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轴承钢研究现状及发展趋势

来源：世展网分类：工业，动力传动行业资讯 2023-04-01 09:23 阅读：*****

轴承钢研究现状及发展趋势王坤^1,2，胡锋^1,2，周雯^1,2，吴开明^1,2(1. 武汉科技大学高性能钢铁材料及其应用省部共建协同创新中心，湖北武汉 430081；2. 武汉科技大学国际钢铁研究院，湖北武汉 430081)

摘要： 中国近年来工业制造领域不断发展，这对国内轴承钢的研发制造提出了新的挑战，高品质轴承钢的研发生产成为当前国内轴承行业亟待解决的问题之一。从轴承钢的分类、性能的主要影响因素以及热处理工艺的发展等方面对国内外轴承钢的研究进展进行了综合论述，提出了发展国内高品质轴承钢需解决的工艺优化、夹杂物与碳化物的控制、检测设备及技术评价指标缺乏等问题的方法，以期实现国内高品质轴承钢的量化生产与应用。

关键词： 轴承钢；质量控制；夹杂物；碳化物；热处理；发展趋势

随着当前社会的飞速发展，轴承钢已广泛应用于工业机械、装备制造、交通运输、航空航天等各个领域。国内的轴承和轴承钢制造行业经过了数十年的发展，逐渐形成了较为完善的工业体系。国内轴承与轴承钢的研发与生产，以及轴承钢产品质量的稳定提升，使中国逐渐成为世界轴承制造大国，并朝着制造强国的目标稳步前进。国内的轴承行业年销售额现今已达到2 000多亿元人民币，并以每年12%～15%的增速高速增长。国内部分大型钢企，如兴澄特钢、宝武钢铁等生产的轴承钢产品均已得到国外著名轴承钢生产企业SKF、FAG等的认可。国内轴承行业虽然近年来已有了长足发展，但是其中存在的问题仍然不能忽视。国内生产的轴承钢主要集中于中低端轴承产品，甚至在低端轴承领域出现产能过剩的情况。而航空航天、高速铁路等领域要求轴承具有良好的强韧性、质量稳定性以及更长的使用寿命，而国内目前难以在高端轴承研发领域取得明显突破，使国内高品质轴承严重依赖进口，这也成为制约中国高端装备制造和战略新兴产业发展的主要因素之一。当前中国高端轴承钢产品的研发水平与瑞典、德国、日本等轴承制造强国差距悬殊较大，轴承钢洁净度低，氧化物夹杂、碳化物不稳定且分布不均匀等因素大幅降低了国产轴承钢的寿命和可靠性，严重影响了国内高端装备制造和战略新兴产业的发展。因此，发展高品质轴承钢是当前中国各科研院所、高校以及轴承钢制造行业的研究重点之一。本文主要从轴承钢分类、性能影响因素、热处理工艺及发展方向等方面综合论述了轴承钢近年来的发展现状。1

轴承钢分类

轴承在工业设备中的主要作用为支撑旋转体，降低其在设备运转过程中的摩擦因数，保证机械设备的运转精度,因此，轴承的工作状态一般为线接触或者点接触。由于接触区域较小，导致轴承在运转过程中需要承受1 500～5 000 MPa的压应力。轴承的工作环境对轴承钢的强韧性、耐磨性以及使用寿命提出了更高的要求，这使轴承钢成为所有合金钢生产要求中最为严格的钢种之一。1976年国际标准化组织ISO将轴承钢分为表面硬化型轴承钢、全淬透型轴承钢、高温轴承钢以及不锈轴承钢等4大类。中国的轴承钢分类与ISO分类基本相同，分别为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢和不锈轴承钢，对应的标准号为GB/T 18254、GB/T 3203、GB/T 1205、GB/T 3086和YB/T 688共计15个牌号。1.1高碳铬轴承钢GCr15高碳铬轴承钢作为世界第1代轴承钢，经过百余年的发展，其化学成分至今未有大的改变。据统计，该钢种的产量至今仍占轴承钢年总产量的80%以上。但轴承设计尺寸的增大、承受载荷的不断增加，要求轴承钢具有更高的强度、更好的尺寸稳定性以及更长的疲劳寿命。铬锰硅系轴承钢因添加了一定量的Si、Mn元素，使得钢材的淬透性有所提升，提高了轴承钢的强度和硬度，并有效改善了钢材的耐磨性能；Mo与Cr、Mn元素共存时，可以改善钢的回火脆性，提升碳化物的稳定性，这对轴承钢的性能改善是至关重要的，由此逐步形成了以铬硅钼、铬锰钼系轴承钢为代表的高碳铬轴承钢。目前，各领域广泛应用的高碳铬轴承钢多数是在GCr15的基础上通过进一步优化合金元素含量得到的，高碳铬轴承钢牌号及其主要化学成分见表1。

