楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

GCr15高碳鉻軸承鋼(簡稱軸承鋼，相當于德國100Cr6、美國52100、日本SUJ2等)由德國于1905年研制成功，到1920年已在全世界范圍內(nèi)被廣泛應用于滾動軸承制造中，作為世界第1代專用軸承鋼，走過了百余年發(fā)展歷程，至今基本化學成分未變。

軸承鋼是所有合金鋼中質(zhì)量要求最嚴格及檢驗項目最多的鋼種。世界公認，軸承鋼的冶煉水平代表著一個國家的冶金水平，因此，軸承鋼也被稱作是“特鋼之王”。

從應用角度上評價，軸承鋼是非常優(yōu)秀的鋼種——主要合金元素不多且含量低，屬于“高碳低合金鋼”，但經(jīng)過常規(guī)熱處理后，對于軸承的不同使用條件具有“廣譜”適用性——如載荷能力高(接觸應力一般為1 000～4 000 MPa)，使用溫度范圍寬(-45～100 ℃或120 ℃)，具有抗疲勞、耐磨損、剛度高、尺寸與形狀穩(wěn)定性好、一定的耐腐蝕能力等顯著優(yōu)點；同時還具有良好的工藝性能(包括鍛造等熱加工性能和車削、磨削等冷加工性能等)，便于實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的軸承制造。

1 對軸承鋼的一般認識

1.1 原材料

(1)嚴格的化學成分要求?；瘜W成分是決定鋼材組織與性能最本質(zhì)的因素。軸承鋼中的“高碳”——約含1%的C元素，使其具有高硬度并容易球化；加入相對便宜的1.5%左右Cr元素，使其具有良好的淬透性及碳化物穩(wěn)定性，并具有一定的耐腐蝕性；對其他合金元素如Si，Mn，Mo，P，S，Ni和Cu等均規(guī)定了相應的含量，因為Si可增強回火抗力從而提高疲勞壽命， Mn能增加淬透性但不會像Cr，Mo那樣形成難以分解的碳化物，Mo同Cr的作用一樣，但可細化晶粒，P會增加冷脆性并容易偏析，S 和Cu會產(chǎn)生熱脆性，Ni能提高強韌性并保持良好的塑性;對殘余元素Sn，As，Ti和Al等元素的含量也都需要有嚴格的限制。

(2)高純凈度要求。軸承正常失效形式主要是疲勞剝落。由滾動接觸而產(chǎn)生的疲勞剝落，是由于在很小的材料體積內(nèi)反復承受交變應力，若材料基體硬度很高，則由應力集中所產(chǎn)生的危害更大。因此，容易導致應力集中的非金屬夾雜物、特別是氧化物等脆性夾雜物對軸承鋼疲勞特性的影響要比其他結(jié)構(gòu)鋼更為顯著，必須通過降低氧含量等措施降低鋼中的夾雜物含量，盡量提高純凈度。

(3)嚴格的低倍組織和顯微組織要求。低倍組織是指一般疏松、中心疏松和偏析；顯微組織包括退火組織、碳化物網(wǎng)狀、帶狀和液析等。低倍組織中的多數(shù)缺陷均可導致應力集中，成為疲勞剝落源，而且較大疏松和偏析會造成鍛造裂紋；顯微(高倍)組織中的退火組織的粗大及不均勻等會導致淬火裂紋及切削性能和力學性能變差；碳化物網(wǎng)狀易于造成淬火裂紋及變形，降低機械強度、沖擊韌性和接觸疲勞強度；碳化物帶狀會影響退火和淬回火組織、淬火加熱的過熱敏感性、硬度均勻性、機械加工性能以及接觸疲勞強度；碳化物液析硬而脆，其危害性與脆性夾雜物相同，是碳化物不均勻性中最有害的一種，可顯著降低接觸疲勞強度及增大摩擦因數(shù)和磨損率。

