對軸承鋼的一般認識和深入認識

楊曉蔚

(洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

GCr15高碳鉻軸承鋼(簡稱軸承鋼，相當(dāng)于德國100Cr6、美國52100、日本SUJ2等)由德國于1905年研制成功，到1920年已在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于滾動軸承制造中，作為世界第1代專用軸承鋼，走過了百余年發(fā)展歷程，至今基本化學(xué)成分未變。

軸承鋼是所有合金鋼中質(zhì)量要求最嚴格及檢驗項目最多的鋼種。世界公認，軸承鋼的冶煉水平代表著一個國家的冶金水平，因此，軸承鋼也被稱作是“特鋼之王”。

從應(yīng)用角度上評價，軸承鋼是非常優(yōu)秀的鋼種——主要合金元素不多且含量低，屬于“高碳低合金鋼”，但經(jīng)過常規(guī)熱處理后，對于軸承的不同使用條件具有“廣譜”適用性——如載荷能力高(接觸應(yīng)力一般為1 000～4 000 MPa)，使用溫度范圍寬(-45～100 ℃或120 ℃)，具有抗疲勞、耐磨損、剛度高、尺寸與形狀穩(wěn)定性好、一定的耐腐蝕能力等顯著優(yōu)點；同時還具有良好的工藝性能(包括鍛造等熱加工性能和車削、磨削等冷加工性能等)，便于實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的軸承制造。

1 對軸承鋼的一般認識

1.1 原材料

(1)嚴格的化學(xué)成分要求?；瘜W(xué)成分是決定鋼材組織與性能最本質(zhì)的因素。軸承鋼中的“高碳”——約含1%的C元素，使其具有高硬度并容易球化；加入相對便宜的1.5%左右Cr元素，使其具有良好的淬透性及碳化物穩(wěn)定性，并具有一定的耐腐蝕性；對其他合金元素如Si，Mn，Mo，P，S，Ni和Cu等均規(guī)定了相應(yīng)的含量，因為Si可增強回火抗力從而提高疲勞壽命， Mn能增加淬透性但不會像Cr，Mo那樣形成難以分解的碳化物，Mo同Cr的作用一樣，但可細化晶粒，P會增加冷脆性并容易偏析，S 和Cu會產(chǎn)生熱脆性，Ni能提高強韌性并保持良好的塑性;對殘余元素Sn，As，Ti和Al等元素的含量也都需要有嚴格的限制。

(2)高純凈度要求。軸承正常失效形式主要是疲勞剝落。由滾動接觸而產(chǎn)生的疲勞剝落，是由于在很小的材料體積內(nèi)反復(fù)承受交變應(yīng)力，若材料基體硬度很高，則由應(yīng)力集中所產(chǎn)生的危害更大。因此，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的非金屬夾雜物、特別是氧化物等脆性夾雜物對軸承鋼疲勞特性的影響要比其他結(jié)構(gòu)鋼更為顯著，必須通過降低氧含量等措施降低鋼中的夾雜物含量，盡量提高純凈度。

(3)嚴格的低倍組織和顯微組織要求。低倍組織是指一般疏松、中心疏松和偏析；顯微組織包括退火組織、碳化物網(wǎng)狀、帶狀和液析等。低倍組織中的多數(shù)缺陷均可導(dǎo)致應(yīng)力集中，成為疲勞剝落源，而且較大疏松和偏析會造成鍛造裂紋；顯微(高倍)組織中的退火組織的粗大及不均勻等會導(dǎo)致淬火裂紋及切削性能和力學(xué)性能變差；碳化物網(wǎng)狀易于造成淬火裂紋及變形，降低機械強度、沖擊韌性和接觸疲勞強度；碳化物帶狀會影響退火和淬回火組織、淬火加熱的過熱敏感性、硬度均勻性、機械加工性能以及接觸疲勞強度；碳化物液析硬而脆，其危害性與脆性夾雜物相同，是碳化物不均勻性中最有害的一種，可顯著降低接觸疲勞強度及增大摩擦因數(shù)和磨損率。

