国内外轴承钢发展现状及方向.docx

国内外轴承钢发展现状及方向一、轴承钢对组织结构及性能基本要求轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类，用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件，它是由内、外套圈、滚动体(滚珠、滚柱或滚针)和保持器四部分组成，合称为轴承四大件。轴承工作条件十分复杂，不仅要承受各类高的交变应力，还要承受各种瞬时冲击力的作用，使轴承极易产生疲劳裂纹和摩擦破坏，严重的情况下出现轴承套圈的断裂破坏。轴承主要破坏形式主要有两种，即最常见接触疲劳破坏和占次要地位的磨损破坏。由于要承受高接触应力(一般高达1500-5000N/mm2)、多次循环接触疲劳应力以及滑动磨损的工作环境，要求轴承有高抗塑性变形，抗摩擦磨损，高旋转精度及尺寸精度，高尺寸稳定性、长使用寿命和高可靠性；对于在特殊条件下工作的轴承，还有耐冲击、高Dn值(轴承直径与转速的成绩)、耐高温低温，防腐蚀和抗磁等性能。 轴承钢是制造轴承的主要材料，轴承钢品质最高，性能要求苛刻，而且量大面广，其种类繁多，但基本上可分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、中碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢及无磁轴承钢等系列钢种。(1)高碳铬轴承钢：高碳铬轴承钢是轴承钢的代表钢种：GCr15、GCr15SiMn、GCr4、GCr15SiMo、GCr18Mo等。该类钢是轴承钢的主体，占到我国轴承钢总量的90%以上(美国不到70%，欧洲不到50%)。我国高碳铬轴承钢的冶金水平、热处理水平及表面处理水平与国外相比尚有较大差距；(2)渗碳轴承钢：表面经渗碳处理后具有高硬度和高耐磨性，而心部仍有良好的韧性，能承担较大的冲击。品种有G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo等。美国的渗碳轴承钢占轴承钢总量的30%，而我国仅占3%，有待于进一步发展，渗碳轴承钢的品质不足成为我国高铁、机床与冶金轴承国产化的制约因素；(3)中碳轴承钢：主要为适应轮毂和齿轮等部位具有多种功能的轴承部件或特大型轴承。适用于制作掘进、起重、大型机床等重型设备上用的特大尺寸轴承，50CrNi、50CrNiL、42CrMo、65Mn2、70Mn2等。目前我国没有专用中碳轴承钢，需要规范化和新型钢种研发；(4)高铬不锈承钢：马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等。为满足轴承的硬度要求，多采用马氏体不锈钢，9Cr18和9Cr18Mo。主要应用于化工、石油、造船、食品工业等部门。该类钢中的夹杂物与碳化物控制水平仍然需要进一步提高；(5)中高温轴承钢：具有高的高温硬度(大于58HRC)、尺寸稳定性、耐高温氧化性、低的热膨胀性和高的抗蠕变强度。M50(8Cr4Mo4V)和M50NiL是含Mo的高温不锈钢和BG42钢，工作温度在315；CSS-42L，可以使用到500以上；X30钢是一种高氮(0.42%)的超高强不锈钢，耐蚀性能比M50高出几十倍。主要应用于航空、航天工业的喷气发动机、燃汽轮机和宇航飞行器的制造领域。我国高温轴承钢与国外差距很大，限制了航空发动机的发展；(6)无磁轴承合金：高强度和高硬度(GH05或G60)以及X52合金等。最近美国NASA正在研发具有低密度、低模量、耐高温、耐腐蚀的金属间化合物轴承合金Ni60Ti40(我们定名为GNiTi40)，其密度仅仅6.7g/cm3，弹性模量只有95GPa，耐蚀性能与陶瓷材料相当。未来这种轴承合金有望在航空航天等军事领域得到推广应用，有可能是一种划时代的轴承合金材料。总的来说我国的高碳铬轴承钢的韧性差、渗碳轴承钢的成本高、中碳轴承钢品种少、不锈轴承钢均匀度差，第二代高温轴承钢批量稳定性不足和第三代高温轴承钢的研发落后。轴承钢的几个品种从实质上也代表了轴承钢的整体发展趋势。