(4)特別嚴格的碳化物不均勻性控制要求。軸承鋼中的碳含量較高，又含有一定數(shù)量的碳化物形成元素(如Cr等)，因此在鋼液的冷凝過程中，這些元素極易發(fā)生成分偏析，引起碳化物顆粒大小和分布的不均勻性。碳化物不均勻，會造成組織和硬度不均勻；若嚴重不均勻，還容易產(chǎn)生淬火裂紋。

(5)特別嚴格的內(nèi)部缺陷和表面缺陷控制要求。內(nèi)部缺陷包括縮孔、氣泡和白點等，表面缺陷包括裂紋、夾渣、結(jié)疤和氧化皮等。這些缺陷對于軸承的加工質(zhì)量、使用性能和壽命可靠性等都有很大的影響。如軸承鋼對白點敏感性很強，容易造成回火脆性，并顯著影響接觸疲勞強度。

(6)特別嚴格的表面脫碳層控制要求。軸承鋼中的碳含量高，在加熱過程中表面脫碳傾向性較大，若脫碳層過厚，且在熱處理前沒有將其全部清除掉，容易產(chǎn)生淬火裂紋和軟點。

(7)高精度的尺寸要求。軸承零件毛坯通常都要經(jīng)過壓力成形，如套圈的鍛造成形、滾動體的冷鐓或熱軋成形等。如果鋼材的尺寸精度不高，就無法精確計算下料尺寸和重量，既難以保證零件的尺寸與形狀精度要求，也容易造成加工設(shè)備和模具的損壞。

1.2 熱處理

(1)嚴格的熱處理規(guī)范。軸承通常在高強度狀態(tài)下工作，因此常規(guī)熱處理為(830～860) ℃馬氏體淬火+(160～180) ℃低溫回火——這也是保證軸承零件疲勞強度的最佳熱處理規(guī)范。必須進行的低溫回火可以在保持高硬度和良好耐磨性的前提下，降低材料的內(nèi)應力和脆性，以免使用時產(chǎn)生崩裂等過早損壞現(xiàn)象。

(2)嚴格的顯微組織要求。軸承鋼退火后要求為細小、均勻分布的球化(球狀珠光體)組織，以保證良好的切削性能并為淬火做準備。淬火后的理想組織由隱晶馬氏體(平均含碳量為0.55%左右)、殘余奧氏體(7%～10%)和未溶(殘留)碳化物(6%～8%)組成，在此組織狀態(tài)下的疲勞性能最佳。

(3)比較嚴格的硬度及其均勻性要求。退火后的硬度要求通常為179～207 HB，以獲得良好的切削性能；淬火要保證淬透，淬、回火后的硬度要求通常為58～66 HRC。根據(jù)零件尺寸不同，如套圈有效壁厚12～30 mm為58～64 HRC；鋼球直徑不大于30 mm為61～66 HRC等；且同一零件的硬度差要求為1～3 HRC，更嚴格的要求為0.5 HRC。

(4)嚴格的裂紋、脫碳及軟點、變形等控制要求。淬、回火后不允許有裂紋；脫碳及軟點、變形均規(guī)定有相關(guān)技術(shù)要求，如套圈公稱直徑不大于30 mm，脫碳層深度不大于0.05 mm等。

2 對軸承鋼的深入認識

顧名思義，軸承鋼是滾動軸承專用鋼種。因此，對軸承鋼所有質(zhì)量改進和技術(shù)進步的出發(fā)點和落腳點都必須聚焦到軸承產(chǎn)品本身上來，如對軸承精度、性能和壽命的更契合本質(zhì)的影響，而不是就原材料談原材料，就熱處理說熱處理。

2.1 對軸承精度的影響

原材料及熱處理對軸承精度的影響，一是能否具備良好的加工性，尤其是適應于磨削、超精等精密終加工的特性；二是在儲運和使用過程中能否具有良好的尺寸穩(wěn)定性，不致使加工精度喪失。