1.2渗碳轴承钢高碳铬轴承钢含碳量较高，使得钢材的冲击韧性降低，因轴承钢抗冲击性能和韧性对工作环境要求较高，在低合金结构钢的基础上研发出了渗碳轴承钢。降低轴承钢中的碳含量，对钢材表面进行渗碳处理，最终研发出表面具有更高的硬度和良好的耐磨性、钢材芯部具有良好的韧性的渗碳轴承钢。渗碳轴承钢的代表性钢种有G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G20Cr2Mn2Mo等。赵国防等研究热处理工艺对渗碳轴承钢组织性能影响时的结果表明，钢的表面到芯部的碳含量梯度分布直接影响钢材硬度的梯度分布，由于奥氏体与马氏体比容的不同，导致渗碳处理后的渗层表面存在压应力，提升了钢材的疲劳寿命。图1所示为轴承钢经渗碳热处理后的渗碳层形貌。

燕山大学张福成研究团队开发出了一种渗碳型纳米贝氏体轴承钢，其表层组织如图2所示，该钢的表层组织为高碳纳米贝氏体，芯部组织为低碳马氏体。试验表明，相较于传统马氏体渗碳钢，这种纳米贝氏体渗碳钢的接触疲劳寿命提升了一倍以上，在渗碳轴承钢领域拥有良好的应用前景。

1.3不锈轴承钢典型的不锈轴承钢有马氏体不锈钢(如9Cr18、9Cr18Mo、Cr15Mo4)、奥氏体不锈钢(如1Cr18Ni9Ti)等，国内外主要高碳铬不锈轴承钢的牌号与化学成分见表2。9Cr18、9Cr18Mo等高碳高铬马氏体不锈钢具有较高的硬度和耐磨性，同时，在海洋环境、某些酸溶液、盐溶液中具备优良的耐蚀性，常在耐腐蚀性和耐磨性要求较高的使用工况下应用。奥氏体不锈轴承钢常用于对耐蚀性能要求更高但承受冲击载荷较低的轴承件上，该钢种在多数工作环境中表现出了良好的抗腐蚀性，但由于奥氏体组织的特性，导致该轴承钢无法在强度载荷、耐磨性要求较高的工作环境下应用。

近年来有研究人员研发出了一种具备高耐蚀性的不锈轴承钢G30Cr15MoN，并对比了马氏体不锈钢440C与不锈轴承钢G30Cr15MoN的组织性能。G30Cr15MoN与440C不锈轴承钢的SEM组织形貌如图3所示，研究表明，G30Cr15MoN中细小弥散的碳氮化物Cr2(C, N)与M23C6碳化物之间存在复合强化，从而使得G30Cr15MoN钢具有高硬度和高耐蚀性的优异性能。

1.4高温轴承钢高温轴承钢的工作温度一般为150 ℃以上，随着航空发动机、燃气轮机等大型轴承设备功率的不断提高，轴承的工作温度可达到350 ℃以上，这要求高温轴承钢在高温环境下具备高强度、高硬度、抗氧化性、尺寸稳定性以及耐蚀性等性能。近年来，为满足轴承钢高温环境下的性能要求，高速钢逐渐被应用于轴承钢的研发生产，例如8Cr4Mo4V就是一种添加一定量Mo、V元素的高速钢。Mo元素可提高其高温下的硬度，提升钢材的耐磨性与耐蚀性；V为强碳化物形成元素，与钢中的C形成的VC碳化物可有效提高钢材的耐磨性；同时，W也可提高钢的淬透性和耐磨性能。赵开礼等在高温轴承钢8Cr4Mo4V贝氏体等温淬火工艺的基础上，对8Cr4Mo4V钢进行了不同温度的固溶处理，随后进行260 ℃盐浴处理，研究分析了不同固溶温度对8Cr4Mo4V钢贝氏体组织转变的影响， 8Cr4Mo4V高温轴承钢在不同固溶温度处理并回火后的贝氏体组织如图4所示，结果表明，在1 050和1 065 ℃的固溶温度下，8Cr4Mo4V钢中贝氏体组织更加细小均匀，其冲击韧性也更为优异。

