柳永寧，陳秀明，劉宏基，孫俊杰

(西安交通大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710049)

軸承是機(jī)械、交通、航空航天、電力、能源等工業(yè)設(shè)備與裝備中必不可少的通用零件，起到傳遞載荷和運(yùn)動(dòng)的功能。制作軸承的經(jīng)典材料是軸承鋼，國內(nèi)典型牌號(hào)為GCr15，主要成分C 含量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，Cr含量為1.5%，這一成分與主要工業(yè)化國家的同類產(chǎn)品成分基本一致，該成分的軸承鋼已有100多年的歷史[1-2]，至今產(chǎn)量仍占據(jù)軸承鋼的80%，可以滿足大部分設(shè)備的使用要求。降低氧含量一直是軸承鋼的發(fā)展方向，整個(gè)軸承鋼的發(fā)展歷史就是發(fā)展新設(shè)備、新工藝，降低氧含量的歷史，現(xiàn)今軸承鋼的氧含量已降到5×10-6的量級(jí)，繼續(xù)降低氧含量已不可能大幅提高GCr15軸承鋼的性能。GCr15軸承鋼的屈服強(qiáng)度為2 000 MPa左右，軸承在服役過程中局部點(diǎn)接觸或線接觸應(yīng)力高達(dá)5 000 MPa[1,3]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料屈服強(qiáng)度的高應(yīng)力導(dǎo)致軸承滾道表面和亞表面反復(fù)變形，在亞表面產(chǎn)生白亮區(qū)域，白亮區(qū)的組織是一種局部絕熱剪切產(chǎn)生的高溫回火，使鋼的原始組織局部發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶[3]。這種高應(yīng)力引發(fā)的反復(fù)局部變形會(huì)產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致裂紋萌生。已有研究表明，軸承的疲勞壽命正比于材料的表面硬度[4-5]，軸承鋼的含碳量已達(dá)1.0%，進(jìn)一步提高含碳量就達(dá)到了超高碳鋼的范圍。文獻(xiàn)[6-7]于20世紀(jì)70年代提出超高碳鋼(Ultra High Carbon Steel,UHCS)的概念，其含碳量為1.0%～2.1%，包括了過共析鋼的全部范圍，但始終沒有開展超高碳軸承鋼的研究。文獻(xiàn)[8]后來發(fā)現(xiàn)中世紀(jì)的大馬士革寶刀的成分就是超高碳鋼。文獻(xiàn)[9]自2007年開始超高碳軸承鋼(Ultra High Carbon Bearing Steel, UHCBS)的研究，最高含碳量達(dá)到了1.5%，超高碳軸承鋼綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)GCr15鋼。

本文系統(tǒng)研究了超高碳鋼作為軸承鋼的可行性，分析了UHCBS的球化組織、淬火馬氏體組織、回火性能、耐磨性能、接觸疲勞性能，并加工成軸承樣品進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，以證明UHCBS是一種性能優(yōu)良的新型軸承鋼。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的超高碳軸承鋼化學(xué)成分為C含量1.1%～1.5%，Cr含量1.2%～1.6%，Mn含量0.3%～0.5%，Si含量0.3%～0.5%%，Al含量0.5%～1.5%，其中，加入Al可以抑制網(wǎng)狀碳化物的析出，均勻化組織。材料經(jīng)50，100 kg真空感應(yīng)爐熔煉，分別鍛造成直徑為40，80 mm的棒料，40 mm棒料用于加工實(shí)驗(yàn)室各種分析測試樣品，80 mm棒料用于加工工業(yè)卡車輪轂軸承樣品并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。采用GCr15鋼和SKF-3鋼作為對(duì)比，這2種材料分別從市場采購和企業(yè)獲得。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織及硬度

顯微組織分析采用光學(xué)金相顯微鏡(尼康 MA-100)，掃描電子顯微鏡TEM(JSM-6390)和透射電子顯微鏡(JEM-2100F)，原奧氏體晶界采用電化學(xué)腐蝕方法顯示[10]。UHCBS鍛造空冷后的顯微組織如圖1所示，圖中可見珠光體的晶界，無大塊液析碳化物、網(wǎng)狀碳化物和網(wǎng)狀二次滲碳體，由此可見，加入Al后明顯抑制了塊狀碳化物和網(wǎng)狀碳化物的析出。