(1)軸承鋼淬、回火后屬于高硬度材料，比較適應于磨削加工，但鋼中存在的脆性夾雜物，在零件磨削加工中易于從金屬基體上脫落下來，產(chǎn)生劃傷，影響精加工表面質(zhì)量。

(2)常規(guī)熱處理要求軸承在工作溫度120 ℃以下保持尺寸穩(wěn)定性。但即使是一些通用軸承，由于主要用途所決定，也形成了不同于常規(guī)要求的基本技術(shù)特征，如調(diào)心滾子軸承多用于振動、沖擊工況，易于產(chǎn)生高溫，因此SKF,FAG,Timken,NTN和SNR等公司的標準型軸承都要求在200 ℃以下能保持尺寸穩(wěn)定；精密軸承則要求在淬火后進行冷處理(減少淬火后不穩(wěn)定的殘余奧氏體組織)，在磨加工過程中進行附加回火(消除磨削應力和穩(wěn)定組織)等措施，有些公司的標準型精密機床軸承，則要求能耐受150 ℃的工作溫度。

2.2 對軸承性能的影響

(1)對振動噪聲的影響。顯著的化學成分偏析，特別是有大的碳化物顆粒以及大的脆性夾雜物(如氧化物、氮化鈦等)或塑性夾雜物(如硫化物)，將導致材料基體組織不連續(xù)均勻，彈性模量發(fā)生變化(如硫化物和硅酸鹽的彈性模量比鋼低，氧化鋁彈性模量比鋼高)，影響軸承的振動噪聲性能。

(2)對硬度的影響。碳化物偏析，特別是嚴重的碳化物帶狀，會造成組織和硬度不均勻性達不到相關(guān)技術(shù)要求，影響軸承的耐磨損和抗疲勞性能。

(3)對切削性能的影響。適度降低碳含量(如下限降至0.9%)、增加硫含量(如0.04%～0.07%)并保證氧含量在較低水平(如10×10-6以下)，則有利于切削性能的提高。熱軋壓縮比大或經(jīng)冷加工后塑性降低也對切削性能產(chǎn)生有利影響。

(4)對鍛造性能的影響。除了S，Cu和Sn等元素的含量過高，容易形成低熔點相使鍛件出現(xiàn)熱脆開裂外，C元素在規(guī)定范圍內(nèi)偏高，也將使材料的強韌性降低，在鍛造加工成形中有時會產(chǎn)生開裂。

(5)對耐腐蝕性能的影響。一般疏松，或者存在大量細小的硫化物、氧硫化物，或者金屬流線在加工中被切斷，都會引起耐腐蝕性降低，在材料表面形成“黑點”。

(6)退火力學性能對疲勞強度的無關(guān)影響。軸承鋼的疲勞強度與退火狀態(tài)下的力學性能之間幾乎無相關(guān)性，因此對交貨狀態(tài)下的熱軋材等，一般需要檢測的內(nèi)容很少。一些檢測項目，如對熱軋退火料抽檢硬度等，只是為了保證其工藝性能(如良好的切削性能)，而不是其機械強度和疲勞性能。

2.3 對軸承壽命的影響

2.3.1 純凈度

(1)氧含量。非金屬夾雜物中對軸承疲勞壽命危害最大的是氧化物系夾雜物，氧含量越高，不僅造成氧化物夾雜數(shù)量增多，而且尺寸增大，對疲勞壽命的危害也就顯著加劇。因此，最直接的手段就是控制鋼中的氧含量。但氧含量降至一定水平(如低于6×10-6)后，繼續(xù)降低氧含量對疲勞壽命的提高作用不明顯，所以氧含量并非越低越好，而是應有一個基于試驗分析驗證的科學認識。