轴承钢性能影响因素

2.1洁净度钢中N、H、O的质量分数是衡量轴承钢洁净度的重要指标。氮在钢中主要以TiN、AlN的形式存在，氧一般以氧化物夹杂的形式存在，氢在钢中易引起氢脆、内裂纹的产生。为了便于分析钢中夹杂物对钢材的影响，通常将夹杂物分为A—硫化物、B—Al₂O₃、C—硅酸盐、D—点状(球状)不变形夹杂物4类。夹杂物的存在破坏了钢基体结构的连续性和均匀性，在交变载荷的影响下，存在夹杂物的部位易产生应力集中，导致轴承疲劳剥落。当应力集中更为严重时，则会萌生微裂纹，裂纹的不断扩展将会导致轴承失效。氧化物夹杂为非金属夹杂物中对轴承疲劳寿命危害最大的缺陷，钢中氧质量分数的增加导致氧化物夹杂明显增多，氧化物夹杂的数量和尺寸均是影响轴承疲劳寿命的重要因素。日本山阳特钢、瑞典SKF公司等著名轴承制造企业近年来对冶炼工艺不断改进，钢中氧的质量分数目前已经能够稳定控制在0.000 4%～0.000 6%，产品的质量稳定性与使用寿命均得到极大的提升。近些年，国内虽然对钢中氧的质量分数的控制已逐渐向欧美标准靠近，但由于钢中氧质量分数的波动较大，导致产品质量稳定性不足。另外，由于Ti为强碳、氮化物形成元素，若控制不当，Ti易与钢中C、N、O等元素形成氮化钛、碳氮化钛夹杂物，严重降低轴承钢的疲劳寿命。国内外轴承钢生产企业对钢中Ti质量分数的控制都有着严格要求，SKF生产标准规定轴承钢中残余Ti质量分数不高于0.001 2%、山阳特钢要求Ti的质量分数应控制为0.001 4～0.001 5%。2.2碳化物与组织缺陷轴承钢洁净度的提高，使得碳化物的尺寸与均匀性对轴承疲劳寿命的影响更为显著。研究表明，钢中碳化物的尺寸越大、均匀程度越低，轴承失效的概率越大；碳化物的含量越低，轴承的疲劳寿命越长。轴承钢中含有较多的合金碳化物形成元素，如Mn、Cr、Mo等元素极易引起碳化物发生偏析现象，导致碳化物分布不均匀，从而降低轴承的疲劳寿命。钢中的碳化物存在形式主要表现为碳化物液析、网状碳化物以及带状碳化物3种。随着冶炼质量的提升，碳化物液析随之消除；而网状碳化物需通过一定的热轧工艺(如控轧控冷)才能进行消除；对于中碳轴承钢或渗碳轴承钢，由于其碳含量较低，主要以带状碳化物的控制为主，需通过球化处理以细化碳化物，提升碳化物在钢中的均匀性。高端轴承钢在对钢中碳化物的精细控制之外，对低倍组织的要求也极为严格，中心疏松、缩孔、偏析等组织缺陷需要控制在一个极低的水平，以达到高品质轴承钢的产品质量标准。目前国内轴承钢生产企业对于组织缺陷、尺寸精度等方面的控制与瑞典、日本等轴承制造强国还有较大的差距，在对碳化物、夹杂物的尺寸、均匀性控制的同时，还需要严格控制疏松级别，避免组织中出现白点、缩孔等组织缺陷，以提高产品质量的稳定性。2.3冶炼工艺近年来国内兴澄、大冶等大型轴承钢制造企业随着冶炼工艺的不断提升，其轴承质量逐渐得到国外先进轴承企业的认可。国内当前的冶炼工艺已逐渐与国际先进特钢生产企业接轨，普遍采用废钢+高炉铁水→超高功率电弧炉冶炼→LF精炼→VD/RH真空脱气→IC/CC的冶炼工艺流程，国内先进轴承钢生产企业的冶炼工艺流程见表3。

基于当前的冶炼工艺和先进冶炼设备，国内轴承钢的氧质量分数基本可以控制为0.000 6%～0.000 8%，一些先进钢企对钛质量分数的控制甚至可以达到0.001 5%，钢中夹杂物的控制水平有了显著提升。但对于冶炼过程中的精细化控制，如成分、工艺参数控制的不足，检测技术的欠缺使国内轴承钢产品质量稳定性得不到保证，不同批次产出的钢材性能差异较大，特别是高端轴承钢的产品质量不能得到有效保证，轴承钢中碳化物分布、低倍组织缺陷控制等方面与国际制造水平相比仍有较大的提升空间。鉴于此，国内可以引进如真空感应+真空自耗(VIM+VAR)等国外先进冶炼工艺，以提高轴承钢的洁净度，改善钢中夹杂物与碳化物的尺寸及分布均匀性。3

