我國軸承用材料及熱處理技術(shù)近期發(fā)展動態(tài)

雷建中,梅亞莉

(洛陽軸研科技股份有限公司 金屬材料開發(fā)部，河南 洛陽 471039)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

軸承材料和零件熱處理質(zhì)量的優(yōu)劣對軸承的使用性能、壽命和可靠性的影響顯著。

隨著GB/T 18254—2002《高碳鉻軸承鋼》和JB/T 1255—2001《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》的頒布實施，以及對國外先進技術(shù)的引進、消化、吸收，我國在軸承鋼的冶煉工藝裝備和軸承零件熱處理工藝裝備方面有了長足的進步，從而使軸承用材料質(zhì)量、軸承零件的熱處理質(zhì)量得到穩(wěn)步提高。

在肯定成績的同時，也必須看到所存在的不足，以確定“十二五”期間的發(fā)展方向。

1.1 軸承用材料存在的不足

1.1.1 種類較少，鋼種研發(fā)和應(yīng)用存在差距

近年來，隨著主機向著節(jié)能、高效、環(huán)保和長壽命方向的發(fā)展，對其配套軸承的要求也越來越苛刻。為了保證長使用壽命和高可靠性，除了不斷提高已有軸承材料的質(zhì)量外，針對軸承的具體使用工況進行材料的個性化設(shè)計是目前的發(fā)展方向。

由于我國冶金行業(yè)與軸承行業(yè)之間存在著嚴重的脫節(jié)，兩者只存在簡單的供需關(guān)系，尚未建立起類似發(fā)達國家共同研發(fā)和推廣應(yīng)用的合作機制。此外，材料標準更新周期過長，新鋼種無法納入標準體系也是制約新材料推廣應(yīng)用的重要因素。

1.1.2 產(chǎn)品質(zhì)量與發(fā)達國家存在較明顯差距

(1)由于軸承用材料主要以GCr15鋼為主，每年的需求量高達200多萬噸，噸鋼的利潤較高，因此導(dǎo)致生產(chǎn)GCr15軸承鋼的企業(yè)逐年增多，甚至一些以生產(chǎn)普鋼為主的企業(yè)也加入進來。造成生產(chǎn)廠家眾多，在生產(chǎn)工藝、裝備、材料來源、技術(shù)力量、檢驗水平及鋼材價格等方面差異較大，加之軸承生產(chǎn)企業(yè)固有的重價格理念，嚴重制約了我國軸承鋼質(zhì)量的進一步提高。

(2)在GB/T 18254材料標準中尚未根據(jù)不同軸承在使用壽命和可靠性方面的具體要求，設(shè)定不同的質(zhì)量控制指標。所以，無法在軸承標準中強制使用優(yōu)質(zhì)或高級軸承鋼。而國外著名軸承公司所生產(chǎn)的汽車、電動機及軋機等軸承均選用長壽命、高可靠性的軸承鋼。

(3)生產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差。

(4)目前我國生產(chǎn)的GCr15軸承鋼中氧含量基本滿足GB/T 18254標準的要求，部分鋼廠能將氧含量穩(wěn)定在7×10-4%左右。但在追求低氧含量的同時，缺乏對非金屬夾雜物(特別是B類和D類)改性、顆粒大小及分布狀態(tài)等方面的深入研究，導(dǎo)致非金屬夾雜物顆粒較粗大，分布也不均勻。另外，為了保證軸承具有高可靠性，國外經(jīng)過多年的研究，提出了針對D類(點狀不變形)夾雜物最大顆粒平均尺寸的控制標準，即Ds值。但我國目前尚未將Ds值的具體控制指標納入到現(xiàn)行標準中。

(5)碳化物不均勻性(包括碳化物網(wǎng)狀、碳化物帶狀及碳化物液析)明顯落后于發(fā)達國家的材料水平。

1.2 軸承零件熱處理存在的不足

1.2.1 觀念上的差別

熱處理是軸承制造過程中的中間工序，又較難用具體數(shù)值反映質(zhì)量的優(yōu)劣，不如磨削加工以精度值評定直觀。長期形成的“重冷輕熱”觀念雖有改善，但與國外著名軸承公司相比，仍有較大差距。

