿轮上进一步推广应用以及实现其在航空发动机轴承上的应用。

欧洲的科研人员从表面氮化产品在污染环境中具有良好的寿命、耐磨性和防锈性能中得到启示，利用加压电渣重熔工艺（Pressurized electro-slag remelting-PESR），将氮加到钢中，取代碳，开发出了系列化的氮化轴承钢。其中超耐蚀轴承钢Croni-dur30氮的质量分数为0.4%左右，具有比440C高出100倍的耐蚀性能^[40]。FAG称用这种钢制造的轴承具有高可靠性、超长寿命、低摩擦和低温升等特点，在水中其轴承寿命高出常规轴承钢5倍。近年来，钢铁研究总院联合抚钢、宝钢、洛阳轴承研究所、洛阳轴承厂等相关单位，开展了系列高氮不锈轴承钢的研究工作。在实验室研究了氮的质量分数为0.16%~0.42%的系列高氮不锈轴承钢，经淬火－低温回火后，室温硬度均大于58 HRC，同时经淬火－高温回火后的室温硬度也均大于58 HRC，具有优异的抗回火软化性能和尺寸稳定性；同时系列高氮不锈轴承钢在200 ℃的高温硬度均可大于56 HRC；另外钢中的碳化物（碳氮化物）均匀细小，开发的X30N高氮不锈轴承钢（马氏体基体氮的质量分数达到0.42%）中碳化物（碳氮化物）最大尺寸小于 5 μm；系列高氮不锈轴承钢的耐蚀性能也得到明显的提升，开发的高氮不锈轴承钢40Cr15Mo2VN（氮的质量分数为0.16%~0.25%）的盐雾腐蚀试片在120 h盐雾腐蚀过程中未发生点蚀等腐蚀破坏（440C试片8 h内就出现点蚀）。正是由于高氮系列不锈轴承钢具有比传统不锈轴承钢440C更加优异的质量和耐蚀性能，目前钢铁研究总院正在进行系列高氮不锈轴承钢在航空、航天、核动力等领域的应用研究工作，如航空发动机主轴承、火箭燃料泵轴承、核动力驱动机构用轴承等。

国外近年研制了其他多种新型轴承钢，例如，NSK公司经过多年研究，开发出了一种表面淬硬的SHX耐热轴承钢，SHX具有良好的耐温性能（可以耐温300 ℃）、抗卡死和耐磨损特性，并且寿命长（比SUJ2钢制造的轴承寿命长3~4倍）。在超高速运转时，通常认为内圈由于受到高的环向应力作用而易于断裂。通过使用SHX材料的内圈，其内部残余应力能抵消环向应力，从而避免了轴承内圈的断裂。目前用SHX材料制造的RO-BUST系列轴承已经应用于许多高速精密机床的主轴，其长寿命和高可靠性能也已经得到验证。最近的文献表明^[41]，美国NASA实验室正在进行超弹性轴承合金60NiTi的研究，准备用在航空发动机上。这种新型超弹性合金具有低模量、低密度、耐腐蚀、耐高温和无磁性等优异性能。最新的研究结果表明，60NiTi最高使用温度可以达到400 ℃，能承受的最大载荷也比传统轴承钢提高3倍以上。60NiTi轴承合金的这些优越性能有可能成为未来最具发展潜力的一种新型航空发动机轴承材料。高铬含量不仅提高了轴承钢的成本，也不利于轴承寿命的提高（研究结果表明，合金含量越高寿命越低），而且大幅减缓渗碳速度，所以国外在开发新型低成本耐高温的CrNiMov系轴承钢（低成本高温钢包括表面硬化型和全淬透型2种，其合金元素的质量分数小于7%，远远低于合金元素的质量分数为10%~20%的现有高温轴承钢（M50、M50NiL、Cronidur30、BG-42、Prewear675和CSS-42L等高温轴承钢）^[42]。

3.2 国外轴承钢的新型热处理技术

在高洁净度冶炼技术的基础上，通过特殊热处理不仅可以细化晶粒，也可以细化碳化物，改善碳化物分布。这种细化组织的特殊热处理技术不仅可以提高轴承钢的强度和硬度，还可以将轴承的接触疲劳寿命提高3倍以上^[43]。图6给出了NSK公司通过特殊热处理对GCr15组织细化的结果。可以看出，晶粒细化热处理后，GCr15轴承钢的晶粒尺寸从约15 μm细化到约5 μm的水平。目前中国对奥氏体化工艺对轴承钢组织结构及性能影响的研究不是特别深入，有必要深入开展热处理工艺对轴承钢接触疲劳寿命影响的研究，形成长寿命和高可靠性的轴承钢特殊热处理技术。同时轴承钢的组织细化热处理技术也说明了一个道理，那就是可以在一定洁净度的水平下，通过轴承钢组织的细化和均匀化来大幅度提高轴承钢的接触疲劳寿命，这为研发和生产经济性或低成本轴承钢提供了一个可能的方向。

常规淬火后的高碳铬轴承钢中一般含有体积分数为6%~15%的残余奥氏体，该残余奥氏体为软的亚稳定相，在一定的条件下（如回火、自然时效或零件的使用过程中）会失稳转变为马氏体或贝氏体。相变带来的后果是零件的硬度提高，韧性下降，尺寸发生变化而影响零件的尺寸精度，导致轴承无法正常工作。对尺寸精度要求较高的轴承零件，一般希望残余奥氏体越少越好，如淬火后进行补充水冷或深冷处理，采用较高温度回火等消除残余奥氏体。但残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力，在一定的条件下，工件表层的残余奥氏体还可降低接触应力集中，提高轴承的接触疲劳寿命。因此通过材料的成分和工艺的改进，采取措施保留一定量的残余奥氏体含量并提高其稳定性，可以提高轴承的寿命与可靠性。目前国外成功开发了表面超高奥氏体含量的热处理技术，将轴承钢的疲劳寿命最高提高了10倍，由图7可知，相比于长寿命轴承钢，超长寿命轴承钢具有较高的残余奥氏体含量，然而其维氏硬度依然维持较高水平（图7 (a)），且疲劳寿命明显高于SUJ2与普通的渗碳轴承钢（图7 (b)）。

高碳铬轴承钢一般是整体淬硬，淬后残余应力为表面拉应力状态，易造成淬火裂纹，降低轴承的使用性能^[44-45]。根据表面超大量奥氏体可以提高轴承寿命和可靠性的研究结果，可以对全淬透轴承钢进行渗碳、渗氮或碳氮共渗，提高表层的碳、氮含量，降低表面层的Ms点，保证在淬火过程中表面层最后发生相变而形成表面压应力和保留大量稳定的残余奥氏体，来提高轴承钢的耐磨性及滚动接触疲劳性能。最近的研究还表明：高碳铬轴承钢经渗碳或碳氮共渗后还可提高轴承在污染条件下的接触疲劳寿命。一般在淬火加热时，通过控制气氛的碳（氮）势，可达到以上目的，但如果对高碳铬轴承钢进行超常渗碳（碳势２％），则必须加大加工余量，去除渗碳淬火后表层的粗大碳化物。

参考资料：

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