自从一个世纪前高硬度高耐磨类型的全淬透性高碳铬轴承钢，到现代的渗碳轴承钢和中碳轴承钢，轴承钢的发展实质上是在保证轴承耐磨性的基础上向着提高韧性的方向发展。对于目前应用量最大的高碳铬轴承钢，其耐磨性最高，但是该类型轴承钢的韧性很差，其无缺口冲击韧劲仅仅约几十个焦耳，而其U型缺口韧性仅仅有几个焦耳。为了提高轴承的可靠性，出现了渗碳轴承钢和中碳轴承钢，在表面渗碳和表面处理的条件下大幅度提高了轴承的可靠性。总体来讲，轴承钢总体发展趋势是在高洁净度炼钢平台的基础上，实现低成本、高性能、稳定化和新型化。民用轴承钢的发展从有Cr到低Cr甚至无Cr发展，降低成本；从高碳向渗碳发展，降低二次碳化物，提高寿命和可靠性；从普通向耐蚀发展，提高耐蚀性及其特殊用途；从低合金到高合金发展，拓展轴承钢使用范围。军用轴承钢从高碳到渗碳，低温到高温，从普通到不锈，从无氮到高氮，从无合金化走向微合金化的方向发展。目前国内轴承钢产量约400万吨，其中高碳轴承钢占到90%以上，而中碳全淬透性轴承钢和渗碳轴承钢的比例仅仅占3%左右的水平，远远落后于国外中碳及渗碳轴承钢30-50%的水平。由于碳含量的降低，中碳及渗碳轴承钢的韧性要远远高于高碳轴承钢，所以国外中碳及渗碳轴承钢的高比例可能与使用环境与使用条件对轴承钢的较高的韧性要求有关。目前国内外应用最多的中碳轴承钢为表面感应淬火的42CrMo。但日本三阳已经成功开发了具有耐蚀、耐温和长寿命的SHX中碳轴承钢(40CrNiMo)，通过渗碳和渗氮热处理，得到长寿命的轴承，应用在高速电机和精密机床等高端装备领域。另外，SKF也在开发能够应用与轨道交通的中碳低成本轴承钢来取代现有的渗碳轴承钢G20Cr2Ni4，达到降低生产成本和长寿命的目的。所以国内未来需要加大中碳及渗碳轴承钢的研发，着力提高轴承钢的韧性，提高轴承钢使用的可靠性。但目前国内外对韧性对轴承钢性能的影响还没有深入系统研究，有必要开展轴承钢韧性对轴承钢接触疲劳寿命、耐磨性能和可靠性等关键性能的研究，提升人们对轴承钢韧性对轴承钢使用性能的影响认识，促进我国轴承钢的快速发展。二. 国内外轴承钢代表性生产企业及其质量水平影响以上六大类轴承钢组织结构与性能的因素主要有四个，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；四是轴承钢产品性能的一致性，需要通过窄成分区间控制和生产工艺的自动化控制。为了实现对轴承钢夹杂物、碳化物、成分偏析与产品性能的一致性，需要提高轴承钢的原料与钢液的纯净度、铸态及轧态组织的均匀度、降低轴承钢的成分偏析以及轴承钢的窄成分区间控制。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。在70年代以前，国内外主要是使用无脱气冶炼，钢中的氧含量高达30-40ppm；70年代到90年代以脱气钢为主，钢中氧含量已经降到15ppm；90年代后期由于三脱工艺与真空脱气技术的联合应用，钢中的氧含量可以降到10ppm以下。到了21世纪的今天，国外发达国家钢中氧含量已经可以降低到5ppm以下，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(分电炉与转炉两个系统)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。影响碳化物的两个化学成分因素，一是碳含量的影响，从渗碳轴承钢、中碳轴承钢到高碳轴承钢分别属于亚共析钢、近共析钢和过共析钢的范畴，因而碳含量的变化直接影响了钢中碳化物的含量、形态、分布；二是合金元素的影响，从低合金到高合金，不仅改变了钢的共析点和碳化物的类型，影响了碳化物含量、形态和分布，更重要的是影响了钢中元素的偏析行为，加大了轴承钢化学成分的不均匀性。从这个意义来讲，轴承钢中碳化物的工艺控制难度随着碳含量的提高和合金元素含量的增加而增加。对过共析轴承钢，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，往往轴承的失效就是在大的夹杂或碳化物周围产生的微裂纹扩展而成。