在氧化物夾雜中，其中D類(球狀不變形氧化物)夾雜物比B類(氧化鋁)夾雜物對疲勞壽命更為有害。

(2)鈦含量。鈦屬于殘余元素，含量很低，過去在標準中沒有明確規(guī)定其控制指標。但研究發(fā)現(xiàn)，鈦型夾雜物危害很大，因為碳氮化鈦、氮化鈦等夾雜物具有很高的剛性，并在幾何形狀上呈棱角狀，因而極易造成應力集中，誘發(fā)疲勞裂紋。另外，氮化鈦比氧化物更容易產(chǎn)生偏析。因此，現(xiàn)在高質(zhì)量軸承鋼都增加了對鈦含量的規(guī)定，通常要求小于30×10-6，先進水平可達6×10-6左右。

(3)硫含量。有關(guān)硫含量的影響一直存在著兩個方面不同的看法。一方面認為硫化物較軟，幾何形狀一般呈橢球狀，而且能夠包裹危害較大的氧化物形成共生夾雜，使拉應力松弛即產(chǎn)生裂紋的傾向性降低，故對疲勞壽命的不利影響很小甚至還可能有益，可以對硫含量從寬控制；另一方面也發(fā)現(xiàn)，在氧和鈦元素含量均較低(氧含量小于10×10-6和鈦含量小于30×10-6)時，硫含量高時將對軸承疲勞壽命產(chǎn)生不利影響，而且隨著硫含量的降低，對氧含量的降低也比較容易控制，因此還是應從嚴控制。

(4)高純凈度鋼的壽命離散性及可靠性。氧含量降至10×10-6甚至是6×10-6以下的高純凈度鋼，其疲勞壽命分散性會更大，有時會嚴重影響對可靠性水平的控制。這是由于盡管鋼中的非金屬夾雜物等缺陷很少，但若出現(xiàn)在工作表面上或最大應力的次表面區(qū)域中，將導致軸承很快出現(xiàn)早期疲勞剝落。這其中，所存在的極少量的大尺寸非金屬夾雜物(實質(zhì)是在非金屬夾雜物周圍形成的疲勞損傷區(qū)域中的裂紋長度)，對于無異物混入的清潔潤滑環(huán)境下工作的軸承而言，更是主要原因。因此，采用新的夾雜物評定方法，如極值統(tǒng)計法來替代原ASTM E45法等，以改善煉鋼工藝技術(shù)，控制非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夾雜物的數(shù)量及出現(xiàn)在工作表面上的概率，對于顯著減小軸承壽命的離散性，即提高軸承壽命的可靠性是非常有效的。

2.3.2 碳化物細化均勻

除非金屬夾雜物外，接觸疲勞壽命對鋼的組織均勻性也非常敏感，粗大碳化物同樣是產(chǎn)生疲勞剝落的優(yōu)先源區(qū)。在氧含量及氧化物夾雜含量極低的高純凈鋼中，這一影響尤其突出。因此，應采用多種措施來細化均勻碳化物，如電磁攪拌、均勻化(高溫擴散)退火、控軋控冷、可控氣氛連續(xù)球化退火等。

壓縮比也是保證碳化物細化均勻、提高材料致密度、改善材料力學性能和疲勞強度的一個重要手段。軸承鋼坯，尤其是對于連鑄坯，需要加大壓縮比來改善其心部缺陷。如對于普通碳素鋼的連鑄坯，壓縮比為4～6時就可滿足要求；對于優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼連鑄坯，最小壓縮比不低于10即可；但對于軸承鋼連鑄坯，套圈用料一般需保證壓縮比為12～15，滾動體用料達30～50，要求更嚴格的為：套圈用料壓縮比15以上，滾動體用料壓縮比50以上(有的可達到65)。

2.3.3 中心偏析與疏松

軸承鋼的主流生產(chǎn)工藝流程已從模鑄鋼走向連鑄鋼，但連鑄鋼存在的一個最大問題就是中心偏析和疏松。中心偏析和疏松對于套圈、滾子等零件影響不大，但對于料芯部位仍不可避免地處于工作表面的鋼球就十分有害。采用輕壓下技術(shù)，同時配備中間包等離子加熱和電磁攪拌等技術(shù)，確保最佳工藝條件下的最佳壓下位置，對改善中心偏析與疏松的效果最為顯著。