1.2.2 缺乏高水平的技術(shù)人員

目前我國正處于工業(yè)化發(fā)展進程中，急功近利思想較為突出。由于重商、重經(jīng)濟、輕技術(shù)思潮的影響，原從事熱處理技術(shù)工作的人員改行較多，新畢業(yè)的熱處理專業(yè)大學生從事本專業(yè)僅為20%左右，而且穩(wěn)定性較差。另外，由于部分民營企業(yè)缺乏對熱處理產(chǎn)品質(zhì)量重要性的深刻認識，以及員工流動性大的特點，導(dǎo)致熱處理操作和檢驗人員缺乏系統(tǒng)的技能培訓(xùn)。

1.2.3 工藝技術(shù)裝備上的不足

(1)工藝技術(shù)缺乏創(chuàng)新性，標準單一， 工藝技術(shù)要求與軸承的實際使用工況嚴重脫節(jié)。

(2)部分中小型民營企業(yè)的熱處理缺乏基本的工藝技術(shù)支撐和必備的檢驗儀器。

(3)國外著名軸承公司在20世紀80年代已全面采用了可控氣氛熱處理技術(shù)，而我國軸承熱處理正處于由保護氣氛向可控氣氛熱處理的轉(zhuǎn)型期，裝備比國外落后近20年。

(4)我國軸承行業(yè)大部分熱處理裝備能耗高、部件壽命短(尤其是加熱體、耐熱材料)、控溫精度低及維護成本高。

1.2.4 質(zhì)量上的不足

(1)脫貧碳較嚴重。目前我國軸承零件熱處理(淬、回火)后的表面脫碳層深度控制指標根據(jù)軸承零件的類型及尺寸確定，范圍為0.05～0.20 mm，并允許有全脫碳層(鐵素體層)存在。這與表面脫碳層深度≤0.03 mm，不允許有全脫碳層(鐵素體層)存在的國外標準有著明顯的差距。造成這種現(xiàn)象的主要原因是目前軸承行業(yè)普遍采用保護氣氛加熱的方式。

(2)畸變量大。軸承零件淬、回火處理后畸變量較大是軸承行業(yè)長期以來一直存在的問題。其產(chǎn)生的原因眾多且復(fù)雜，例如原材料中帶狀碳化物嚴重程度、退火組織優(yōu)劣、冷加工成形應(yīng)力大小、熱處理工藝及零件擺放方式(國外著名軸承公司網(wǎng)帶式淬火爐只允許擺放一層，而且每個零件之間要有間隙，以保證零件周圍溫度場的均勻性。而我國絕大部分企業(yè)為了提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，均采用多層擺放的方式)、冷卻介質(zhì)的合理選擇及冷卻性能的有效保證、入淬火介質(zhì)方式等。

在國外，對于公稱尺寸≤150 mm的套圈，主要是通過對以上綜合因素的合理控制保證小的畸變量，控制指標為公稱尺寸的1‰～1.5‰。而對于公稱尺寸>150 mm的套圈，在淬火后普遍采用壓模淬火整形保證小的畸變量。在我國，壓模淬火技術(shù)主要用于滲碳軸承零件的淬火畸變量控制。

(3)質(zhì)量一致性較差。由于我國軸承零件材料中的帶狀碳化物較嚴重，退火質(zhì)量控制較松，淬、回火后脫碳層較深及畸變量較大，擺放方式及淬火介質(zhì)選擇不當及過程控制粗放等因素的影響，導(dǎo)致同批次熱處理后的質(zhì)量一致性較差。例如，同批次熱處理后的組織差1～2級，硬度帶寬2～3 HRC。

2 “十二五”期間的發(fā)展方向

2.1 軸承用材料方面

(1)以洛陽軸研科技股份有限公司為依托，組建國家級的“軸承工程材料”重點實驗室。并與我國特殊鋼生產(chǎn)骨干企業(yè)形成戰(zhàn)略合作伙伴，共同大力推進新材料的研發(fā)、理論研究及推廣應(yīng)用工作。

