国内外轴承钢发展现状方向

1、国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.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 承受各类髙的交变应力，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（一般髙达1500-5000M/mnO、多次循环接触疲劳应力以及滑动磨损的工作环 境，要求轴承有髙抗塑性变形

2、，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，但基本上可分为髙碳鎔轴承钢、渗碳轴承钢、中碳轴承钢、 不锈轴承钢、髙温轴承钢及无磁轴承钢等系列钢种。（1）高碳鎔轴承钢：高碳鎔 轴承钢是轴承钢的代表钢种：GCrl5. GCrl5SiMn. GCr4. GCrlSSiMo. GCrl8Mo 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%）

3、 o我国高碳僭轴承钢的冶金水平、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 成为我国髙铁、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

4、轴承，SOCrNi. SOCrNiL. 42CA1。、 65Mn2. 70Mn2等。目前我国没有专用中碳轴承钢，需要规化和新型钢种研发； （4）髙裕不锈承钢：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，9Crl8和9Crl8Mo。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、 耐髙温氧化性、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“C； CSS-

5、42L,可以使用到500C以 上；X30钢是一种高氮（0. 42%）的超高强不锈钢，耐蚀性能比M50髙出几十倍。 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。 我国髙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： 髙强度和髙硬度（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

6、承合金材料。总的来说我国的高碳辂轴承钢的韧性差、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，第二代髙温轴承钢批量稳定性不资料 足和第三代髙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 前髙硬度髙耐磨类型的全淬透性髙碳絡轴承钢，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髙韧性的方向发展O 对于目前应用量最大的高碳鎔轴承钢，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。 为了提髙轴承的可靠性，出现了渗碳轴承钢和中碳轴承钢，在表面渗碳和表

7、面处 理的条件下大幅度提髙了轴承的可靠性。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 的发展从有到低Ct甚至无Cr发展，降低成本；从髙碳向渗碳发展，降低二 次碳化物，提髙寿命和可靠性；从普通向耐蚀发展，提髙耐蚀性及其特殊用途； 从低合金到髙合金发展，拓展轴承钢使用围。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%

8、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髙比例可能与使用环境与使用条件对 轴承钢的较髙的韧性要求有关。目前国外应用最多的中碳轴承钢为表面感应淬火 的42CrMoo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，应用在髙速电机 和精密机床等髙端装备领域。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， 提髙轴承钢

9、使用的可靠性。但目前国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 髙轴承钢

10、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lOppm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Sppm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。随着钢的髙纯净度冶炼平台(分电炉与转炉两个系统)的完善和轴承钢

11、纯净度的提髙，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。因此在髙纯度冶炼平台下控制碳化资料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，从低合金到髙合金，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 随着碳含量的提髙和

12、合金元素含量的增加而增加。对过共析轴承钢，以髙碳轴承钢GCrl5为例，轴承钢的冶炼质量要求很髙, 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 la所示，轴承钢的接触疲劳寿命随着单位体积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

13、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lb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 髙。通过图lb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o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

14、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 髙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，需要通过轧前的髙温成分均匀化来加 以消除。Total length of the carbides要盖 3 odOLICarbides volume fraction (%)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资料100D.v Avcracc size or

15、mclusionMpm)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电炉一LF精炼炉一RH精炼炉一连

16、铸或模铸一初轧一三棍行 星轧机或大型轧机一无损探伤一修磨一连轧机组一无损检验一连续炉球化退火 f无损检测一检验入库。它的质量控制水平为钢中0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11 Pm；硫含量达到20-30ppm、Ti达 14-15ppmo氧化物颗粒在11 Um,而传统工艺夹杂在20 u m以下。化学成分波动 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：loot电炉f LFV精炼炉f模铸f均热炉f初轧f火焰淸理 -150X150坯料一检验、喷丸.修磨一加热一除鳞一轧制一冷却一剪切一打包 f发货。它的质量控

17、制水平为0含量在5-8ppm,且偏差值低（0. 5ppm） ； Ti含 量波动在8-12ppm,钢中HWlppm（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o从国外髙品质轴承钢的生产装备来看，国外普遍釆 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，

18、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0.5um以下，来保证轴承钢髙的接触疲劳 寿命。国以兴澄特钢、宝钢特材、东北特钢和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 量的最髙水平。兴澄特钢：（1）生产工艺流程：高炉铁水+优质废钢一loot EAF 超髙功率偏心底出钢直流电弧炉-loot LF精炼炉一loot VD真空脱气