热处理工艺

对热处理工艺进行改进，不仅可以细化晶粒，还可以细化碳化物、改善碳化物分布的均匀性。传统高碳铬轴承钢中高硬度的马氏体使该钢种具有良好的耐磨性以及优异的抗接触疲劳性能，但由于韧性较差，淬火时工件表面易存在残余拉应力，而且其氢脆敏感性较高，使高碳铬轴承钢在性能要求较高的工作环境中的使用寿命大大降低。为此，在传统马氏体淬回火工艺的基础上，研发出了贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体复相淬火等新型热处理工艺。以GCr15高碳铬轴承钢为例，图5所示为该钢种的3种常用热处理工艺。工艺1为常规马氏体淬回火工艺；工艺2为贝氏体等温淬火热处理工艺；工艺3为马氏体-贝氏体复合淬火热处理工艺。图6所示为GCr15轴承钢分别在马氏体淬回火、贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体复相淬火以及贝氏体变温淬火工艺下的热处理后的组织形貌图。

3.1球化退火轴承的常规热处理包括球化退火和淬火+低温回火两部分。球化退火一方面使球状碳化物颗粒均匀分布在铁素体基体上，从而上得到粒状珠光体组织；另一方面，球化退火可以降低材料硬度，使钢材获得良好的切削加工性能，为终处理(淬火+低温回火)做好组织准备。杨洪波等对GCr15轴承钢进行不同球化退火时间处理并进行马氏体-贝氏体复相淬火工艺后发现，随着球化退火时间不断增加，贝氏体铁素体片条呈逐渐变宽的趋势，GCr15轴承钢在不同球化退火时间下等温淬火后SEM组织形貌如图7所示，当退火时间为150 min时，贝氏体铁素体片条变窄。分析表明，当球化退火时间为150 min时，在下贝氏体转变过程中，大量未溶碳化物阻碍了贝氏体铁素体片条的长大，使得畸变能增加，促使新的贝氏体铁素体片条产生，因此球化退火时间直接影响钢中碳化物的分布，对球化退火时间的精准控制可以细化贝氏体铁素体片条尺寸，从而有效提高了轴承钢的综合性能。

常规球化退火冷却速度一般为10～25 ℃/h，冷速过快，会对切削加工不利；过慢则会导致碳化物尺寸增大。因此，研发出了等温球化退火工艺，该球化退火工艺的加工时间一般可缩短至10～18 h；James M等提出了另一种可缩短加工时间的周期性球化退火工艺，但该工艺的热处理控制步骤较为繁杂，在实际的生产应用中受到了一定的限制。3.2马氏体淬回火工艺对预处理(球化退火)、淬火后的钢材进行了低温回火，以提高轴承钢的强度、硬度、耐磨性与疲劳寿命。终处理(淬火+低温回火)的加热温度一般为Ac1～Accm。以GCr15轴承钢为例，淬火温度一般为820~860 ℃，温度过高或过低都会影响钢材的综合性能。低温回火温度一般为150~170 ℃，为得到较为稳定的回火组织，尽可能消除组织中的内应力，应保证较长的回火时间。GCr15轴承钢马氏体淬-回火后的组织形貌如图8所示，对GCr15轴承钢进行了850 ℃保温30 min的淬火处理和160 ℃保温3 h的低温回火处理，最终得到由回火马氏体、少量残余奥氏体及碳化物组成的回火组织。

3.3贝氏体等温淬火工艺随着对轴承钢性能要求的不断提高，轴承钢的淬火-回火工艺也在不断改进。高碳铬轴承钢通过下贝氏体等温淬火处理，得到由下贝氏体、马氏体、残余奥氏体及碳化物组成的最终组织。张增歧等研究表明，经过贝氏体等温淬火后的GCr15轴承钢，其冲击韧性比常规马氏体淬回火处理后的钢材冲击韧性提升了一倍以上。ZHAO J 等在200 ℃温度下对高碳铬轴承钢分别进行了2、6、12、72 h的等温淬火处理，得到体积分数为2.1%、40.8%、60.2%、86.6%的针状贝氏体组织，图9所示为200 ℃下两种样品分别等温6 h和12 h后的透射电镜图，可以观察到由板条状贝氏体铁素体、薄膜状残余奥氏体及ε-碳化物组成的最终组织，通过平均线截距法测量并校正数据，得出该组织为纳米贝氏体板条，其平均厚度约为50 nm±15 nm。

燕山大学张福成等研究发现，与常规热处理工艺相比，纳米贝氏体轴承钢热处理工艺具有更低的等温温度，增大了相变的驱动力，增加了贝氏体的形核点。但该工艺的不足之处是延长了贝氏体转变过程中的等温时间，增加了生产制造成本，因此对于纳米贝氏体热处理工艺，应进一步优化其成分设计，改善热处理工艺，以缩短贝氏体转变过程中的形成时间，降低生产的制造成本。