UHCBS，GCr15鋼和SKF-3鋼材料球化處理后的組織如圖2所示，GCr15鋼和SKF-3鋼球化處理后是供貨態(tài)組織，UHCBS經(jīng)800 ℃保溫9 h球化處理后也是球狀組織，且效果較好，顆粒大小均勻。整體來看，SKF-3鋼的球化組織最好，碳化物顆粒最細(xì)小并均勻，GCr15鋼次之，有2 μm左右的塊狀碳化物，UHCBS的碳化物顆粒平均尺寸稍大，但仍然比較均勻。

UHCBS，GCr15鋼和SKF-3鋼淬火后的組織如圖3所示，采用電化學(xué)方法腐蝕出了晶界[10]，可以看出UHCBS的晶粒最小，平均晶粒尺寸為6.9 μm，GCr15鋼和SKF-3鋼的晶粒尺寸基本相同，約為13.5 μm。晶粒細(xì)化是由于UHCBS中有較多的未溶碳化物，導(dǎo)致加熱時(shí)奧氏體晶粒長大受阻，這與文獻(xiàn)[7]早期的研究結(jié)論一致。

GCr15鋼、UHCBS在845 ℃淬火、160 ℃回火后的TEM微觀組織如圖4所示，GCr15鋼中出現(xiàn)較多且大的孿晶亞結(jié)構(gòu)，而UHCBS中主要是位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，表明UHCBS中有大量的位錯(cuò)型馬氏體。

UHCBS奧氏體化溫度與硬度及殘余奧氏體量的關(guān)系如圖5所示，奧氏體化溫度從840 ℃升高至860 ℃，硬度基本維持在65 HRC左右，殘余奧氏體量略有升高。這是由于奧氏體化溫度升高，合金元素溶解量增多，奧氏體的穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致淬火后殘余奧氏體增多，但殘余奧氏體的增加量不大(3%左右)，不足以降低硬度。GCr15鋼和UHCBS回火溫度與硬度的關(guān)系如圖6所示，隨回火溫度升高UHCBS的硬度降低較緩慢，360 ℃回火時(shí)硬度仍然可以維持在60 HRC，此時(shí)GCr15鋼的硬度降低至54 HRC左右。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是Al元素不溶于碳化物中，對(duì)回火中碳化物的析出有抑制作用。對(duì)于高速重載的軸承，UHCBS的這一特性可以減少運(yùn)行中軸承發(fā)熱引起硬度降低進(jìn)而導(dǎo)致軸承壽命下降的問題。

2.2 磨損性能

采用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測量摩擦因數(shù)，載荷分別為6，10，20 N，觀察磨痕形貌，同時(shí)記錄載荷和摩擦因數(shù)，采用滾動(dòng)接觸疲勞磨損試驗(yàn)機(jī)測量磨損量，試驗(yàn)原理如圖7所示。GCr15鋼和UHCBS試樣均采用845 ℃加熱油淬，160 ℃回火。

載荷為10 N時(shí)，銷盤磨損試驗(yàn)后的表面形貌如圖8所示，UHCBS磨痕底部可見原磨削加工紋路，GCr15鋼的磨痕底部則未見原磨削加工紋路，這表明GCr15 鋼的磨痕較深，而UHCBS的磨痕較淺。

2種軸承鋼摩擦因數(shù)與載荷的關(guān)系如圖9所示：載荷小于10 N時(shí)，UHCBS的摩擦因數(shù)大于GCr15鋼；載荷大于10 N時(shí)，UHCBS的摩擦因數(shù)明顯小于GCr15鋼。減小摩擦因數(shù)可以提高傳動(dòng)效率，減小發(fā)熱，提高能量利用率。載荷在10 N時(shí)2種材料的摩擦因數(shù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，主要是在小載荷時(shí)材料的表面粗糙度對(duì)測量結(jié)果影響較大。

滾動(dòng)磨損試驗(yàn)后，不同載荷下磨損量隨時(shí)間的變化如圖10所示：載荷為250 N時(shí)，2種鋼材料的磨損量差異不大，GCr15鋼略高于UHCBS(UHCBS-1為常規(guī)球化退火，UHCBS-2為離異共析方法退火)；當(dāng)載荷達(dá)到500 N時(shí)，GCr15鋼的磨損量逐漸變大，10 h的磨損量超過UHCBS鋼的一倍。滾動(dòng)磨損試驗(yàn)后測量軸承鋼材料的表面硬度，結(jié)果見表1，初始狀態(tài)，UHCBS的硬度高于GCr15鋼；250 N加載時(shí)，GCr15鋼的加工硬化較快，表面硬度達(dá)到了1 190 HV，此時(shí)UHCBS的表面硬度為1 096 HV；隨著載荷繼續(xù)增加，UHCBS的硬度高于GCr15 鋼。雖然UHCBS的初始硬度高于GCr15鋼，但仍然有較好的加工硬化能力。

