第一、二、三代軸承鋼及其熱處理技術的研究進展(二)

朱祖昌，楊弋濤

(1.上海工程技術大學，上海 201620；2.上海大學，上海 200072)

首先，本文主要按ISO標準以及美國和我國的標準來闡明軸承鋼的主要類型。

1.1 全淬透軸承鋼

ISO標準的全淬透軸承鋼中出現(xiàn)了8個鋼號，其成分特點如下：1)其含碳量均為0.93%～1.05%；2)含Cr量分為4個級別：0.90%～1.20%，1.35%～1.65%,1.65%～1.95%和1.80%～2.05%；3)含Mo的主要分為0.15%～0.35%、0.40%～0.50%、0.50%～0.60% 3個級別(注意鋼號中表示含Mo量數(shù)字與千分之一濃度相當)；4)含Si量分兩種，當鋼號中不出現(xiàn)合金元素Si時，含Si在0.45%以下(注意：Si作為鋼脫氧時的殘存量≤0.40%)，當鋼號中出現(xiàn)Si的，其含量在0.40%～0.60%或者0.45%～0.75%；5)鋼中含Mn量在≤0.45%和0.6%～0.8%時也不在鋼號中出現(xiàn)，其余的量在鋼號中均表示出來。8個鋼號除100Cr6(52100，相當于SKF3)外，第2～4號鋼為增加Si和Mn的鋼，第5～7號鋼為增加Cr和Mo的鋼。100CrMnMoSi 8-4-6是加入代位式合金元素最高的鋼，總加入量>3%，具有最優(yōu)良的性能，可制作大約75 mm厚度或直徑～φ130 mm鋼棒的軸承環(huán)，經(jīng)過淬火回火后獲得61 HRC硬度時，Rm達到2300 MPa。全淬透軸承鋼表中已注明與我國高碳鉻軸承鋼相近的型號。

Cr在含Cr軸承鋼中是最重要的合金元素。它能顯著改變鋼中碳化物的分布和大小，從而使?jié)B碳體型碳化物變成細小而均勻分布，Beswick[21]的工作是最好的說明。一般介紹，在含C量1%時，含Cr量小于2.65%的鋼中，只生成M3C型碳化物，含Cr量更高則易形成大塊Cr7C3型碳化物，它的出現(xiàn)會使材料的韌性降低[22]。C為1.0%時的Fe-Cr-C垂直截面見圖1[23]。含Cr的鋼在室溫的退火組織中出現(xiàn)的碳化物與含碳量和含鉻量關系表示于圖2[24]，該兩圖能很好說明上述觀點，這在后文中會作說明。Cr也會使鋼的Ms點降低而增加冷至室溫的殘余奧氏體量，不利于軸承壽命提高。同時Cr升高Ac1，能減小鋼的過熱傾向和脫碳速度，高碳含Cr軸承鋼的Cr含量常常在0.65%～1.65%范圍內[22]。

高碳鉻軸承鋼中加入Si、Mn為提高鋼的淬透性和改善抗回火性。含Si量0.45%～0.75%，含Mn為1.00%～1.20%時，ISO標準中的100CrMnSi6-4軸承鋼，在我國為GCr15SiMn，淬透性比100Cr6鋼有所提高，用于制造壁厚>12 mm，外徑>φ250 mm的軸承套圈。Mo的加入與Si、Mn加入的作用相似，并提高疲勞強度和抗回火能力，也細化退火組織[23]。在我國鋼中出現(xiàn)GCr15SiMo和GCr18Mo。ISO標準中的100CrMo7為我國的GCr18Mo(相當于SKF24)，與100Cr6相比，其Cr增加0.3%，Mo增加0.1%，用于制造壁厚≤20 mm的軸承套圈。

圖1 在含1%C時的Fe-Cr-C三元相圖垂直截面Fig.1 The vertical section of Fe-Cr-C ternary phase diagram at 1% C content

圖2 含Cr鋼在室溫的退火組織中的碳化物與含碳量和含鉻量關系Fig.2 Relationship between carbide and content of C and Cr in annealing microstructure at room temperature for Cr steels