研究指出，夹杂物的含量基本上决定了轴承钢的接触寿命，如图1a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，轴承钢中氧含量已经可以控制到5ppm，夹杂物的数量、尺寸及其分布大为改善。轴承钢中碳化物的含量、分布及尺寸大小对轴承钢的寿命又起到至关重要的影响。如图1b所示，随着碳化物含量的降低，轴承钢的接触疲劳寿命随着碳化物含量的减少呈指数级提高。通过图1b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。另外研究结果还表明，夹杂物和碳化物粒径越大、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大小。钢中的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。而具有影响性能的三次碳化物则主要存在于轴承钢的带状组织，需要通过轧前的高温成分均匀化来加以消除。图1 夹杂物与碳化物含量对轴承钢接触疲劳寿命的影响（a）单位体积内夹杂物的长度与轴承钢寿命间关系和（b）碳化物体积分数与轴承钢疲劳寿命间关系图2 夹杂物与碳化物的大小对轴承钢接触疲劳寿命的影响（a）轴承钢中夹杂物平均直径与轴承钢寿命间的关系和（b）碳化物尺寸大小对轴承钢疲劳寿命间的影响国外发达国家，比如瑞典、日本、德国、美国等国的轴承钢产量和质量都处于领先地位，共同特点是设备先进、工艺技术成熟、质量稳定。世界上生产轴承钢的最著名的厂家有日本的山阳特殊钢厂、瑞典SKF公司、美国Timken公司等轴承钢企业。下面以连铸轴承钢为代表的日本山阳(SANYO)和模铸轴承钢为代表的德国斯凯孚(SKF)为例介绍国外轴承钢生产工艺及质量水平。日本山阳的主要工艺流程为：90tUHP电炉LF精炼炉RH精炼炉连铸或模铸初轧三辊行星轧机或大型轧机无损探伤修磨连轧机组无损检验连续炉球化退火无损检测检验入库。它的质量控制水平为钢中O含量普遍控制在5ppm以下，有的甚至达到2-3ppm；最大夹杂物尺寸为11m；硫含量达到20-30ppm、Ti达14-15ppm。氧化物颗粒在11m，而传统工艺夹杂在20m以下。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）方法冶炼的水平。瑞典SKF轴承的生产工艺流程：100t电炉LFV精炼炉模铸均热炉初轧火焰清理150150坯料检验、喷丸、修磨加热除鳞轧制冷却剪切打包发货。它的质量控制水平为O含量在5-8ppm，且偏差值低(0.5ppm)；Ti含量波动在8-12ppm，钢中H1ppm(精炼结束时的钢水中测定)。通过对山阳和斯凯孚的生产工艺可以看出，氧含量和钛含量是衡量轴承冶金质量的两个轴承指标。从夹杂物的角度来看，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渣物含量和降低夹杂物尺寸的目的，而瑞典轴承钢企业重在控制夹杂物的形状和分布。这两个国家的轴承钢生产状况代表了当代世界轴承钢生产质量的水平和发展方向。从国外高品质轴承钢的生产装备来看，国外普遍采用明显的粗轧和精轧两道轧制(可视为轴承钢的控轧控冷工艺)和严格的自动分析和检测制度，通过轧后快冷来消除钢中的网状碳化物和碳化物的平均晶粒尺寸，通过超声波、磁粉等无损检测来保证轴承钢的高品质。众多的研究结果表明：轴承钢中的碳化物的尺寸有必要降低到0.5m以下，来保证轴承钢高的接触疲劳寿命。国内以兴澄特钢、宝钢特材、东北特钢和江苏苏钢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等国外轴承钢公司认证)和产量大(年产量基本维持在30-50万吨水平)等特点，代表了我国轴承钢冶金质量的最高水平。兴澄特钢：(1)生产工艺流程：高炉铁水+优质废钢100t EAF超高功率偏心底出钢直流电弧炉100t LF精炼炉100t VD真空脱气炉大方坯连铸CC热送热装加热连轧轧制(抛丸矫直涡流探伤超声波探伤)；(2)主要质量指标控制措施：纯净度控制采用优质的高炉铁水、废钢和铁合金等原材料、采用优质耐材及辅材、采用电炉偏心底出钢，留钢、留渣操作、采用活性石灰加合成渣精炼、喂铝线脱氧、采用真空处理、使用大包下渣检测装置、连铸采用无氧化保护浇注、使用结晶器电磁搅拌；(3)成分控制采用先进的冶炼装备和流程生产精确控制出钢量，在钢渣脱氧良好的前提下微合金化，对碳及氧化元素采用喂线方式微调，在每个操作工位取样快速分析并设有目标成分，采用计算机计算合金加入量、自动称量和加入。