表1 滾動(dòng)磨損試驗(yàn)后軸承鋼材料的表面硬度

300 N正壓力作用下滾動(dòng)磨損試驗(yàn)后的表面形貌如圖11所示：2種軸承鋼的表面均有許多黑色區(qū)域，為磨下來的鐵屑被滾壓到試樣表面后形成的圖像；除了這些區(qū)域，GCr15 鋼的表面有許多小裂紋，而UHCBS的表面則未觀察到，這說明除了耐磨性高外，UHCBS的裂紋萌生傾向也小于GCr15鋼。這與傳統(tǒng)的看法不一致，UHCBS淬火回火態(tài)的硬度高，耐磨性好，說明UHCBS的脆性大，會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生的傾向增大；但實(shí)際情況卻相反，說明有不同于常規(guī)的機(jī)制在起作用。

2.3 接觸疲勞性能及臺(tái)架試驗(yàn)

接觸載荷4 400 MPa下UHCBS，GCr15鋼及SKF-3鋼的接觸疲勞試驗(yàn)如圖12所示，測試結(jié)果如圖13所示。由圖13可知：SKF-3鋼與GCr15鋼的疲勞壽命為同一水平，只是SKF-3鋼的分散度略小，2種鋼的小部分試樣的疲勞壽命超過1×107r，大部分試樣的壽命較低。相比之下，UHCBS全部試樣的疲勞壽命均超過了1×107r，個(gè)別超過了1×108r。3種軸承鋼的疲勞壽命和韋布爾斜率b見表2，UHCBS的疲勞壽命L10和L50均是SKF-3鋼和GCr15鋼的5倍。

表2 3種軸承鋼的疲勞壽命及韋布爾斜率

不同運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)后滾道的磨損情況如圖14所示(從左至右分別為0，1.3×106，2.6×106，7.8×106r工況下的結(jié)果)：SKF-3鋼和GCr15鋼的磨損情況嚴(yán)重，原磨削加工的直線紋路變得扭曲甚至消失，同時(shí)表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性變形(如圖14c中運(yùn)轉(zhuǎn)2.6×106r后的黑色箭頭所指)，并產(chǎn)生了許多黑色的小點(diǎn)，為反復(fù)塑性變形導(dǎo)致的夾雜物剝落或氧化物、碳化物點(diǎn)剝落遺留的小坑，這些都有可能成為疲勞裂紋源；UHCBS的磨損比較輕微，磨削紋路仍然存在，在運(yùn)轉(zhuǎn)7.8×106r后有一些輕微的剝落點(diǎn)。

以上結(jié)果表明，UHCBS硬度高，屈服強(qiáng)度高，可以承受更大的載荷。

將UHCBS和GCr15鋼加工成重型卡車軸承進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，在0.35倍額定動(dòng)載荷的條件下，UHCBS制軸承的疲勞壽命是GCr15鋼的3～5倍。臺(tái)架試驗(yàn)后軸承的表面形貌如圖15所示：GCr15鋼制軸承的表面已經(jīng)發(fā)黃，表明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)表面瞬間溫度升高至金屬氧化溫度以上，發(fā)生氧化；反觀UHCBS制軸承的表面仍保持金屬原有顏色，說明UHCBS制軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)表面溫度較低。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)熱量來自反復(fù)的塑性變形和滾子與滾道的摩擦生熱，由于GCr15鋼和SKF-3鋼的硬度低，導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度也較低，同樣載荷下，UHCBS的變形較小，摩擦因數(shù)低，因而發(fā)熱少。

3 討論

3.1 UHCBS亞結(jié)構(gòu)與裂紋萌生

UHCBS的硬度及含碳量高于GCr15鋼，導(dǎo)致殘留碳化物多，脆性大，裂紋萌生概率高是比較合理的推論；但試驗(yàn)結(jié)果恰恰相反，UHCBS在滾滑摩擦條件下裂紋萌生率小于GCr15鋼。