美國全淬透軸承鋼分高碳抗磨軸承鋼和高淬透性抗磨軸承鋼。前者除52100鋼外，其余為含鉻量<1%的價格便宜的低鉻和無鉻軸承鋼。其中51系合金含鉻0.8%，5090M的含鉻量為0.5%，1070M鋼為含Mn(≤1%)的碳素鋼。這些鋼主要應用于農業(yè)機械上的軸承。后者中的1～4號鋼是美國原標準中加入Si、Mn和Mo的高淬透性軸承鋼(注意，1號鋼與100CrMnSi4-4相近)，其余為ISO標準中的鋼。為此，淬透性試驗僅列1～4號鋼。

我國全淬透軸承鋼即為高碳鉻軸承鋼，國家標準GB/T 18254—2016為現(xiàn)行標準，標準中列出5個鋼號。它與原2002標準相比較，除后面4個鋼號和成分與原來的相同外，主要具有6個特點：1)取消了GCr4鋼，增加了G8Cr15鋼，G8Cr15鋼是我國研究降低GCr15含碳量至0.8%的最為成熟的鋼，這次被納入標準；2)加嚴了Ni、P、S和O的含量要求，增加了Al、Ti、Ca、Sn、As、Sb和Pb元素的考核指標(詳細可見表3)；3)增加中心偏析項目評級圖；4)增加特級優(yōu)質鋼的發(fā)藍斷口檢驗；5)修改非金屬夾雜物評級圖，增加單顆粒球狀DS類和TiN的考核指標；6)按澆鑄工藝分模鑄鋼和連鑄鋼，按冶金質量分優(yōu)質、高級優(yōu)質A和特級優(yōu)質E鋼，特級優(yōu)質E鋼的水平已經(jīng)高于ISO標準。

順便提出，日本軸承鋼現(xiàn)行標準JIS 4805:2008與1999年的相比少了SUJ 1(0.90%～1.20%Cr)。SUJ 2為52100，SUJ 3為52100添加了Si和Mn，可用于壁厚較大的零件，SUJ 4和SUJ 5為52100添加Mo和Si、Mn、Mo，它們的淬透性優(yōu)良，適合在高耐磨性場合使用[24]。

1.2 表面硬化軸承鋼

ISO標準中表面硬化的軸承鋼分以Mn、Ni和Cr為主加元素的鋼，這類鋼的含Mo量均在0.25%附近，Si≤0.40%，共有13個鋼號。這一種類鋼在設定的溫度、碳勢、冷卻方式等工藝參數(shù)下經(jīng)過滲碳熱處理以后，零件表面具有高的含碳量，獲得隱晶馬氏體上分布細小粒狀碳化物組織，達到58～62 HRC的硬度和高的耐磨性以及疲勞強度，心部具有一定的強度、硬度和高的韌性，從而實際上成了一種梯度功能材料，同時在表面還存在壓應力，有利于軸承疲勞壽命的提高，并具有高抗沖擊性能。很顯然，這種材料特別適合于用來制造承受大負荷和沖擊的軋鋼機械、重型車輛、鐵路機車和礦山設備上的軸承。

表面硬化軸承鋼在成分上的特點為：1)材料心部要保證耐沖擊性應具有足夠的韌度，也要有足夠的強度和淬透性，含碳量常在0.10%～0.30%，經(jīng)滲碳淬火和回火后的硬度以25～45 HRC為最好[23]；2)含S量為0.015%，比一般表面滲碳合金結構鋼的0.035%低得多，確保其保持優(yōu)良的力學性能和疲勞壽命；3)一般滲碳結構鋼的合金系都可用于滲碳軸承鋼，如Cr系、Mn-Cr系、Cr-Mo系、Ni-Cr-Mo系或Cr-Ni-Mo系。但在成分上存在差別，所以不用相同的鋼號(這與國內鋼號前+G不同)以免混淆。13個鋼號中只有20Cr4和18CrNiMo 7-6 兩個鋼號相同，成分上除S含量相差外基本上完全相同。另外，17MnCr5和19MnCr5 兩個軸承鋼鋼號，即使成分(除S含量外)全部與一般滲碳結構鋼的16MnCr5和20MnCr5相同，也不用相同牌號，以示區(qū)別；4)滲碳軸承鋼中另外還有Mn-Cr-Mo、Mn-Ni-Cr-Mo系。Mn對滲碳性能有影響，Mn量增加使鋼滲碳性能大幅度提高，有研究指出，含Mn≤1%時，對沖擊疲勞和破斷韌性的作用優(yōu)于Cr，在20MnCrMo4-2中的Mn應<1.20%，當>1.30%時會使鋼切削性能下降[23]；5)Ni在滲碳軸承鋼中，Ni降低表面吸收碳原子能力，減少碳的濃度，降低滲碳速度。但加速C在奧氏體中的擴散，同時增加鋼的韌性，另外從淬透性上確定，當鋼中C、Mn、Si、Mo的含量少時，應提高Ni量。Ni在滲碳軸承鋼中的加入量在5.00%以下[23]。