(2)修訂國家標準GB/T 18254，促進軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)進步和技術(shù)改造，使新修訂標準接近國際先進水平。主要修訂內(nèi)容如下：

a. 將新標準分為普通、優(yōu)質(zhì)、高級軸承用鋼3個質(zhì)量控制標準，以利于在制訂產(chǎn)品標準時，可以根據(jù)軸承產(chǎn)品的使用壽命和可靠性的具體要求，合理選擇材料質(zhì)量控制標準。

b. 增加對Ti，Pb，Sn，Ca，Al等殘余有害元素含量的控制。

c. 增加對點狀不變形夾雜物最大平均尺寸Ds的控制。在現(xiàn)行的GB/T 18254—2002中，將非金屬夾雜物分為A類(硫化物)、B類(氧化物)、C類(硅酸鹽)和D類(點狀不變形)4種類型，評級圖片采用ASTME45中的圖Ⅲ，即改型的JK圖片，要求在鋼坯上的不同部位取6個試樣進行檢驗，檢驗結(jié)果取6個試樣的平均值。

長期以來，軸承行業(yè)與冶金行業(yè)一直為非金屬夾雜物的復(fù)驗爭論不休，也沒有找到很好的解決方法。例如，對于軸承使用壽命和可靠性影響大的D類夾雜物，現(xiàn)行評級原則是按著顆粒的多少確定級別(表1)。因為我國生產(chǎn)的GCr15軸承鋼中的D類夾雜物顆粒尺寸大、形狀不規(guī)則且分布很不均勻，導(dǎo)致經(jīng)常在一個檢驗視場內(nèi)發(fā)現(xiàn)單顆或2～3顆大尺寸的夾雜物，按現(xiàn)行標準評級原則是合格的，但對實際使用非常有害。

表1 非金屬夾雜物的評級界限(最小值)

如果盡快在標準中加入對點狀不變形夾雜物最大平均尺寸Ds的控制要求，由于檢驗原則只要求最大D類夾雜物平均直徑尺寸滿足標準相關(guān)要求，不存在6個試樣平均問題，而且在原材料或成品軸承零件上檢驗結(jié)果均為有效，這對軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)有了更高的要求，促使其技術(shù)進步；軸承制造企業(yè)進行關(guān)鍵夾雜物的復(fù)驗及失效軸承材料質(zhì)量的檢驗有了準確的定量控制指標。

目前，在我國的外資獨資軸承企業(yè)與國內(nèi)軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)簽定的技術(shù)條件中，對Ds的級別要求為≤1級，即最大D類夾雜物的平均直徑應(yīng)≤27 μm。

d.增加對熱軋材網(wǎng)狀碳化物級別的控制。網(wǎng)狀碳化物對軸承的沖擊性能影響顯著，是軸承質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標之一。在JB/T 1255—2001中所規(guī)定的網(wǎng)狀碳化物合格級別為≤2.5級。在現(xiàn)行GB/T 18254—2002中沒有對熱軋材進行網(wǎng)狀碳化物控制提出要求。因為我國當時的鍛造加熱主要以煤爐、油爐及電爐為主，加熱時間長，熱軋材中的網(wǎng)狀碳化物在加熱過程中重新溶入到奧氏體的基體中。如果在鍛件成形冷卻后，發(fā)現(xiàn)有不合格的網(wǎng)狀碳化物組織存在，則被認定是由于鍛件冷卻速度慢所致。

近幾年來，我國軸承零件鍛造的加熱方式發(fā)生了根本性變化，基本實現(xiàn)了感應(yīng)加熱的全覆蓋。由于感應(yīng)加熱速度快，心表存在較大的溫度差，導(dǎo)致熱軋材中的網(wǎng)狀碳化物(尤其是靠近材料中心部位附近區(qū)域)將不同程度地遺留在鍛件上。

通過對控制熱軋材中網(wǎng)狀碳化物組織級別的工藝研究，將促進我國軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)在控軋控冷技術(shù)方面的進步，不僅解決了網(wǎng)狀碳化物的問題，同時可以起到細化碳化物顆粒尺寸和細化奧氏體晶粒度的“雙細化”作用。

另外，目前我國軸承行業(yè)所使用的滾動體(特別是鋼球)用材料已絕大部分采用熱軋盤圓作為母材，經(jīng)退火、冷拔制成所需尺寸要求的冷拔材。如果不控制熱軋盤圓材料中的網(wǎng)狀碳化物的組織級別，在隨后的退火過程中也無法加以改善，不僅造成大量的廢品，還降低鋼球的壓碎載荷和使用壽命。

e.加強對熱軋材表面脫貧碳層的控制。在現(xiàn)行的《高碳鉻軸承鋼》材料標準中，鋼材表面的脫碳層深度控制指標是按照不同的尺寸段來要求的(表2)，缺乏一定科學性和合理性，不如國外材料標準中規(guī)定的脫碳層深度≤(1%×直徑)直觀,可操作性差。