(4)特別嚴格的碳化物不均勻性控制要求。軸承鋼中的碳含量較高，又含有一定數(shù)量的碳化物形成元素(如Cr等)，因此在鋼液的冷凝過程中，這些元素極易發(fā)生成分偏析，引起碳化物顆粒大小和分布的不均勻性。碳化物不均勻，會造成組織和硬度不均勻；若嚴重不均勻，還容易產(chǎn)生淬火裂紋。

(5)特別嚴格的內(nèi)部缺陷和表面缺陷控制要求。內(nèi)部缺陷包括縮孔、氣泡和白點等，表面缺陷包括裂紋、夾渣、結(jié)疤和氧化皮等。這些缺陷對于軸承的加工質(zhì)量、使用性能和壽命可靠性等都有很大的影響。如軸承鋼對白點敏感性很強，容易造成回火脆性，并顯著影響接觸疲勞強度。

(6)特別嚴格的表面脫碳層控制要求。軸承鋼中的碳含量高，在加熱過程中表面脫碳傾向性較大，若脫碳層過厚，且在熱處理前沒有將其全部清除掉，容易產(chǎn)生淬火裂紋和軟點。

(7)高精度的尺寸要求。軸承零件毛坯通常都要經(jīng)過壓力成形，如套圈的鍛造成形、滾動體的冷鐓或熱軋成形等。如果鋼材的尺寸精度不高，就無法精確計算下料尺寸和重量，既難以保證零件的尺寸與形狀精度要求，也容易造成加工設(shè)備和模具的損壞。

1.2 熱處理

(1)嚴格的熱處理規(guī)范。軸承通常在高強度狀態(tài)下工作，因此常規(guī)熱處理為(830～860) ℃馬氏體淬火+(160～180) ℃低溫回火——這也是保證軸承零件疲勞強度的最佳熱處理規(guī)范。必須進行的低溫回火可以在保持高硬度和良好耐磨性的前提下，降低材料的內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時產(chǎn)生崩裂等過早損壞現(xiàn)象。

(2)嚴格的顯微組織要求。軸承鋼退火后要求為細小、均勻分布的球化(球狀珠光體)組織，以保證良好的切削性能并為淬火做準備。淬火后的理想組織由隱晶馬氏體(平均含碳量為0.55%左右)、殘余奧氏體(7%～10%)和未溶(殘留)碳化物(6%～8%)組成，在此組織狀態(tài)下的疲勞性能最佳。

(3)比較嚴格的硬度及其均勻性要求。退火后的硬度要求通常為179～207 HB，以獲得良好的切削性能；淬火要保證淬透，淬、回火后的硬度要求通常為58～66 HRC。根據(jù)零件尺寸不同，如套圈有效壁厚12～30 mm為58～64 HRC；鋼球直徑不大于30 mm為61～66 HRC等；且同一零件的硬度差要求為1～3 HRC，更嚴格的要求為0.5 HRC。

(4)嚴格的裂紋、脫碳及軟點、變形等控制要求。淬、回火后不允許有裂紋；脫碳及軟點、變形均規(guī)定有相關(guān)技術(shù)要求，如套圈公稱直徑不大于30 mm，脫碳層深度不大于0.05 mm等。

2 對軸承鋼的深入認識

顧名思義，軸承鋼是滾動軸承專用鋼種。因此，對軸承鋼所有質(zhì)量改進和技術(shù)進步的出發(fā)點和落腳點都必須聚焦到軸承產(chǎn)品本身上來，如對軸承精度、性能和壽命的更契合本質(zhì)的影響，而不是就原材料談原材料，就熱處理說熱處理。

2.1 對軸承精度的影響

原材料及熱處理對軸承精度的影響，一是能否具備良好的加工性，尤其是適應(yīng)于磨削、超精等精密終加工的特性；二是在儲運和使用過程中能否具有良好的尺寸穩(wěn)定性，不致使加工精度喪失。