美國的滲碳抗磨軸承鋼除ISO標準的13種鋼以外，為美國的41、43、46、47、48、51、86和93的10種H系列合金鋼，它們與合金結構鋼H系列的合金元素含量類同，如41系列Cr-Mo鋼(含0.50 Cr，含0.12 Mo)，43系列含1.82 Ni、0.50 Cr 、0.25 Mo 和93系列含3.25 Ni、1.20 Cr、0.12 Mo等。但是鋼中的含S和P量存在差別，對軸承鋼分別為≤0.015和≤0.025(在合金結構鋼中為≤0.040和≤0.035)。

我國的滲碳軸承鋼標準為GB/T 3203—2016，取代1982年標準。主要具有5個特點： 1)新增加G23Cr2Ni2Si1Mo鋼，是燕山大學張富成等[25]研究采用滲碳淬火能使其表層獲得納米貝氏體組織的一種軸承鋼；2)加嚴了P、S的含量要求，增加了Al、Ti、Ca、O和H元素的考核指標；3)為脫氧和改變夾雜形狀不允許加入Ca或Ca合金；4)按冶金質量分優(yōu)質、高級優(yōu)質A鋼，在成分上未列出差別，加嚴其低倍缺陷合格級別；5)刪除平爐冶煉方法，冶煉方法分真空脫氣和電渣重熔。為了突出全面性和簡潔性，本文中列出了這類鋼的力學性能和末端淬透性指標。

1.3 感應加熱淬火軸承鋼

許多研究表明：決定軸承鋼疲勞壽命的重要因素是取決于軸承鋼淬火馬氏體基體的碳含量，該含碳量約為0.5%～0.6%，同時將殘余奧氏體含量定為3%～6%。按這一設計思想確定感應加熱淬火軸承鋼的成分。

IS0683標準中的感應加熱淬火軸承鋼出現(xiàn)4個鋼號，其含≤0.025 P和≤0.015 S，低于優(yōu)質結構鋼。它們的含碳量為中碳，采用感應加熱淬火方法使軸承表面達到高的硬度和耐磨性。這種采用含Mn碳素鋼或碳鋼等低等級鋼來替代高等級鋼制造軸承，并應用感應加熱淬火的簡單熱處理工藝替代滲碳工藝，可以大大節(jié)省材料費用和加工成本。

這類鋼相應在美國歸中碳抗磨軸承鋼ASTM A 866-(20)14標準。包含14個抗磨軸承鋼，其中C56E2、56Mn4、43CrMo4牌號與ISO標準的相同；其余為10系列(含≤1%Mn)和15系列(含Mn量在1.00%～1.65%范圍內)的中碳軸承鋼；以及41系列Cr-Mo鋼(含0.50 Cr或0.95 Cr，0.20 Mo)、51系列Cr鋼(含0.80 Cr)和61系列Cr-V鋼(含0.95 Cr，≥0.15 V)的中碳合金軸承鋼。這類鋼和相應碳素結構鋼和合金結構鋼的合金元素含量相同，但是它們的S、P含量則按照軸承鋼的要求范圍。這是應該引起注意之點。

在我國這類鋼歸GB/T 28417碳素軸承鋼，牌號G55、G55Mn和G70Mn分別相當于C56E2、56Mn4和70Mn4。在日本有資料介紹：碳鋼廣泛應用于汽車輪轂軸承，牌號為JIS S53C、SAE1070和1070Mn，它們介紹的JIS S53C、SMn60、SMn65和1072的相應成分與C56E2、56Mn4、70Mn4接近[26]。通過熱處理后的疲勞壽命為52100的一半左右提高至與52100相近的數(shù)據(jù)。