2.3.4 金屬流線

金屬纖維流線應致密，還應盡量保證與滾動表面平行，特別應控制流線斷頭不能垂直露出工作表面，否則將降低軸承的疲勞壽命。

2.3.5 嚴格控制退火組織

鍛造加工后退火組織的金相顯微鏡檢查的放大倍數(shù)通常規(guī)定為500倍，為了嚴格控制退火組織，保證其為細小均勻的球化組織，避免片狀碳化物存在，應在1 000倍下進行檢查評定。

2.3.6 硬度匹配

熱處理后的表面硬度不僅僅是達到標準要求范圍，而是要關(guān)注軸承套圈與滾動體的匹配問題。滾動體的硬度應控制在范圍上限，而套圈的硬度應控制在范圍下限，以保證滾動體的硬度高于套圈1～2 HRC，使軸承在運轉(zhuǎn)中，尺寸與形狀精度更高的滾動體可以對滾道起到“冷輾整形”作用，進一步提高軸承的疲勞壽命。

高硬度要求——精密軸承的應用場合一般是輕載高速，磨損壽命是主要評價指標，因此硬度可偏于范圍上限。

低硬度要求——用于沖擊、重載等工況條件，如軋機、離心澆鑄機及石油鉆機等配套軸承，斷裂比疲勞和磨損等危害更大。因此其硬度應偏于范圍下限，甚至可犧牲疲勞性能，降低至58 HRC以下。

2.3.7 殘余奧氏體

軸承鋼常規(guī)熱處理后殘余奧氏體在9%左右時最有利于軸承力學性能和疲勞強度的提高。但在齒輪箱等具有大量污染顆粒的條件下，在工作表面層保留穩(wěn)定的殘余奧氏體為30%～35%時，可以利用奧氏體易變形的特點來降低接觸壓痕邊緣的應力集中效應，使表面疲勞源不易形成及擴展，從而提高軸承的疲勞壽命。

3 國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平差距

目前我國軸承鋼年產(chǎn)量世界第一，材質(zhì)水平也取得了顯著的進步，如興澄特鋼、寶鋼特鋼、北滿特鋼等都先后通過SKF，F(xiàn)AG，NSK和Timken等國際著名軸承公司的認證，已經(jīng)成為其材料供應商。

但是，與國際先進水平相比，仍存在很大差距，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)氧含量較高(國外普遍在3×10-6～8×10-6，國內(nèi)平均為9×10-6)，尤其是波動偏差較大(國外約為0.6×10-6，國內(nèi)約為2×10-6)；

(2)微觀夾雜物顆粒較集中、較大且較多(數(shù)量達國外幾倍)，宏觀夾雜物出現(xiàn)率較高；

(3)碳化物顆粒的平均直徑及最大直徑均較大(大顆粒碳化物所占比例約為國外3倍)，且分布不均勻；

(4)碳化物帶狀和網(wǎng)狀評級較高，尤其是碳化物液析較嚴重(國外一般無液析)；

(5)表面脫碳嚴重，表面缺陷較多。

由于國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平所限，即使成為國際著名軸承公司材料供應商，也存在著是進入主要供應商序列還是僅僅作為補充供貨，是僅供應其在華投資企業(yè)或亞太市場還是可以供應其全球企業(yè)等限制性問題。

盡管國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平良莠不齊，但由于近一階段又多處于賣方市場，致使很多劣質(zhì)鋼材都流入軸承生產(chǎn)環(huán)節(jié)，尤其是進入到?jīng)]有鋼材進廠檢驗手段的中小軸承企業(yè)，“退貨不合格的軸承鋼材沒有回爐重煉的”是鋼鐵企業(yè)和軸承企業(yè)都完全知曉的公開秘密。這樣的結(jié)果反映在軸承質(zhì)量水平上就是長期在低位徘徊，以近年來國家監(jiān)督抽查結(jié)果為例，平均合格率不到70%，2010年更是由往年合格率75%以上陡降至68%，其中軸承壽命未到達額定壽命是主因之一，而進口鋼材制造軸承的壽命則是國產(chǎn)鋼材制造軸承的幾倍甚至十幾倍。