表2 熱軋(鍛)圓鋼表面每邊總脫碳層深度 mm

f.開展對采用連鑄法生產(chǎn)滾動體(尤其是鋼球)用材的生產(chǎn)工藝、檢驗方法及質(zhì)量控制的研究。在2001年制訂現(xiàn)行的《高碳鉻軸承鋼》材料標準時，考慮到我國當時生產(chǎn)連鑄軸承鋼技術(shù)水平及實物質(zhì)量水平，以及連鑄軸承鋼易產(chǎn)生中心疏松和中心碳偏析的特點，在標準中強調(diào)了“不推薦連鑄軸承鋼作為鋼球用材”。

近十年來，隨著冶煉設(shè)備的技術(shù)改造，一些軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)添置了結(jié)晶器電磁攪拌、輕壓等裝備，基本上達到了日本生產(chǎn)鋼球用連鑄材的工藝裝備水平。另外，一個不可回避的現(xiàn)實是，目前我國軸承行業(yè)用于制造鋼球的材料有60%以上是采用連鑄材。因此，應(yīng)盡快開展對采用連鑄法生產(chǎn)滾動體用材的生產(chǎn)工藝、檢驗方法及質(zhì)量控制等深入系統(tǒng)地研究工作，嚴格規(guī)定生產(chǎn)工藝和裝備要求，保證材料質(zhì)量。

2.2 熱處理工藝技術(shù)及裝備發(fā)展方向

(1)退火裝備向光亮、節(jié)能方向發(fā)展，重點是實現(xiàn)降低噸能耗50%的目標。

熱處理是軸承加工中能耗最高的工序。目前，我國軸承行業(yè)使用的等溫球化退火設(shè)備主要是箱式電爐、臺車爐、鐘罩爐等周期爐，以及輥棒式和推桿式連續(xù)退火生產(chǎn)線。周期爐退火的能耗最大，噸能耗均在400 kW·h以上，連續(xù)退火生產(chǎn)線的噸能耗基本上在260～380 kW·h。

近幾年來，蘇州勝龍電爐廠和杭州金舟電爐廠分別研制開發(fā)了雙通道對推式等溫球化退火生產(chǎn)線和上下輥棒式等溫球化退火生產(chǎn)線，將零件球化退火結(jié)束后冷卻時所散發(fā)的廢熱通過抽風管道傳遞給剛?cè)霠t的零件加熱，大大降低了能耗。實際生產(chǎn)測試表明，這2種爐型的噸退火能耗為130～160 kW·h，比傳統(tǒng)的電爐節(jié)能50%以上。其節(jié)能效果達到國際先進水平。如果按每年我國需要經(jīng)過球化退火的軸承鍛件、棒材、鋼管等重量200萬噸計，如果均采用以上2種節(jié)能生產(chǎn)線進行退火處理，將每年節(jié)約能耗高達300×106kW·h。即使50%材料采用以上2種節(jié)能生產(chǎn)線進行退火處理，其節(jié)能效果也是十分可觀的。

另外，上下輥棒式等溫退火生產(chǎn)線還可以實現(xiàn)進、出料口預(yù)抽真空，退火爐內(nèi)實現(xiàn)保護氣氛(或可控氣氛)的光亮退火。不僅節(jié)材，而且由于退火后的零件表面無氧化皮存在，提高了車加工的生產(chǎn)效率和車削刀具的使用壽命。

(2)淬火裝備向節(jié)能型的可控氣氛熱處理生產(chǎn)線、真空熱處理方向發(fā)展，以實現(xiàn)軸承零件淬回火后的表面少(無)脫貧碳。

在即將修訂的《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》中將對軸承零件淬回火后的表面脫碳層進行嚴格控制，例如對于公稱尺寸≤200 mm套圈允許的表面脫貧碳深度≤0.03 mm，中小尺寸段的滾子則不允許有脫碳層存在。