(1)軸承鋼淬、回火后屬于高硬度材料，比較適應(yīng)于磨削加工，但鋼中存在的脆性夾雜物，在零件磨削加工中易于從金屬基體上脫落下來，產(chǎn)生劃傷，影響精加工表面質(zhì)量。

(2)常規(guī)熱處理要求軸承在工作溫度120 ℃以下保持尺寸穩(wěn)定性。但即使是一些通用軸承，由于主要用途所決定，也形成了不同于常規(guī)要求的基本技術(shù)特征，如調(diào)心滾子軸承多用于振動、沖擊工況，易于產(chǎn)生高溫，因此SKF,FAG,Timken,NTN和SNR等公司的標準型軸承都要求在200 ℃以下能保持尺寸穩(wěn)定；精密軸承則要求在淬火后進行冷處理(減少淬火后不穩(wěn)定的殘余奧氏體組織)，在磨加工過程中進行附加回火(消除磨削應(yīng)力和穩(wěn)定組織)等措施，有些公司的標準型精密機床軸承，則要求能耐受150 ℃的工作溫度。

2.2 對軸承性能的影響

(1)對振動噪聲的影響。顯著的化學(xué)成分偏析，特別是有大的碳化物顆粒以及大的脆性夾雜物(如氧化物、氮化鈦等)或塑性夾雜物(如硫化物)，將導(dǎo)致材料基體組織不連續(xù)均勻，彈性模量發(fā)生變化(如硫化物和硅酸鹽的彈性模量比鋼低，氧化鋁彈性模量比鋼高)，影響軸承的振動噪聲性能。

(2)對硬度的影響。碳化物偏析，特別是嚴重的碳化物帶狀，會造成組織和硬度不均勻性達不到相關(guān)技術(shù)要求，影響軸承的耐磨損和抗疲勞性能。

(3)對切削性能的影響。適度降低碳含量(如下限降至0.9%)、增加硫含量(如0.04%～0.07%)并保證氧含量在較低水平(如10×10-6以下)，則有利于切削性能的提高。熱軋壓縮比大或經(jīng)冷加工后塑性降低也對切削性能產(chǎn)生有利影響。

(4)對鍛造性能的影響。除了S，Cu和Sn等元素的含量過高，容易形成低熔點相使鍛件出現(xiàn)熱脆開裂外，C元素在規(guī)定范圍內(nèi)偏高，也將使材料的強韌性降低，在鍛造加工成形中有時會產(chǎn)生開裂。

(5)對耐腐蝕性能的影響。一般疏松，或者存在大量細小的硫化物、氧硫化物，或者金屬流線在加工中被切斷，都會引起耐腐蝕性降低，在材料表面形成“黑點”。

(6)退火力學(xué)性能對疲勞強度的無關(guān)影響。軸承鋼的疲勞強度與退火狀態(tài)下的力學(xué)性能之間幾乎無相關(guān)性，因此對交貨狀態(tài)下的熱軋材等，一般需要檢測的內(nèi)容很少。一些檢測項目，如對熱軋退火料抽檢硬度等，只是為了保證其工藝性能(如良好的切削性能)，而不是其機械強度和疲勞性能。

2.3 對軸承壽命的影響

2.3.1 純凈度

(1)氧含量。非金屬夾雜物中對軸承疲勞壽命危害最大的是氧化物系夾雜物，氧含量越高，不僅造成氧化物夾雜數(shù)量增多，而且尺寸增大，對疲勞壽命的危害也就顯著加劇。因此，最直接的手段就是控制鋼中的氧含量。但氧含量降至一定水平(如低于6×10-6)后，繼續(xù)降低氧含量對疲勞壽命的提高作用不明顯，所以氧含量并非越低越好，而是應(yīng)有一個基于試驗分析驗證的科學(xué)認識。