差距存在的原因主要可歸結(jié)為以下兩方面。

(1)軸承鋼標準內(nèi)容較落后。如國家標準GB/T 18254—2002與國外先進企業(yè)標準SKF D33-1相比，對有害元素含量未做限制，宏觀夾雜物未列為必檢項目，微觀夾雜物中的氮化鈦及碳氮化鈦不評級，熱軋材不要求檢查碳化物網(wǎng)狀，表面缺陷沒有規(guī)定用無損探傷檢查而僅用目視檢查，表面脫碳層、尺寸和形狀公差均控制較松等。

(2)工藝技術(shù)和裝備水平參差不齊。如很少采用多級電磁攪拌，連鑄坯中心偏析比較嚴重；有些企業(yè)的連鑄坯尺寸小，導致軋制比不夠；很多企業(yè)為降低成本不進行高溫擴散退火或減少其時間，碳化物不均勻性問題突出；沒有普遍采用控軋控冷，碳化物網(wǎng)狀難于控制；未能實現(xiàn)鋼坯在線自動檢測，表面裂紋等缺陷經(jīng)常漏檢。

提高國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平，現(xiàn)在多聚焦于研發(fā)高檔軸承鋼及其他鋼種，實際上占市場用量80%以上的普通軸承鋼更為重要。目前國產(chǎn)軸承鋼的現(xiàn)狀實際上是“高不成，低不就”，即“高檔難替代，普通不到位”——在高速鐵路、高檔汽車、民航飛機等采用高檔軸承的領(lǐng)域，由于技術(shù)水平的顯著差距，替代SKF，Timken及日本等國際領(lǐng)先水平的軸承鋼尚難以一蹴而就；在電動機、家電等采用普通軸承領(lǐng)域，盡管現(xiàn)已具備很高的市場占有率，但材質(zhì)水平與國際同類產(chǎn)品相比仍存在很大差距，尤其是在使用壽命及可靠性方面還難以完全滿足要求。普通軸承鋼材質(zhì)水平不高、不穩(wěn)定，實際上才是給國產(chǎn)軸承市場形象造成廣泛不良影響的最大主因。

4 結(jié)束語

軸承鋼的材質(zhì)水平在很大程度上是決定軸承精度、性能和壽命的主要因素甚至是最重要的因素。評定軸承鋼材質(zhì)水平高低的關(guān)鍵特征指標是純凈度與組織均勻性。在基于對原材料及熱處理的一般認識的基礎(chǔ)上，進行更契合于軸承產(chǎn)品本質(zhì)的深入認識，是軸承鋼材質(zhì)改善和技術(shù)進步的根本方向。如對于氧含量及硫化物等要求，就存在著與軸承性能和壽命相關(guān)的辯證關(guān)系，必須進行深度的科學認識，而不應當盲目控制或追求。

針對國產(chǎn)軸承鋼目前仍處于“高不成，低不就”的狀況，在瞄準研發(fā)高檔軸承鋼或其他材料的同時，更應把注意力回歸到切實提高普通軸承鋼的材質(zhì)水平上來。量大面廣的普通軸承鋼的材質(zhì)達到國際同類產(chǎn)品水平，對于國產(chǎn)軸承在整體上真正形成市場競爭力和良好品牌形象，才更具有普遍意義和現(xiàn)實意義，同時也才具備向中高端市場挺進的基礎(chǔ)。從這個意義上講，普通軸承鋼達到國際先進水平之日，才是我國實現(xiàn)軸承強國開端之時。