目前可控氣氛熱處理生產(chǎn)線已占總量的40%左右，大中型國有軸承企業(yè)和民營軸承企業(yè)的熱處理設(shè)備已基本實現(xiàn)了可控氣氛化。但山東、浙江的中小軸承零件熱處理專業(yè)廠家，大多數(shù)仍采用保護氣氛，估計生產(chǎn)線在200臺以上。加快技術(shù)改造步伐，盡快實現(xiàn)可控氣氛熱處理，以保證在新標準頒布實施時，實現(xiàn)可控氣氛熱處理設(shè)備80%以上目標，是近2～3年迫切需要解決的問題。

(3)對于公稱尺寸>200 mm的軸承套圈，推廣采用壓模淬火技術(shù)，以實現(xiàn)少畸變熱處理。

目前我國壓模淬火機床的制造水平日趨成熟。采用壓模淬火技術(shù)，不僅可以節(jié)約材料和提高磨削效率，而且可以從根本上解決中大型軸承零件由于熱處理畸變量大，易在磨削加工過程中出現(xiàn)磨削燒傷，甚至磨削裂紋的頑癥。

(4)在檢驗技術(shù)方面與國際先進標準接軌。

軸承零件退火組織和淬、回火組織是反映熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵指標?，F(xiàn)行JB/T 1255—2001中的退火組織和淬、回火組織評級圖片是在光學顯微鏡放大500倍下進行評定的，而國外對這2種組織的評級是放大1 000倍進行評定。放大倍數(shù)越高，顯微組織結(jié)構(gòu)顯示越清晰，人為判定誤差越小，判定準確度越高，爭議越少。所以，在即將修訂的版本中增加放大1 000倍的評級圖片，考慮到各軸承生產(chǎn)企業(yè)用于熱處理組織檢驗的大多數(shù)光學顯微鏡最大放大倍數(shù)為500倍，為了保證生產(chǎn)的正常進行，在新版標準頒布實施后的2年內(nèi)，將放大500倍的評級圖片和放大1 000倍的評級圖片并行使用，但如果出現(xiàn)對組織的評級出現(xiàn)爭議時，以1 000倍評定結(jié)果為準。

在現(xiàn)行軸承零件熱處理技術(shù)條件中主要強調(diào)淬、回火組織級別和硬度值的控制，缺乏對殘余奧氏體含量的控制指標，目前國外著名軸承生產(chǎn)企業(yè)的標準中對于不同精度軸承的殘余奧氏體含量均有明確的控制要求。例如，對于P2，P4的精密軸承而言，我國標準只要求淬、回火組織為1～3級(其他精度等級軸承零件淬、回火合格組織為1～5級)，硬度為60～65 HRC；國外標準對精密軸承零件淬、回火后的組織沒有特殊要求，但規(guī)定殘余奧氏體含量Aγ≤5%，甚至要求Aγ≤3%，以保證軸承在長期使用過程中具有高的尺寸穩(wěn)定性。

目前，洛陽軸研科技股份有限公司正在進行殘余奧氏體含量檢測及控制技術(shù)的研究，為在新修訂標準中加入殘余奧氏體含量控制指標奠定基礎(chǔ)。

(5)大力推廣下貝氏體等溫淬火工藝技術(shù)。

高碳鉻軸承鋼經(jīng)等溫淬火得到的下貝氏體組織具有高的比例極限、屈服強度和抗彎強度，比常規(guī)淬、回火的馬氏體組織具有更高的沖擊韌性、斷裂韌性、尺寸穩(wěn)定性、硬度均勻性和低的裂紋敏感性，其表面的應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，所以，已應(yīng)用于鐵路客車軸承、軋機軸承、起重機軸承和礦山機械用軸承等。

隨著我國下貝氏體等溫淬火生產(chǎn)線裝備技術(shù)的日趨成熟，必然促進下貝氏體等溫淬火工藝技術(shù)的推廣應(yīng)用力度。

3 結(jié)束語

通過我國軸承行業(yè)和冶金行業(yè)的共同努力，爭取在近期完成《高碳鉻軸承鋼》、《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術(shù)條件》2個標準的修訂工作，使高碳鉻軸承鋼材料的實物質(zhì)量及熱處理工藝裝備和質(zhì)量大幅度提高，為我國軸承使用壽命和可靠性的提高打下堅實的基礎(chǔ)。