在氧化物夾雜中，其中D類(球狀不變形氧化物)夾雜物比B類(氧化鋁)夾雜物對疲勞壽命更為有害。

(2)鈦含量。鈦屬于殘余元素，含量很低，過去在標準中沒有明確規(guī)定其控制指標。但研究發(fā)現(xiàn)，鈦型夾雜物危害很大，因為碳氮化鈦、氮化鈦等夾雜物具有很高的剛性，并在幾何形狀上呈棱角狀，因而極易造成應(yīng)力集中，誘發(fā)疲勞裂紋。另外，氮化鈦比氧化物更容易產(chǎn)生偏析。因此，現(xiàn)在高質(zhì)量軸承鋼都增加了對鈦含量的規(guī)定，通常要求小于30×10-6，先進水平可達6×10-6左右。

(3)硫含量。有關(guān)硫含量的影響一直存在著兩個方面不同的看法。一方面認為硫化物較軟，幾何形狀一般呈橢球狀，而且能夠包裹危害較大的氧化物形成共生夾雜，使拉應(yīng)力松弛即產(chǎn)生裂紋的傾向性降低，故對疲勞壽命的不利影響很小甚至還可能有益，可以對硫含量從寬控制；另一方面也發(fā)現(xiàn)，在氧和鈦元素含量均較低(氧含量小于10×10-6和鈦含量小于30×10-6)時，硫含量高時將對軸承疲勞壽命產(chǎn)生不利影響，而且隨著硫含量的降低，對氧含量的降低也比較容易控制，因此還是應(yīng)從嚴控制。

(4)高純凈度鋼的壽命離散性及可靠性。氧含量降至10×10-6甚至是6×10-6以下的高純凈度鋼，其疲勞壽命分散性會更大，有時會嚴重影響對可靠性水平的控制。這是由于盡管鋼中的非金屬夾雜物等缺陷很少，但若出現(xiàn)在工作表面上或最大應(yīng)力的次表面區(qū)域中，將導(dǎo)致軸承很快出現(xiàn)早期疲勞剝落。這其中，所存在的極少量的大尺寸非金屬夾雜物(實質(zhì)是在非金屬夾雜物周圍形成的疲勞損傷區(qū)域中的裂紋長度)，對于無異物混入的清潔潤滑環(huán)境下工作的軸承而言，更是主要原因。因此，采用新的夾雜物評定方法，如極值統(tǒng)計法來替代原ASTM E45法等，以改善煉鋼工藝技術(shù)，控制非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸和分布，尤其是控制大尺寸夾雜物的數(shù)量及出現(xiàn)在工作表面上的概率，對于顯著減小軸承壽命的離散性，即提高軸承壽命的可靠性是非常有效的。

2.3.2 碳化物細化均勻

除非金屬夾雜物外，接觸疲勞壽命對鋼的組織均勻性也非常敏感，粗大碳化物同樣是產(chǎn)生疲勞剝落的優(yōu)先源區(qū)。在氧含量及氧化物夾雜含量極低的高純凈鋼中，這一影響尤其突出。因此，應(yīng)采用多種措施來細化均勻碳化物，如電磁攪拌、均勻化(高溫擴散)退火、控軋控冷、可控氣氛連續(xù)球化退火等。

壓縮比也是保證碳化物細化均勻、提高材料致密度、改善材料力學(xué)性能和疲勞強度的一個重要手段。軸承鋼坯，尤其是對于連鑄坯，需要加大壓縮比來改善其心部缺陷。如對于普通碳素鋼的連鑄坯，壓縮比為4～6時就可滿足要求；對于優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼連鑄坯，最小壓縮比不低于10即可；但對于軸承鋼連鑄坯，套圈用料一般需保證壓縮比為12～15，滾動體用料達30～50，要求更嚴格的為：套圈用料壓縮比15以上，滾動體用料壓縮比50以上(有的可達到65)。

2.3.3 中心偏析與疏松

軸承鋼的主流生產(chǎn)工藝流程已從模鑄鋼走向連鑄鋼，但連鑄鋼存在的一個最大問題就是中心偏析和疏松。中心偏析和疏松對于套圈、滾子等零件影響不大，但對于料芯部位仍不可避免地處于工作表面的鋼球就十分有害。采用輕壓下技術(shù)，同時配備中間包等離子加熱和電磁攪拌等技術(shù)，確保最佳工藝條件下的最佳壓下位置，對改善中心偏析與疏松的效果最為顯著。