采用数学模型等控制精炼温度，确保操作规范和工艺稳定；(4)碳化物控制：减少偏析元素C、P、S含量，采用连铸大方坯，采用低的钢水过热度浇注、二冷段弱冷和慢拉速，采用结晶器电磁搅拌加末端电磁搅拌；(5)表面质量控制：采用优质的高炉铁水，降低钢中As、Sn、Cu等低熔点元素的含量，采用优质保护渣，采用结晶器液面自动控制。 宝钢特钢也采取基本一致的生产工艺流程：100t超高功率直流电弧炉+LF精炼炉+VD真空脱气炉，能提供高纯、低有害元素的高清洁轴承钢，具有保证产品表面质量的先进钢坯表面磁粉探伤和成品材的涡流探伤设备和能力。与国外比较，国内轴承钢在热轧过程中无明确的初轧和精轧两道热轧的划分，而是铸坯加热后直接进入连轧，这可能是我国轴承钢中夹杂物和碳化物尺寸粗大以及分布不均匀的主要因素。尽管国内外轴承钢的主要冶金设备基本一致，但由于冶炼工艺、操作水平、以及控轧控冷工艺、参数控制及检验检测及自动化能力的不同而导致不同的轴承钢冶金质量，导致我国高品质轴承用钢需要从国外进口。通过以上对国外先进GCr15轴承钢技术及国外轴承钢技术的比较可以看出，轴承钢技术的先进与否，不仅与轴承钢中夹杂物的数量、尺寸和分布、碳化物的数量、尺寸与分布控制水平密切相关，另外还有成分的均匀性和不同炉次化学成分的一致性有很大关系。因而需要：(1)在工艺上实现轴承钢的控轧控冷，实现轴承钢组织的细化和均匀化；(2)通过对原材料的精确选择和控制，实现轴承钢的窄化学成分范围控制来保证轴承钢性能一致性。与国外相比，我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(中心缩松缩孔和成分偏析)等方面与日本、德国等国外轴承钢发达国家相比具有很大的差距。主要表现在我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：中心缩松与中心偏析大；夹杂物与碳化物的均匀性差：大夹杂颗粒与大碳化物颗粒尺寸超大；另外我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。所以未来我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，达到轴承钢中的氧含量与钛含量分别小于10ppm和15ppm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1m的目标；进一步提高基体组织晶粒度，使轴承钢的晶粒尺寸进一步细化。未来超细晶组织轴承钢将是一个发展方向；三是降低低倍组织缺陷：进一步降低轴承钢中的中心缩松、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表现为带状碳化物或带状铁素体的控制，即轴承钢中带状组织控制。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国外发达国家的渗碳轴承钢与中碳轴承钢的比例相对比例高达30-50%的另外一个原因。除了以上普通民用轴承钢采用电炉或转炉+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+电渣重熔工艺冶炼(SRM)，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中夹杂物的质量，其中真空和自耗的作用分别是显著降低夹杂物体积分数和控制夹杂物分布及尺寸。我国军用轴承钢主要用在飞机发动机、坦克、装甲车及战术导弹等用基础件，其中航空发动机用轴承对钢的要求最高。随着航空发动机设计的进步和传递能量及转速增大、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可达到350500，在新条件下工作的高温轴承要求轴承材料具有高的表面硬度、高耐磨性能、良好的断裂韧性、延展性和冲击韧性，另外腐蚀失效的因素也要考虑在内。