轴承钢发展方向

随着国内工业制造领域的不断发展，中国立足于国际产业变革大形势，作出了“中国制造2025”国家战略部署。作为装备制造领域不可或缺的关键零部件之一，轴承关系着国内工业领域高端制造的未来发展方向，决定着中国向世界制造强国目标的迈进。总体来看，中国轴承行业经过近几十年的发展已有了显著提升，但在高端轴承领域，由于对钢中夹杂物、碳化物的尺寸与分布以及低倍组织缺陷的控制精细程度不足，使高品质轴承产品的质量稳定性得不到保障。鉴于此，未来国内轴承行业为满足高端轴承产品的长寿命、高可靠性要求，其研究方向可从以下几个方面考虑。(1)工艺改进。基于轴承钢的常规马氏体淬回火处理，已陆续研发出贝氏体等温淬火、马氏体-贝氏体等温淬火、贝氏体变温淬火等新的热处理工艺。针对当前研究较多的贝氏体轴承钢，首先，应注意贝氏体等温淬火工艺的适用性，热处理工艺的选择应根据轴承的工作环境以及实际使用性能要求来确定；其次，对于贝氏体等温淬火介质的改良，未来应尽量避免过多使用有毒的硝盐，研发更环保的淬火介质；第三，由于贝氏体等温温度较低，导致整个热处理过程加工时间过长，这无疑增加了企业制造成本，因此对于贝氏体转变时间的缩减应是未来的研究重点之一。此外，国内轴承钢的冶炼工艺流程虽基本与国际水平接轨，但国内废钢冶炼占比较大，精炼过程中真空度不达标，钢中氧含量波动偏大，导致非金属夹杂物、碳化物的控制难以达到评级标准。最后，还应借鉴国外真空脱气、夹杂物均匀化等先进冶炼工艺，实现超洁净、超长寿命轴承钢的国产化。(2)内部质量控制。第一，对于氧质量分数的控制以及夹杂物在钢中的分布均匀性应有更为精细的检测与控制标准，未来对于钢中氧的质量分数应稳定在0.000 6%以下，钛的质量分数应小于0.001 5%，降低或消除钢中硬脆夹杂物导致的疲劳剥落与断裂，将夹杂物对钢材质量的影响降到最低；第二，针对国内轴承钢较为突出的碳化物不稳定甚至是超标问题，应通过控轧控冷、周期性球化退火以及循环感应球化退火等先进工艺，尽可能消除钢中的碳化物偏析，提升碳化物分布的均匀性，实现组织细化与均匀化；第三，优化冶炼过程中的连铸工艺，减少钢中的低倍组织缺陷，降低铸坯中心疏松、缩孔，严格控制成分偏析，改善连铸坯的质量。(3)表面改性。针对日益复杂的工作环境，尽可能基于表面渗碳、碳氮共渗等原有的表面处理工艺，结合表面涂层、熔覆等新的表面改性技术，实现对材料表面性能的优化，延长轴承的疲劳寿命，开发出适应不同工作环境的轴承钢产品，实现轴承钢由单一性向多元化的特色发展。(4)检测设备与技术评价标准。首先，国内轴承行业生产集中度低，各轴承制造企业的产品质量参差不齐，由于大部分中小企业高精密检测设备缺乏，诸如微观夹杂物、网状碳化物、表面缺陷等很难被检出，最终导致不合格产品流入市场；其次，国内轴承行业标准对于部分有害元素含量、夹杂物以及碳化物的尺寸及分布未做评级要求，对于脱碳层、尺寸精度的控制不够严格；另外，目前国外对于钢中残余奥氏体及残余应力的检测评定均有相关控制标准，而中国对于钢中残余应力的检测分析尚未纳入控制指标，对此今后应结合国内外轴承行业发展实际情况，制定统一的技术评价体系以及完备的检测评级标准，严格控制产品质量，提升国内轴承产品的质量稳定性。

参考文献

略。

引用本文

王坤, 胡锋, 周雯, 吴开明. 轴承钢研究现状及发展趋势[J]. 中国冶金, 2020, 30(9): 119-128. WANG Kun, HU Feng, ZHOU Wen, WU Kai-ming. Research status and development trend of bearing steel[J]. China Metallurgy, 2020, 30(9): 119-128.

免费下载全文链接

http://www.zgyj.ac.cn/CN/Y2020/V30/I9/119

来源：《中国冶金》