发布时间 : 星期六 文章国内外轴承钢发展现状及方向更新完毕开始阅读476fcda12af90242a895e5eb
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1μm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350～500℃，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。
100F(t), Failure probility (%) 1 M50NiL M50110t, Running time (h)100110 M50NiL-DH M50-DH100t, Running time (h)1000 10F(t), Failure probility (%)(a)100 (b)10
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15μm细化到约5μm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