目前国内外常用的发动机的主轴轴承用钢，GCr15使用温度低，M50韧性差，均不能满足新一代航空发动机主轴轴承的用钢要求，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，但目前尚未在发动机主轴轴承上应用，因此我国需开展超强高韧性轴承齿轮渗碳钢的应用及工程化研究。目前我国航空发动机仍然大量应用350型的M50等第二代高碳轴承齿轮钢，这限制了我国航空发动机的高温性能、耐蚀性能、以及高转速、长寿命和高推力性能的发展。虽然M50NiL具有比M50更高的寿命和可靠性，如图3a所示，但目前我国尚没有应用，需要进一步进行高性能M50NiL轴承钢以及轴承技术的研究。通过复合的渗碳和渗氮处理后(Duplex hardening)，M50NiL的疲劳寿命与可靠性比M50提高的幅度更大，可以比未复合表面处理的M50NiL的寿命提高10倍以上，如图3b所示。我国采用双真空冶炼工艺生产的高温渗碳轴承钢M50NiL具有较高的纯净度，但由于其钢属于低碳钢，脱氧比较困难，钢中氧含量波动较大，因此控制钢中氧含量和纯净度等双真空冶炼工艺有待进一步研究和优化，以便确保钢中具有低的氧含量和高的纯净度。钢获得超纯净以后，钢中的晶粒度更加难于控制，往往在钢中出现较大的晶粒，如何得到比较细小、均匀的晶粒生产厂有较大的困难，应研究如何控制和细化超纯钢的晶粒度及其均匀性的技术，确保钢中晶粒度符合要求。另外由于M50NiL钢中合金元素含量较高，因此如何控制钢中含有低的有害元素和残余元素也比较困难，需进行深入的合金化与热处理研究。另外，钢厂缺乏后部高质量的精整装备，以及高精度的在线无损探伤设备，也缺乏有效的超纯净钢的评价技术等，这也影响了钢材的质量。图3 350航空发动机用轴承钢的接触疲劳寿命、可靠性及组织细化热处理(a)未复合热处理的M50与M50NiL高温轴承钢接触疲劳寿命与可靠性对比，(b)新型热处理前M50钢的粗大组织结构和(c)新型热处理后M50钢的均匀化与超细化的组织结构三、国外轴承钢及热处理最新进展1.轴承钢组织的细质化与均匀化热处理最近国外报道了一种新型热处理可以大幅度细化9Cr18Mo钢夹杂物、碳化物与基体组织，如图4所示。可以看出，经过新型热处理后，9Cr18Mo的组织结构得到大幅度细化。所以需要研发一种新型的热处理对M50NiL钢进行组织细化研究，从而推进国产M50NiL轴承钢在我国航空发动机上的应用。我国高温渗碳轴承钢M50NiL的接触疲劳寿命目前较国外低，热处理工艺不完善可能是另一个很重要的原因。在我国轴承制造企业，渗碳钢的渗碳热处理是通过多用途渗碳炉中通过碳势的控制，获得所需的碳浓度和渗碳层的深度，常常导致渗层的碳浓度和深度比较不均匀、组织也不理想，并且变形较大。国外多采用真空渗碳热处理工艺，该工艺通过控制炉内压力和流量以及渗碳时间，也可采用真空低压渗碳及等离子渗碳等工艺以获得均匀的碳浓度和渗层深度，可以获得理想的组织并且变形很小，磨加工以后可以保持比较均匀的渗层深度。因此开展真空渗碳热处理的工艺研究，并对热处理后的表层应力分布状态和结构、微观组织、过度层和心部组织与失效以及接触疲劳性能的研究很有必要。另外，据报道国外对渗碳轴承钢进行了新型热处理及表面复合处理研究，并得到了应用，该技术可将轴承的使用寿命提高5-10倍，显示出热处理技术在提高轴承齿轮寿命方面的巨大作用。因此，未来需要开发和完善成分精确控制技术、超纯净冶炼技术、精细组织控制技术等的稳定化工业生产，进行获得最佳性能的热处理技术和表面复合处理技术的研究，以及进行有效的检测及评价技术等以提高高温渗碳轴承钢M50NiL的质量，满足航空发动机对350高温轴承钢的需求。图4新型热处理对9Cr18Mo轴承钢组织细化的影响(a)新型热处理前的粗大组织结构和(b)新型热处理后的均匀化与细化的组织结构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。这样即可以提高强度和硬度，又可以大幅度提高轴承的接触疲劳寿命不小于3倍。