1.4 不銹軸承鋼

ISO標準中不銹軸承鋼出現(xiàn)5個鋼號，都屬于馬氏體不銹鋼，這些鋼在高溫加熱形成奧氏體，并于冷卻至室溫過程中發(fā)生馬氏體轉變(即其Ms>20 ℃)，具有高的淬透性，淬火馬氏體的硬度決定于含碳量。它們在使用條件下達到耐腐蝕要求含鉻在10.5%～18%范圍，含碳量可以超過1.2%，含鉻量隨著含碳量提高而增加。試驗表明，0.1%C的馬氏體硬度大約為35 HRC，在高碳高鉻(16%～18%)馬氏體不銹鋼中，馬氏體硬度與含碳量有關：440A(0.60%C)、440B(0.80%C)和440C(1.0%C)鋼的馬氏體硬度分別為51、55和60 HRC，要求硬度保持58 HRC時鋼的含碳量大約在0.7%左右。

X108CrMo17相當于我國的G102Cr18Mo(原鋼號為9Cr18Mo)，它與美國和日本的440C馬氏體不銹鋼成分相當。對440C鋼，在淬硬不銹鋼中能獲得最高的硬度，可在油或空氣中淬火，也可以進行馬氏體分級淬火，在淬火、回火條件下具有好的腐蝕抗力。按圖1，在1.0 C的Fe-Cr-C鋼三元狀態(tài)圖中，E點大約降低至9.5 Cr處，為此，X108CrMn17鋼中會出現(xiàn)大塊的共晶碳化物，尤其會分布在原奧氏體晶界上，這種碳化物通過熱處理也無法消除。為了改善碳化物的分布，采用降低C和Cr量的方法，這樣就出現(xiàn)X47Cr14和X65Cr14兩種鋼。標準中的X89CrMoV18-1鋼與X108CrMo17鋼相比，降低含碳量(0.85%～0.95%)，增加Cr(17.0%～19.0%)、Mo(0.90%～1.30%)和加入V(0.07%～0.17%)，與我國馬氏體不銹鋼的90Cr18MoV相當[27-28]，熱處理為：1070 ℃油冷，200～300 ℃油或空冷回火，硬度≥55 HRC。

標準中新增加的X40CrMoVN16～2鋼是在降低了C、Si、Mn后略為減少Cr和增加Mo和V，并加入0.16～0.25 N來進一步改善抗蝕性能。上面已經(jīng)指出，對含碳量高的440C鋼，顯微組織中出現(xiàn)粗的共晶碳化物，并在其周圍還會出現(xiàn)Cr的局部貧化區(qū)，從而影響耐腐蝕性能，限制疲勞壽命的提高。X40CrMoVN16～2鋼的開發(fā)是針對15～17 Cr鋼通過常規(guī)冶煉方法加入飽和的大約0.2 N，它與大約0.4C結合以保證獲得細小的共晶碳化物組織，并在淬火后達到55或58 HRC的硬度。N的加入與Cr和Mo結合也有利于提高抗點蝕性能，更加重要的是：鋼中加入的Mo和V取代Cr來得到二次硬化效應，使基體中的Cr含量保持在高的水平，即使在高的回火溫度下也具有優(yōu)良的耐腐蝕性。

美國不銹抗磨軸承鋼出現(xiàn)7個鋼號，除第2個以外的鋼已作介紹。第2個為X30CrMoN15-1(Cronidur30，DIN 1.4108)[29]。它由Energietechnik Essen GmbH開發(fā)的鋼，和上述X40CrMoVN16～2鋼類似，15 Cr鋼中通過加壓冶煉方法加入了0.300～0.500 N。該鋼具有細小和相對均勻的顯微組織，具有高硬度和優(yōu)良的抗沖擊彎曲能，在淬火-去應力和淬火-回火(至500 ℃)狀態(tài)下能明顯改進耐腐蝕性能。鋼在全淬硬和二次硬化(475 ℃)狀態(tài)下使用。