2.3.4 金屬流線

金屬纖維流線應(yīng)致密，還應(yīng)盡量保證與滾動表面平行，特別應(yīng)控制流線斷頭不能垂直露出工作表面，否則將降低軸承的疲勞壽命。

2.3.5 嚴格控制退火組織

鍛造加工后退火組織的金相顯微鏡檢查的放大倍數(shù)通常規(guī)定為500倍，為了嚴格控制退火組織，保證其為細小均勻的球化組織，避免片狀碳化物存在，應(yīng)在1 000倍下進行檢查評定。

2.3.6 硬度匹配

熱處理后的表面硬度不僅僅是達到標準要求范圍，而是要關(guān)注軸承套圈與滾動體的匹配問題。滾動體的硬度應(yīng)控制在范圍上限，而套圈的硬度應(yīng)控制在范圍下限，以保證滾動體的硬度高于套圈1～2 HRC，使軸承在運轉(zhuǎn)中，尺寸與形狀精度更高的滾動體可以對滾道起到“冷輾整形”作用，進一步提高軸承的疲勞壽命。

高硬度要求——精密軸承的應(yīng)用場合一般是輕載高速，磨損壽命是主要評價指標，因此硬度可偏于范圍上限。

低硬度要求——用于沖擊、重載等工況條件，如軋機、離心澆鑄機及石油鉆機等配套軸承，斷裂比疲勞和磨損等危害更大。因此其硬度應(yīng)偏于范圍下限，甚至可犧牲疲勞性能，降低至58 HRC以下。

2.3.7 殘余奧氏體

軸承鋼常規(guī)熱處理后殘余奧氏體在9%左右時最有利于軸承力學(xué)性能和疲勞強度的提高。但在齒輪箱等具有大量污染顆粒的條件下，在工作表面層保留穩(wěn)定的殘余奧氏體為30%～35%時，可以利用奧氏體易變形的特點來降低接觸壓痕邊緣的應(yīng)力集中效應(yīng)，使表面疲勞源不易形成及擴展，從而提高軸承的疲勞壽命。

3 國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平差距

目前我國軸承鋼年產(chǎn)量世界第一，材質(zhì)水平也取得了顯著的進步，如興澄特鋼、寶鋼特鋼、北滿特鋼等都先后通過SKF，F(xiàn)AG，NSK和Timken等國際著名軸承公司的認證，已經(jīng)成為其材料供應(yīng)商。

但是，與國際先進水平相比，仍存在很大差距，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)氧含量較高(國外普遍在3×10-6～8×10-6，國內(nèi)平均為9×10-6)，尤其是波動偏差較大(國外約為0.6×10-6，國內(nèi)約為2×10-6)；

(2)微觀夾雜物顆粒較集中、較大且較多(數(shù)量達國外幾倍)，宏觀夾雜物出現(xiàn)率較高；

(3)碳化物顆粒的平均直徑及最大直徑均較大(大顆粒碳化物所占比例約為國外3倍)，且分布不均勻；

(4)碳化物帶狀和網(wǎng)狀評級較高，尤其是碳化物液析較嚴重(國外一般無液析)；

(5)表面脫碳嚴重，表面缺陷較多。

由于國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平所限，即使成為國際著名軸承公司材料供應(yīng)商，也存在著是進入主要供應(yīng)商序列還是僅僅作為補充供貨，是僅供應(yīng)其在華投資企業(yè)或亞太市場還是可以供應(yīng)其全球企業(yè)等限制性問題。

盡管國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平良莠不齊，但由于近一階段又多處于賣方市場，致使很多劣質(zhì)鋼材都流入軸承生產(chǎn)環(huán)節(jié)，尤其是進入到?jīng)]有鋼材進廠檢驗手段的中小軸承企業(yè)，“退貨不合格的軸承鋼材沒有回爐重?zé)挼摹笔卿撹F企業(yè)和軸承企業(yè)都完全知曉的公開秘密。這樣的結(jié)果反映在軸承質(zhì)量水平上就是長期在低位徘徊，以近年來國家監(jiān)督抽查結(jié)果為例，平均合格率不到70%，2010年更是由往年合格率75%以上陡降至68%，其中軸承壽命未到達額定壽命是主因之一，而進口鋼材制造軸承的壽命則是國產(chǎn)鋼材制造軸承的幾倍甚至十幾倍。