图5给出了NSK公司通过特殊热处理对GCr15组织细化的结果。从中可以看出，晶粒细化热处理后，GCr15轴承钢的基体组织从约15m细化到约5m的水平。图6给出了晶粒细化前后轴承钢的疲劳寿命的变化。从中可以看出，细化热处理将轴承钢的接触疲劳寿命提高了4-5倍。 图5 GCr15轴承钢的经过双阶段热处显著理细化轴承钢基体组织图6 高碳轴承钢经过基体组织细化后的轴承接触疲劳寿命得到大幅度提高目前我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，形成轴承钢的特殊热处理技术。同时轴承钢的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，这为我们轴承钢制造的经济性或低成本提供了可能方向。2. 各向同性轴承钢瑞典OVAKO公司最近报道的各向同性轴承及齿轮钢(IQ-Steel)的部分结果，可以看出，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7所示。以轴承齿轮钢的各向同性为例瑞典的OVAKO公司最近报道了各向同性轴承钢。其各种力学性能，特别是钢的冲击韧性在各个方向基本一致，而且其夹杂物水平也得到了大幅度提高。该公司对外宣称可以将不同碳含量和性能级别的轴承钢处理成各向同性轴承钢，体现出国外较高的化学冶金与物理冶金水平。图7 瑞典OVAKO公司各向同性轴承钢的夹杂物、韧性及极限弯曲疲劳强度结果3. 亚稳奥氏体强化轴承钢从常规马氏体淬火后的组织中残余奥氏体的含量一般为6-15%，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），其失稳发生分解为马氏体或贝氏体。分解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甚至正常工作。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，采用较高温度的回火等。但残余奥氏体可提高韧性和裂纹扩展抗力，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，这种情况下在工艺和材料的成分上采取一定的措施来保留一定量的残余奥氏体并提高其稳定性，如加入奥氏体稳定化元素Si、Mn进行稳定化处理等。特殊热处理技术研发：目前国外成功运用了轴承钢的特殊热处理技术，该技术可以将轴承钢的疲劳寿命最高提高了10倍，如图8所示。但我国目前尚没有相关研究报道，需要研发形成超长寿命轴承钢的特殊热处理技术；(2)新型表面处理技术：加工表面粗糙度、轴承钢中残余奥氏体及表面残余应力对轴承寿命影响的研究。目前国外的轴承寿命是国内的2-4倍，其关键原因还在于轴承钢的表面处理技术没有到位。目前国外进行了含大量奥氏体轴承钢，即超长寿命轴承钢研发，比传统轴承钢高出10倍的寿命，其热处理工艺被称为特殊热处理。图8 轴承钢中亚稳奥氏体控制及其对轴承钢力学性能的影响4. 先进高温轴承钢CSS-42L是美国拉特罗布特殊钢公司(Latrobe Sspecial Steel Company)研制的表面硬化型轴承齿轮钢，属于第三代轴承齿轮材料，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。渗碳后碳化物组织细小且分布均匀，如图9a所示，其室温最高硬度可达到HRC68，在430下的最高高温硬度为HRC62，在480500下的最高高温硬度HRC58(如图9b所示)，芯部最高断裂韧性可达到110MPam1/2。滚动接触疲劳寿命试验表明它的L10比M50钢约高出28倍，具有广泛的应用前景。所以利用CSS-42L替代M50等第二代轴承齿轮钢不仅可以大幅度提高轴承齿轮寿命和可靠性，大大降低轴承齿轮的更换频率，还能提高安全性和降低发动机维修成本。近几年我国对CSS-42L第三代轴承齿轮钢进行了跟踪研究、初步试制及应用工作。目前虽然目前已经成功研制并初步成功运用到某型号的航空发动机中央锥齿上，取得了良好的应用效果，但我国CSS-42L航空发动机齿轮应用刚刚起步，用量相当少，有待于进一步推广应用。