我國不銹軸承鋼列出3個鋼號。采用的9Cr18和9Cr18Mo鋼屬于萊氏體鋼，后者在前者中加入Mo(≤0.75%)，具有更好的淬透性和更高硬度，也擴大鈍化范圍，增加抗點蝕能力，為此應用范圍更廣，抗蝕性更好[30]。在ISO標準中未列入我國的9Cr18鋼。另外的G65Cr14Mo鋼相近于ISO標準中的X65Cr14。

1.5 高溫軸承鋼

隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展，愈益迫切需要制造噴氣發(fā)動機、燃氣輪機和宇航飛行器等，裝備的軸承的工作溫度將越來越高，大部分已經(jīng)高于300 ℃。如上世紀80年代，飛行速度達到3 mach(1 mach=1190 km/h，相當于空氣中的音速)的巡航飛機使用軸承的工作溫度達316 ℃[23]。為此，高溫軸承鋼應運而生。高溫軸承鋼除了應具有一般軸承鋼的特性要求外，還應具有高的高溫硬度(≥50 HRC)和耐磨性，尺寸穩(wěn)定性，耐高溫氧化性能和耐腐蝕性，高的抗蠕變強度和低的熱膨脹系數(shù)等。其中前兩項為選擇高溫軸承鋼材料的主要指標。作為高溫軸承鋼，主要為高溫不銹鋼、滲碳高溫鋼和高速工具鋼三類。

ISO標準中列出的高溫軸承鋼出現(xiàn)5個鋼號。其中列出的第1個33CrMoV12～9鋼為新增加鋼種，列出的3個鋼種80MoCrV42-16、X82WMoCrV6-5-4和X75WCrV18-4-1為高速鋼M50、M2和T1，列出的13MoCrNi42-16-14為滲碳高溫鋼，常稱為M50NiL。M50相應成分表示為80Cr4Mo4V1+少量W和Cu，高溫下具有高的硬度和疲勞性能，廣泛用于316 ℃以下的高溫軸承，最佳淬火溫度1120 ℃，淬火后存在殘余奧氏體Ar。通過冷處理或520～540 ℃回火使Ar轉變，可出現(xiàn)二次硬化，國外有稱半高速鋼的。M50NiL是在M50基礎上降低C，增加Ni和少量W+Cu，這就是“NiL”的由來。

33CrMoV12～9是含有0.33 C的3Cr1Mo0.2V鋼,法國的32CDV13鋼的成分與它相近，屬于滲氮用表面改性鋼。注意，鋼號以合金結構鋼的形式表示，這與上述的鋼號有明顯不同。該鋼在920 ℃油淬后于620 ℃回火，經(jīng)過在比較低的溫度下的滲氮改性處理來獲得表面耐磨和優(yōu)良疲勞性能以及高韌性能的心部，深層滲氮可以達到0.7 mm。

高溫軸承鋼含大量的能與C形成穩(wěn)定的碳化物的W、Mo、V等強C化物形成元素和Co，經(jīng)高溫奧氏體化加熱淬火后，在520～540 ℃回火所產(chǎn)生的二次硬化，使鋼具有一定的高溫力學性能。

美國的航空發(fā)動機用高溫軸承鋼和高溫滲碳軸承鋼相應按航空航天材料規(guī)范AMS(Aerospace Material Specification)，已經(jīng)收集的有：AMS6491(M50), AMS 6278(M50NiL), AMS 5619(14Cr-4Mo), AMS 5930(Pyrowear 675), AMS 5900(Carpenter CRB-7)，AMS 5932(CSS-42L)，AMS 5749(14Cr-4Mo-1.2V，BG42)等。關于這部分內容在本文后面會加以詳細闡明。

我國的航空發(fā)動機的高溫軸承鋼和高溫滲碳軸承鋼還只有冶金部標準，它們對應是M50鋼和M50NiL鋼。高溫軸承鋼國家標準在今年五月仍在征求意見中，至今尚未發(fā)布。

