发布时间 : 星期四 文章国内外轴承钢发展现状及方向更新完毕开始阅读476fcda12af90242a895e5eb
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臵，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
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触应力(一般高达1500-5000N/mm)、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。
10L10 & L50, (Contact fatigue life)9 108 L50 L107Bearing life (n)10810 107106
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
1000 101E-51E-41E-30.010.11103Total length of the carbides (mm/mm)6105110Carbides volume fraction (%)L10, Fatigue life (10)Failure probility (%)3000/DAV1.1 EAM EAM+VD VIM+VD 1 6 101550/DAV11.17500/DAV1.1
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
101001000DAV, Average size of inclusions(?m) 0.01710 Carbide size 2.5-3.5?m 0.5-1.0?m10Fatigue life (n)8109 1000.1
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11μm；硫含量达到20-30ppm、Ti达14-15ppm。氧化物颗粒在11μm，而传统工艺夹杂在20μm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→150×150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[H]≤1ppm(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0.5μm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臵、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。