同时CSS-42L钢还没有被在航空发动机轴承上应用的案例。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。图9 CSS-42L高温轴承钢的渗碳层组织结构及性能(a)渗碳层的均匀细小碳化物组织和(b)各种中高温航空发动机用轴承钢耐温性能的比较，说明CSS-42L具有500的耐高温性能5. NSK公司长寿命轴承研发路线图图10给出了NSK公司的长寿命轴承的研发路线图。可以看出，国外已经将轴承应用技术、材料研发技术与轴承设计制造技术整合成一个完整的核心技术，通过研发、应用、设计制造与选材相结合，体现了新材料、新工艺和环境因素的系统因素，来设计长寿命的高性能轴承钢。这应该是我们未来轴承钢研发、生产、应用的发展方向。图10 NSK公司的长寿命轴承的研发路线图以上对国内外先进轴承钢的发展情况介绍可以看出，国外(主要是欧洲、日本和美国等)已经基本完成对轴承钢中纯净度(夹杂物)的化学冶金行为研究，形成了完备的真空脱气轴承钢的冶炼、连铸和热轧控制纯净度和夹杂物的技术，致使其真空脱气轴承钢夹杂物控制水平和使用性能已经超过电渣钢的水平，达到甚至超过了双真空轴承钢的控制水平。正是因为国外真空脱气轴承的夹杂物控制已经接近甚至达到了极限水平，碳化物控制对轴承寿命的影响已经明显的体现，所以国外的轴承钢研发已经从轴承钢的冶炼、连铸和热轧等化学冶金研究，转移到碳化物控制、基体细化和表面硬化改性等物理冶金的研究。可以说国外的轴承钢研究远远领先我国10年。我国的轴承钢研究不仅要在冶炼、连铸和热轧等物理冶金进行系统深入研究，还要在碳化物控制、基体控制与表面硬化改性等物理冶金展开深入研究，才能达到或超越国外轴承钢生产与应用的水平，促进我国高端装备质量提高和国产化。四、未来轴承及轴承钢发展的几个研究内容和问题国内外未来轴承及轴承钢与合金必然坚持传统轴承材料的性能提升和新型轴承材料研发并举的方向。从国内外的发展现状来看，轴承钢冶炼到成品依然存在高纯净度冶炼、均匀性与一致性连铸、低温控轧控冷和新型的热处理工艺研发。而新型轴承合金则需要兼顾低成本与高性能的发展思路。因此未来轴承钢的发展必然是材料、工艺、装备与应用的发展。为此需要进行以下研究和对以下问题进行思考。1. 几个研究内容(1)真空脱气轴承钢的关键冶炼技术与核心控制机理研究我国真空脱气轴承钢的夹杂物与碳化物控制水平低是我国轴承钢品质低下的一个重要原因，需要展开真空脱气轴承钢在冶炼、连轧、热轧和碳化物控制的全流程研究，形成我国真空脱气轴承钢核心工艺和装备以及高品质真空脱气轴承钢的产品。为此需要展开以下研究：真空脱气轴承钢的原材料窄成分控制技术；真空脱气轴承钢的铁水质量C、Ti与纯净度的控制技术；真空脱气轴承钢的炉外精炼中的超纯化(夹杂物)控制技术；连铸过程中的夹杂物与碳化物的均匀化与细质化控制技术等。研究结果将形成真空脱气轴承钢的核心控制技术与装备， 形成达到国外EP钢和IQ钢等高品质轴承钢产品。(2)开展高纯净度高碳铬轴承钢的双阶段轧制、低温控轧控冷及在线球化处理技术研究通过热轧与热锻过程中的双阶段轧制和低温控轧控冷，实现热轧组织细化及带状碳化物控制，为后续离线或在线退火处理做好组织准备；通过热处理退火，实现钢中网状碳化物碎化和共析碳化物的细化与均匀化；通过新型特殊热处理进一步细化组织和碳化物；通过对钢的低温热处理研究，提高钢的硬度和韧性；通过表面处理与改性，大幅度提高接触疲劳性能；(3)开展中碳及亚共析轴承齿轮钢的研制及热处理技术研究基于国外已经开发出S53C及各种亚共析轴承齿轮钢，确定开展0.4-0.7%碳含量的中碳渗碳钢及亚共析全淬透性钢的成分设计、冶炼、连铸、热轧及退火研究，填补我国中碳渗碳钢及亚共析全淬透钢的缺乏；进行新型中碳及亚共析轴承齿轮钢的应用性能和服役性能研究；基于低中碳轴承齿轮钢的表面渗碳、表面渗氮、表面离子注入及表面复合处理可以大幅度提高钢的接触疲劳性能，确定开展新型轴承齿轮钢的表面处理和改性研究，探讨表面处理对轴承齿轮的服役行为的影响，为我国航空发动机主轴轴承和齿轮以及高铁用轴承的长寿命奠定试验与理论基础。(4)开展新一代航空发动机及其传