发布时间 : 星期五 文章国内外轴承钢发展现状及方向更新完毕开始阅读476fcda12af90242a895e5eb
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480℃～500℃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110MPa〃m1/2。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，国内外新技术通过研发、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NSK长寿命轴承集成技术系统因素，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、先进国家的轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面远远领先于我国，生产、大概是我们同类轴承的2-4倍，究其原因，不外乎轴承质量与设计制造技术的先应用的发展方向。 进，下图给出了NSK公司的长寿命轴承的研发路线图。应用环境相关表面处理热处理高性能材料 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，体现了新图10 NSK公司的长寿命轴承的研发路线图 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、日是我们未来发展的方向。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动系统齿轮轴承钢的研制
开展新一代代航空轴承齿轮材料制备与产业化。该材料在国家战略和军用和民用领域均有迫切需求，已经成为我国新一代航空发动机研发与产业的技术瓶颈。需要开展耐高温、耐蚀高强韧渗碳轴承钢(CSS-42L)工程化和应用技术研究。研究钢的冶炼、热加工和热处理和质量控制等生产工艺技术；研究轴承零件热加工、
冷加工和热处理工艺技术；研究组织、性能及表面强化机理；制定材料的控制标准。形成稳定的双真空冶炼工艺、热加工和热处理工艺规程，确保钢满足使用的要求。
(5)开展350公里时速高速列车轴承钢及其关键技术的研究
开展高性能渗碳轴承钢和全淬透轴承钢等钢种及其工艺的研发，确定符合服役环境的渗碳轴承材料成分体系和工艺体系，开展轴承齿轮表层强化硬化与精密热处理技术研究，研制材料具有高强韧、耐磨、润滑减磨、尺寸稳定性以及超长接触疲劳寿命和高的旋弯疲劳强度。开展轴承性能台架试验和试车考核。实现高铁轴承材料及其轴承工程化和产业化。
(6)开展航空高氮不锈轴承钢及其关键技术的研发
基于高铬成分体系，通过增氮降碳，细化碳化物，进而提高轴承材料接触疲劳寿命；研究钢的氮稳定加入和成分的精确控制与高纯净化的冶炼技术；研究高均匀细化的组织控制的热加工工艺技术；获得优良综合性能的热处理工艺技术；研究轴承零件热加工、冷加工和热处理工艺技术；研究氮对组织、性能影响的机理；制定材料的控制标准。形成稳定的冶炼工艺、热加工和热处理工艺规程，确保钢满足使用的要求。开发规格品种齐全，质量稳定高氮轴承材料，首先应用在航空，随后推广应用到航天、舰船上。
(7)展开高端装备用高品质轴承钢基础数据研究
鉴于我国目前高端装备用轴承寿命远低于国外，需要进行精密机床用轴承、高速电机用轴承、高速冶金轧机用轴承、3MW以上风电机组用轴承和量大面广的汽车用第三代轮毂轴承等用轴承钢材料品种与相关基础数据研究，为高端装备设计与制造形成基础数据库，促进高端装备的国产化。 2.几个发展问题
(1)脱气钢与电渣钢的高纯净冶炼：如何实现轴承钢生产的自动化定量控制以实现轴承钢质量稳定性？电渣钢的氧含量可否小于10ppm的铸坯？
(2)N含量与稀土的合金化作用：氮与碳均为马氏体形成主要元素，氮能否部分或全部替代轴承钢中碳？超高纯条件下N和Re合金化作用是什么？
(3)均匀性铸坯：连铸钢的设备如何改造来适合高均匀性铸坯？垂直连铸、立弯式连铸与弧形连铸如何影响夹杂物与均匀性？
(4)轴承钢控轧控冷：铸坯非均匀冷却与控轧控冷和动态再结晶如何结合才能控制网状碳化物与带状组织？冷却装备如何设计？
(5)传统轴承钢性能提升：如何根据轴承钢的纯净度划分传统轴承钢级别(普通、优质与特优)，实现轴承钢经济洁净度？
(6)新型轴承钢研发：未来渗碳钢、中碳钢和全淬透钢均需表面超硬化处理，未来渗碳轴承钢和全淬透轴承钢概念是否存在？低成本功能性轴承钢与合金元素含量的关系？
(7)轴承钢分步热处理作用：轴承钢的最终状态是层状复合组织，如何合理安排轴承制造过程中的分步热处理？
(8)轴承钢基础数据库：轴承钢或合金的哪些力学性能、物理性能、化学性能、生产工艺参数和制造工艺参数应该包含在轴承钢数据库？
(9)轴承钢质量定量评价：是否需要建立从表面质量、低倍组织、宏微观夹杂物与碳化物的定量检测设备、标准？