高溫不銹鋼Cr14Mo4是9Cr18Mo(440C，工作溫度149 ℃)改進型(增Mo減Cr)[23]，在260～480 ℃溫度內比9Cr18Mo有更高硬度和耐磨性，好的耐蝕性、抗氧化性。用于480 ℃以下工作的耐蝕軸承，同時也用于噴氣發(fā)動機和導彈上。該鋼未列入ISO高溫軸承鋼的高溫不銹鋼中。

2 三代軸承鋼的發(fā)展

自20世紀中期開始，國外軸承鋼發(fā)展至今已經(jīng)歷三代[2,31]。隨美國航空發(fā)動機技術的發(fā)展，其推重比(飛機發(fā)動機推力與發(fā)動機重力或飛機重力之比)，由起初的2～3級提高至7～8級和10～12級以及15～20級，對應為第1和第2代以及第3代航空發(fā)動機，這3代發(fā)動機采用的軸承鋼也以第1和第2代以及第3代對應發(fā)展，其對應著的軸承使用溫度分別為≤150 ℃和≤350 ℃以及耐500 ℃[2]。相對應的三代軸承鋼的典型代表鋼號為52100、9310H和M50、M50NiL以及CSS-42L。

高碳Cr軸承鋼52100(100Cr6, 100C6，GCr15，ЩХ15，SUJ2)是軸承鋼的代表性鋼種，也是第一代軸承鋼的最主要鋼種,同時也是世界上要求最嚴格的一種鋼。它的含碳是在0.8～1.1 wt%和代位式元素濃度<3%的鋼，起先設計為機械工具用鋼，已作為軸承在全世界被廣泛使用。其成分常寫成1%C-1.5%Cr的高C低合金鋼。它能滿足軸承使用中的種種性能要求。但是，其使用溫度僅僅為≤150 ℃。在美國，優(yōu)良的航空質量真空自耗電極重熔的52100鋼(AMS6444)的成分為：0.93～1.05 C，≤0.015 S，0.25～0.45 Mn，1.35～1.60 Cr，≤0.015 P，≤0.25 Ni，≤0.10 Mo，≤0.30 Cu，0.15～0.35 Si，≤0.050 Al，15 ppm O，球化組織硬度≯207 HB，在829±6 ℃(1525±10 ℉)加熱20±2 min，淬火于室溫商用石蠟油中的均勻硬度值≮63 HRC[32]。

要注意的是，上世紀五十年代末高性能軸承鋼開始普遍采用VIM+VAR(真空感應熔煉+真空自耗重熔)的雙真空熔煉先進技術。上世紀60年代，美國又用于制造高純凈度軸承鋼的VIM+VAR的雙真空熔煉先進技術移植至高性能齒輪鋼，這樣也更推進航空發(fā)動機的更新?lián)Q代和發(fā)展。同時M50、M50NiL、CSS-42L也都可以用于制造齒輪，由此可見，軸承鋼和齒輪鋼向著逐漸融合為一的方向發(fā)展[31]。分別列出典型的三代軸承齒輪鋼為52100,9310H；M50,M50NiL，還有EX-53,Pyrowear 675(P675)，440N-Dur以及Gearmet C69，CSS-42L，相應的性能(回火硬度和KIC)列于下表。

表4 典型三代軸承齒輪鋼的化學成分和一些性能

*單一硬度值為全淬硬型軸承鋼熱處理后的硬度；分數(shù)形式的值為表面滲碳型軸承鋼熱處理后的硬度，其中分子表示表面硬度數(shù)值，分母表示心部硬度數(shù)值；全部為HRC數(shù)值；

航空發(fā)動機推重比的提高，技術途徑為提高發(fā)動機主軸轉速，如25000轉/分(rpm)[1]，轉速的提高相應要求其應具有更高的抗彎與抗扭剛度而增加軸徑，這必然使軸承所承受的DN數(shù)值(軸承內徑D和轉速N的乘積)提高。在航空發(fā)動機發(fā)展過程中，飛機主軸軸承的DN值在不斷提高，上世紀五十年代的DN值為1.5×106，至七十年代中期，DN值升高至>2.4×106，八十年代達到2.5～3×106mm·rpm[33]。國外高速精密數(shù)控機床主軸采用DN值達4×106的超高速角接觸主軸軸承[2]。我國將于2020年和2025年進行DN數(shù)值為2.5×106和3.0×106的軸承研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化[34-35 ]。