19、炉f大方 坯连铸CC-热送一热装一加热一连轧轧制（一抛丸一矫直一涡流探伤一超声波 探伤）；（2）主要质量指标控制措施：纯净度控制釆用优质的高炉铁水、废钢和铁 合金等原材料、釆用优质耐材及辅材、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、釆用真空处理、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岀钢量，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

20、规和工艺稳定；（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.资料Cu等低熔点元素的含量，采用优质保护渣，釆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超髙功率直流电弧炉+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

21、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，导致我国髙品质轴承用钢需要从国外进口。通过以上对国外先进 GCrl5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

22、制，实现轴承钢的窄化学成分围控制来保 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（0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，

23、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lOppm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1 Um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

24、钢的髙 韧性化：通过新型合金化、热轧工艺优化与热处理工艺研究，大幅度提髙轴承钢 的韧性，从而提高轴承的可靠性。与GCrl5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

25、+真空自耗的双真空（VIM+VAR）或+多次真空自耗等工艺来进一步 提髙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。随著航空资料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350500C,在新条件下工作 的髙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。目前国外常用的发动机的主 轴轴承用钢，GCrl5

26、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MSONiL和CSS-42L具有髙强韧.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髙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350C型的M50等第二代髙碳轴承齿轮钢, 这限制了我国航空发动机的髙温性能、耐蚀性能.以及高转速、长寿命和髙推力 性能的发展O虽然MSONiL具有比M50更高的寿金和可靠性，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

27、渗氮处理后(Duplex hardening), MSONiL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MSONiL的寿命提髙10倍以 上，如图3b所示。我用双真空冶炼工艺生产的高温渗碳轴承钢M50NiL具有较髙 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髙的纯净度。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

28、度符合要求。另外由于MSONiL钢中合金元素含量较髙，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。IC10 100 t. Running time (h)10S 一 qojdpnlfflu.SLLJC110 100 1000 t. Running time (h)10MsOJd2三-出.(一辽图3 35(TC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MSONiL髙温轴承钢接触疲劳寿命

29、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9CrlSMo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，9Crl8Mo的组织结构资料 得到大幅度细化。所以需要研发一种新型的热处理对MSONiL钢进行组织细化研 究，从而推进国产MSONiL轴承钢在我国航空发动机上的应用。我国高温渗碳轴 承钢MSONiL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

30、钢的渗碳热处理是通过多用途渗碳炉过 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

31、用寿命提髙 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髙高温渗碳轴承钢M50NiL的质量，满足航 空发动机对35(rc高温轴承钢的需求。图4新型热处理对9Crl8Mo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髙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

32、大幅度提髙 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GCrl5 组织细化的结果。从中可以看出，晶粒细化热处理后，GCrl5轴承钢的基体组织 从约15um细化到约Sum的水平。图6给岀了晶粒细化前后轴承钢的疲劳寿命 的变化。从中可以看岀，细化热处理将轴承钢的接触疲劳寿命提高了 4-5倍。图5 GCrl5轴承钢的经过双阶段热处显著理细化轴承钢基体组织资料10000097- x ssuanbas B ) 2=詐ol0011000070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

33、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髙轴承钢 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, 可以看岀，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

34、到了大幅度提髙。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，体现岀国外较髙的化学冶金与物理冶金水平。LcogitudmalTransverse1152500.1UJE 6Uuoynpc二5020-40-20020Testing temperature (C)o OO 52 100150Routing bonding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资料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

35、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。对尺寸精度要求较髙的 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, 采用较髙温度的回火等。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 并提髙其稳定性，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 承钢的疲劳寿命最髙提髙了 10倍，

36、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 轴承钢髙出10倍的寿命，其热处理工艺被称为特殊热处理。wvASipir-TFi4A A化i(rct tenant c Mma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

37、 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，其室温最髙硬度可达到HRC68,在43（TC下的最髙髙温硬度为HRC62, 在480“C50CTC下的最髙髙温硬度HRC58（如图9b所示），芯部最髙断裂韧性可 达到llOMPa ml/2o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 大幅度提髙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

38、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资料 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。UX COO1000l ent Temperature. F图9 CSS-42L髙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

39、(b)各种中髙温航空发动机用轴承钢耐温性能的比较，说明CSS-42L具有 50CTC的耐髙温性能5. NSK公司长寿命轴承研发路线图图10给岀了 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。农研处理离性能材科图10 NSK公司的长寿命轴承的研发路线图以上对国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

40、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资料 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

41、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容和问题国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髙性能的发展思路。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

42、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髙品质真空脱气轴承 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钢等髙品质轴承钢产品。(2) 开展高纯净度高碳钻轴承钢的双阶段轧制、低温控轧控冷及在线球化处理技

43、 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，大幅度提髙接触疲劳性能；(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