差距存在的原因主要可歸結(jié)為以下兩方面。

(1)軸承鋼標準內(nèi)容較落后。如國家標準GB/T 18254—2002與國外先進企業(yè)標準SKF D33-1相比，對有害元素含量未做限制，宏觀夾雜物未列為必檢項目，微觀夾雜物中的氮化鈦及碳氮化鈦不評級，熱軋材不要求檢查碳化物網(wǎng)狀，表面缺陷沒有規(guī)定用無損探傷檢查而僅用目視檢查，表面脫碳層、尺寸和形狀公差均控制較松等。

(2)工藝技術(shù)和裝備水平參差不齊。如很少采用多級電磁攪拌，連鑄坯中心偏析比較嚴重；有些企業(yè)的連鑄坯尺寸小，導(dǎo)致軋制比不夠；很多企業(yè)為降低成本不進行高溫擴散退火或減少其時間，碳化物不均勻性問題突出；沒有普遍采用控軋控冷，碳化物網(wǎng)狀難于控制；未能實現(xiàn)鋼坯在線自動檢測，表面裂紋等缺陷經(jīng)常漏檢。

提高國產(chǎn)軸承鋼的材質(zhì)水平，現(xiàn)在多聚焦于研發(fā)高檔軸承鋼及其他鋼種，實際上占市場用量80%以上的普通軸承鋼更為重要。目前國產(chǎn)軸承鋼的現(xiàn)狀實際上是“高不成，低不就”，即“高檔難替代，普通不到位”——在高速鐵路、高檔汽車、民航飛機等采用高檔軸承的領(lǐng)域，由于技術(shù)水平的顯著差距，替代SKF，Timken及日本等國際領(lǐng)先水平的軸承鋼尚難以一蹴而就；在電動機、家電等采用普通軸承領(lǐng)域，盡管現(xiàn)已具備很高的市場占有率，但材質(zhì)水平與國際同類產(chǎn)品相比仍存在很大差距，尤其是在使用壽命及可靠性方面還難以完全滿足要求。普通軸承鋼材質(zhì)水平不高、不穩(wěn)定，實際上才是給國產(chǎn)軸承市場形象造成廣泛不良影響的最大主因。

4 結(jié)束語

軸承鋼的材質(zhì)水平在很大程度上是決定軸承精度、性能和壽命的主要因素甚至是最重要的因素。評定軸承鋼材質(zhì)水平高低的關(guān)鍵特征指標是純凈度與組織均勻性。在基于對原材料及熱處理的一般認識的基礎(chǔ)上，進行更契合于軸承產(chǎn)品本質(zhì)的深入認識，是軸承鋼材質(zhì)改善和技術(shù)進步的根本方向。如對于氧含量及硫化物等要求，就存在著與軸承性能和壽命相關(guān)的辯證關(guān)系，必須進行深度的科學(xué)認識，而不應(yīng)當(dāng)盲目控制或追求。

針對國產(chǎn)軸承鋼目前仍處于“高不成，低不就”的狀況，在瞄準研發(fā)高檔軸承鋼或其他材料的同時，更應(yīng)把注意力回歸到切實提高普通軸承鋼的材質(zhì)水平上來。量大面廣的普通軸承鋼的材質(zhì)達到國際同類產(chǎn)品水平，對于國產(chǎn)軸承在整體上真正形成市場競爭力和良好品牌形象，才更具有普遍意義和現(xiàn)實意義，同時也才具備向中高端市場挺進的基礎(chǔ)。從這個意義上講，普通軸承鋼達到國際先進水平之日，才是我國實現(xiàn)軸承強國開端之時。