最近的一些研究發(fā)現(xiàn)，高碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)受相變前奧氏體的晶粒尺寸影響較大，奧氏體晶粒細(xì)化到4 μm時(shí)，高碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)會(huì)由原來的孿晶轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)[11-16]。以此發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，研發(fā)出了強(qiáng)度為2 600 MPa、延伸率7%的低合金超高強(qiáng)度鋼[11]，從宏觀力學(xué)的角度證明了晶粒細(xì)化改變了高碳馬氏體亞結(jié)構(gòu)這一說法的可靠性。GCr15鋼馬氏體中孿晶與奧氏體粒尺寸的關(guān)系如圖16所示[13]，奧氏體晶粒在4 μm時(shí)，馬氏體中基本沒有孿晶，即均為位錯(cuò)。由圖3可知，UHCBS的晶粒尺寸為6.9 μm，而GCr15鋼和SKF-3鋼的晶粒尺寸為13.5 μm，根據(jù)圖16，UHCBS中的孿晶量馬氏體含量應(yīng)該在30%～40%左右，GCr15鋼和SKF-3鋼的孿晶馬氏體含量應(yīng)該在50%～60%左右，圖4也確實(shí)觀察到UHCBS中有大量的位錯(cuò)馬氏體[16]。位錯(cuò)有較好的塑性變形能力，可以緩解應(yīng)力集中，而孿晶通常是不可逆缺陷，不具備塑性變形的能力，是導(dǎo)致高碳馬氏體脆性的根源[17-18]，孿晶與基體的界面以及孿晶相交處是裂紋萌生和擴(kuò)展的源頭[17]。通常，少量的孿晶并不會(huì)影響馬氏體的塑性，可以起到分割晶粒，細(xì)化晶粒的作用[16]，但是孿晶量超過50%時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致材料變脆。這很好的解釋了圖11中的現(xiàn)象，GCr15鋼在300 N的正應(yīng)力作用下滾滑摩擦試驗(yàn)后表面產(chǎn)生很多的微裂紋，而UHCBS經(jīng)相同條件的試驗(yàn)后表面沒有產(chǎn)生裂紋。

3.2 超高碳軸承鋼的性能特點(diǎn)及應(yīng)用

與常規(guī)軸承鋼相比，UHCBS含碳量較高且加入了一定量的Al，球化退火再淬火回火后組織為大量均勻分布的粒狀碳化物，同時(shí)合金元素Al抑制了網(wǎng)狀碳化物及回火時(shí)碳化物的析出，淬回火后組織主要為位錯(cuò)型超細(xì)回火馬氏體以及大量的未溶碳化物；因此UHCBS具有淬回火硬度大，回火穩(wěn)定性、耐磨性及接觸疲勞性好，不易萌生微裂紋等特性。

近年來，軸承的使用工況越來越苛刻，如汽車的輕量化及集成化使軸承在更高的溫度下工作，機(jī)床的高速化使主軸軸承更易磨損、發(fā)熱卡死等；對(duì)軸承的性能要求也越來越高，如高精度保持性，長壽命，高可靠性，高溫性能等。鑒于超高碳軸承鋼的性能特點(diǎn)，其在汽車輔機(jī)(發(fā)電機(jī)、張緊輪、空調(diào))軸承、新能源汽車電機(jī)軸承、高速高精度機(jī)床主軸軸承等方面應(yīng)具有較好的應(yīng)用前景。同時(shí)，還有不少方面需要進(jìn)一步研究，如超高碳軸承鋼批量生產(chǎn)時(shí)碳化物偏析的控制，軸承零件加工性能及應(yīng)用考核等。

4 結(jié)論

通過在超高碳軸承鋼中加入Al抑制網(wǎng)狀碳化物的析出并均勻化組織，與常規(guī)GCr15鋼進(jìn)行對(duì)比分析得到以下結(jié)論：

1)在相同的熱處理?xiàng)l件下，超高碳軸承鋼可獲得較細(xì)的顯微組織，較多的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)及未溶碳化物。

2)超高碳軸承鋼具有更高的淬火硬度，同時(shí)有更好的回火穩(wěn)定性。

3)超高碳軸承鋼具有更好的耐磨性，更小的裂紋萌生傾向和摩擦因數(shù)。

4)超高碳軸承鋼在4 400 MPa壓力下，疲勞壽命L10和L50均是CGr15鋼和SKF-3鋼的5倍。

5)軸承臺(tái)架試驗(yàn)表明超高碳軸承鋼制軸承疲勞壽命較長，耐磨性好，工作溫升低。